機組自動水頭與安全運行

周楊云

【摘要】人工設(shè)置水頭的誤差范圍增大；庫區(qū)水位變化頻繁的電站會增加運行人員的勞動強度，也會導(dǎo)致水頭更改不及時引起的機組運行不穩(wěn)定現(xiàn)象；導(dǎo)槳葉雙調(diào)節(jié)的機組還會因為機組協(xié)聯(lián)關(guān)系與實際水頭的不匹配引起機組振動加大，引發(fā)與機組振動相關(guān)的一些其他問題。自動水頭具有響應(yīng)快、數(shù)值準(zhǔn)確、節(jié)省人力等諸多優(yōu)點，我們采用雷達(dá)測量水位方式成功解決了這個問題，給采用壓差式水頭采集方案的電站提供了成功升級案例

【關(guān)鍵詞】自動水頭；液位計；水輪機調(diào)節(jié)；安全運行

一、自動水頭在機組運行中的作用

水輪發(fā)電機在運行中由調(diào)速器根據(jù)水頭、負(fù)荷、頻率、電壓、流量、導(dǎo)葉開度反饋值來計算導(dǎo)葉相對應(yīng)的開度，如果槳葉參與調(diào)節(jié)也會根據(jù)與導(dǎo)葉的開度協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，除水頭和負(fù)荷外的調(diào)節(jié)量均由機組調(diào)速和勵磁系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，其中水頭是一個基礎(chǔ)量，在參與計算時也是固定量，機組的負(fù)荷調(diào)節(jié)不允許在計算時出現(xiàn)其他變量，否則會引起機組不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，而計算所依據(jù)的各基礎(chǔ)量數(shù)據(jù)必須與實際相符合，不然計算出的結(jié)果與實際不符也會引起機組運行的不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，這也與這些變量的測量元件精確度有一定關(guān)系，目前的自動化元件質(zhì)量基本能夠保證，這里我們只討論單一變量水頭對水輪機調(diào)節(jié)的影響情況。

水輪發(fā)電機的水頭有設(shè)計水頭、凈水頭、工作水頭等，機組根據(jù)水頭的運行方式分為手動和自動。人工手動設(shè)置機組的運行水頭時，是根據(jù)水電站上下游實測的水位差得出毛水頭，減去一定的水頭損失得出水輪機工作水頭值，輸入到調(diào)速器作為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)參數(shù)，這種方式會給機組運行帶來很多安全隱患：1、人工設(shè)置水頭的誤差范圍增大；2、如果是水位變化大的電站會增加電站運行人員的勞動強度，也會導(dǎo)致水頭更改不及時引起的機組運行不穩(wěn)定；3、水頭與實際誤差過大會導(dǎo)致機組調(diào)速器計算出現(xiàn)偏差導(dǎo)致實際出力與給定不符；4、導(dǎo)槳葉雙調(diào)節(jié)的機組還會因為機組協(xié)聯(lián)關(guān)系與實際水頭的不一致引起機組振動加大，嚴(yán)重的會引發(fā)與機組振動相關(guān)的其他問題發(fā)生。自動水頭是調(diào)速器根據(jù)水位傳感器輸入的電壓（電流）值自動進(jìn)行比較換算，數(shù)值隨著實際水頭變化而變化，具有響應(yīng)快、數(shù)值準(zhǔn)確、節(jié)省人力等諸多優(yōu)點，缺點是：根據(jù)測量方式不同測量準(zhǔn)確度可能會受影響。

二、應(yīng)用實例

湖南安江水電站壩址位于洪江市安江鎮(zhèn)，單機容量35MW，總裝機容量140MW。額定水頭8.8m、最高水頭11.8m、最低水頭3.5m，其水頭變化范圍有8.3m。2012年10月首臺機組發(fā)電，調(diào)速器系統(tǒng)為南京南瑞集團公司設(shè)備。電站機組原設(shè)計自動水頭信號源自壓差式水位傳感器，因為測量管路被砼堵塞，調(diào)速器一直沒有接入自動水頭信號。機組運行靠運行人員手動設(shè)置，難以滿足機組保持最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系運行需要。由于機組在空載的導(dǎo)葉開度與水頭存在一定的對應(yīng)關(guān)系，若水頭變化而調(diào)速器不能實時采集跟蹤，程序中設(shè)定的空載開度與實際的便會出現(xiàn)偏差。當(dāng)設(shè)定的空載開度大于實際的過多時，便會造成停機失敗。當(dāng)設(shè)定的空載開度小于實際過多時，便會造成開機失敗。同樣在不同水頭下，機組最大負(fù)荷（35MW）對應(yīng)的導(dǎo)葉開度不同。若程序中設(shè)定的開限（導(dǎo)葉允許最大開度限制）大于實際所需開限，可能出現(xiàn)甩負(fù)荷的危險，反之則負(fù)荷無法增到額定值。因此水頭是影響調(diào)速器的調(diào)控性能及機組的安全運行的重要參數(shù)。電站調(diào)速器自投運一直靠運行人員手動修改水頭，機組不能在最優(yōu)工況下工作，振動擺度大，調(diào)速器主配及管路因頻繁調(diào)整經(jīng)常出現(xiàn)抽動，經(jīng)濟性能降低，既危險又增加了工人的工作量，與水電廠的自動控制要求極不相符。

三、設(shè)計原理

在電站上游及下游各裝一個雷達(dá)水位計作為輸入通道1和輸入通道2的一個4-20mA電流信號。再通過差值運算儀將輸入的通道1與通道2的4-20mA電流信號進(jìn)行差值運算，其結(jié)果作為通道3的輸入，并分別輸出與4個通道的數(shù)值成正比的4-20mA的水頭信號送給四臺機組調(diào)速器，同時在面板采用3行6位高亮數(shù)碼管分別顯示3個通道的實際測量值及其變送電流值。每通道可獨立設(shè)置2個報警接點。

四、安裝技術(shù)要求及注意事項

探頭發(fā)射面到最低水面的距離，小于選購儀表的量程；探頭發(fā)射面到最高水面的距離，大于選購儀表的盲區(qū)；探頭的發(fā)射面與水面保持平行；探頭的安裝位置應(yīng)避開水面劇烈波動的位置，若探頭發(fā)射面到最高液位的距離小于選購儀表的盲區(qū)，需加裝延伸管，延伸管管徑大于120mm，長度0.35m～0.50m，垂直安裝，內(nèi)壁光滑，延伸管上開孔應(yīng)大于延伸管內(nèi)徑?；蛘邔⒐茏油ㄖ了妫軓酱笥?0mm，管底留孔保持延伸管內(nèi)液面與管子等高；儀表在室外安裝建議加裝遮陽板以延長儀表使用壽命；儀表在特別炎熱、寒冷的地方使用，即周圍環(huán)境溫度有可能超出儀表的工作要求時，在液儀周圍加設(shè)防高、低溫裝置；材料：LRW11-30/C/2-T00型雷達(dá)液位計2套、CIA21-42差值運算儀1套、W515244隔離變送器1套、電纜。

五、技改后達(dá)到的效果

調(diào)速器自動采集水頭功能的實現(xiàn)后，其開機過程中根據(jù)水頭高低自動選擇導(dǎo)葉第一開度限制值、第二開度限制值和機組并網(wǎng)過程中逆功率導(dǎo)葉開度限制值。大大提高了全廠自動化控制水平。解決運行人員跟蹤和修改水頭的煩瑣工作，避免了人工操作可能造成的誤操作事故，同時使機組啟動時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小且并網(wǎng)速度快。導(dǎo)葉空載開度與開限能隨水頭變化而自動整定，使調(diào)速器主配壓閥及操作油管路抽動減少，不僅提高了調(diào)速器的調(diào)控性能，還提高了機組開停機的成功率和運行的安全性。同時在水頭相同或接近時，機組所帶負(fù)荷相同的情況下，導(dǎo)葉槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系得到改善，機組振動減小，保證了機組的合理使用壽命。發(fā)電耗水率較改造前明顯減少，實現(xiàn)了節(jié)能目的。因為水電站原設(shè)計全是利用差壓計算采集水頭，存在管路容易堵塞信號不準(zhǔn)甚至失效的難題，給機組運行帶來安全隱患，此改造方案給水電站的自動化水頭升級提供了成功的借鑒經(jīng)驗。