調速器凈水頭測量錯誤的影響分析與對策

李原立

（湖南省水運建設投資集團大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡陽 421414）

調速器凈水頭測量錯誤的影響分析與對策

李原立

（湖南省水運建設投資集團大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡陽 421414）

介紹了某水電站2號機組凈水頭測量錯誤，導致調速器導—槳葉協聯關系破壞，進而對機組發電流量、機組震動、水庫調度等方面產生的影響。分析了采用插值計算的方法，通過調速器內置“開度、水頭與流量折算曲線”和實測凈水頭、導葉開度計算出機組凈水頭測量錯誤時的真實流量數據的過程，并總結了故障原因和應采取的運行措施。

燈泡貫流式水輪機；凈水頭；導葉開度；調速器；插值計算

0　引言

某水電站2號機組在并網運行狀態下，于2015-05-02T02：05上位機發“水頭反饋故障”告警信號，機組水頭數據由8.6 m突變為2.0 m，機組出力出現短暫波動后恢復至設定出力，但是導葉開度、槳葉開度等數據與告警信號發出之前的運行數據相比較均已發生變化。以下分析、計算凈水頭測量錯誤對發電流量、機組振動、水庫調度等方面的影響及對策。

1　水電站概況

該水電站安裝有1-4號共4臺30 MW奧地利ELIN電氣聯合公司生產的卡普蘭燈泡貫流式水輪發電機組和1臺10 MW國產燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量為130 MW，平均發電水頭為7.2 m，多年平均發電量為5.8億kWh。

該水電站為日調節水電站，水電站壩址流域面積為53 200 km2，多年平均流量為1 400 m3/s，正常蓄水位為50.00 m，最佳發電水位50.00 m± 0.1 m，死水位為47.80 m。

1-4號機組水輪機主要技術參數如表1所示。

2　調速器系統簡介

該水電站1-4號機組調速器系統進行過技術改造，改造之前使用MCE公司的M IPREG DGC 600C型調速器。由于該調速器性能存在缺陷，目前4臺機組的調速器系統已全部改造成由武漢國測三聯水電控制設備有限公司生產的PSWST-PLC型調速器，其核心元件采用1套德國西門子公司的S7-300系列PLC，具有自動、電手動和機手動3種運行方式，在自動負載工況下具有開度控制、有功控制、流量控制、轉速控制4種運行工況。對于水頭數據的采集具有“自動水頭”和“手動設定”2種方式。

表1　水輪機主要技術參數

3　機組運行數據

“水頭反饋故障”前，機組運行于有功控制方式，凈水頭測量正確，導、槳葉處在協聯關系下。查詢機組數據記錄可知：機組出力22.6 MW，導葉開度為75 %，槳葉開度為55 %，凈水頭為8.6 m，上位機顯示流量為300 m3/s。

“水頭反饋故障”后，凈水頭測量錯誤，查詢機組數據記錄可知：機組出力短時間波動后，恢復至設定值22.6 MW，導葉開度變為86.5 %，槳葉開度變為46 %，凈水頭變為2 m，上位機顯示流量為210 m3/s。

在發生“水頭反饋故障”時，導葉開度和槳葉開度發生了明顯的變化。故障前后顯示導葉開度由75 %增加至86.5 %，機組流量由300 m3/s降至210 m3/s，但是實際上，在水頭不變的情況下，機組流量應該是增加的，而不可能是減少的。這說明顯示的流量變化是錯誤的。

4　調速器凈水頭測量錯誤的影響分析

4.1導—槳葉協聯關系被破壞

調速器內置了8條水頭的導—槳葉協聯關系曲線。表2為按每條曲線的導葉開度間隔10 %取11點，及水頭從小到大將協聯曲線中選定的8條水頭依照當前水頭值和當前導葉開度值采用插值計算的方法得出的槳葉協聯開度。

在“水頭反饋故障”前，自動水頭為8.6 m，調速器在8.6 m水頭時的導—槳葉協聯關系下運行，此時導葉開度為75 %，槳葉開度為55 %。在“水頭反饋故障”后，凈水頭數據測量錯誤，調速器變為在2.0 m水頭時的導—槳葉協聯關系下運行。此時槳葉開度不再為75 %導葉開度對應的槳葉開度。由于導—槳葉協聯關系曲線發生變化，新的槳葉開度是由水頭2.0 m和導葉開度數據采用插值計算出來的。

由于協聯關系被破壞，調速器動作關閉槳葉，水輪機效率降低，此時機組出力減小，而調速器在“有功控制”閉環控制方式下，為維持機組設定的22.6 MW的出力，將動作打開導葉，然后經過短暫的調速器調節過程，最終機組出力穩定在22.6 MW，導葉開度穩定在86.5 %開度，槳葉開度穩定在46 %開度。

4.2發電流量的變化

調速器也內置8條水頭下的導葉開度—流量折算曲線如圖1。表3為按每條曲線導葉開度間隔10 %取11點，通過插值計算的方法由導葉開度和水頭2個數據計算得出的機組流量。

圖1　導葉開度（y）、流量（Q）、水頭（H）折算曲線示意

“水頭反饋故障”導致調速器無法采集到正確的水頭數據，致使流量數據也是錯誤的。以下通過已知的導葉開度和“水頭反饋故障”前的真實水頭這2個數據，通過插值算法來得出正確的機組流量數據。

表2　導—槳葉開度協聯曲線數據

表3　導葉開度—流量折算曲線數據

以圖1中9.2 m水頭對應的曲線為例，插值算法公式為：

式中Q1為待求的流量值，Qi為流量上一值，Q（i+1）為流量下一值，y為導葉開度當前值，y（i+1）為導葉開度下一值，yi為導葉開度上一值。

計算過程如下：

（1） 9.2 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q1計算：

（2） 7.8 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q2計算：

（3） 8.6 m水頭下86.5 %導葉開度對應的機組流量Q計算：

根據表3中的流量基值為500 m3/s進行折算，Q=88.52 %×500 m3/s=442.6 m3/s。

（4） 根據機組數據記錄，在“水頭反饋故障”前，機組流量為300 m3/s。由以上計算可知，在發生“水頭反饋故障”后，2號機組在出力不變的情況下，發電流量增加了142.6 m3/s。

4.3水輪機效率變低

由以上計算可知，機組出力不變的情況下，發電流量增加了142.6 m3/s，很明顯水輪機的效率變低了。根據公式P=9.81 ηQH，式中P為損失的機組出力，η為機組效率，Q為增加的流量，H為水頭。其中η取經驗值0.9，Q=142.6 m3/s，H=8.6 m。計算可知P=0.9×142.6×9.81×8.6≈10.8 MW。由此可知，由于水輪機效率變低導致發電流量的增加，而增加的發電流量并未轉換為機組出力，造成水資源的浪費和經濟損失。通過計算可知，損失的機組出力約為10.8 MW。

4.4對發電運行的影響

（1） 發生“水頭反饋故障”時的正確水頭數據為8.6 m，而水輪機的導葉、槳葉開度是在2.0 m的協聯關系曲線下運行的，因此導致機組水輪機效率降低。

（2） 水輪機在非協聯關系工況下運行，機組振動增加。

（3） “水頭反饋故障”發生前后，機組出力依然為22.6 MW，但是導葉開度增加，流量增加了142.6 m3/s，導致機組耗水率增加，未能達到機組經濟運行的要求。

（4） 對水庫調度的影響。由于該水電站的水庫調度屬于日調節式，在枯水期季節的水庫調度原則一般為控制上游水位為50.10 m，入庫流量與下泄流量相持平，從而可以保持高水頭運行。根據水庫調度運行經驗，下泄流量增加150 m3/s，在1 h內，上游水位會下降0.01 m，此次“水頭反饋故障”使得在原調度計劃的基礎上增加了142.6 m3/s下泄流量，如長時間運行，則上游水位會在調度計劃的基礎上呈下降趨勢，不利于水庫調度。尤其在進入枯水期后，入庫流量只有400-500 m3/s的情況，這種影響更為嚴重。

（5） 對負荷考核點的影響。目前地區調度對下轄水電站的負荷曲線考核方法是，從每天的00：15開始，每15 m in，對比電站實際機組出力與申報負荷曲線是否一致。在發生“水頭反饋故障”時水輪機效率的降低，使得機組出力會有短時間的波動。如果此時恰巧發生在考核時間點上，則造成此負荷考核點出力不合格，扣罰水電站一定的本月上網電量，對水電站造成經濟效益上的損失。

5　故障原因和存在的問題

經檢查分析出此次水頭反饋故障的原因為：水頭電流變送器至調速器反饋通道故障，導致水頭數據反饋錯誤。查閱PSWST-PLC型調速器說明書可知：當水頭信號故障時，調速器將以故障前的水頭值作為當前水頭值，并自動切換到水頭手動設定方式。此次“水頭反饋故障”，調速器并未自動切換到水頭手動設定方式，而繼續在2.0 m的錯誤水頭下以“自動水頭”方式運行，目前原因尚未查明。

6　結束語

調速器水頭數據采集錯誤，對機組振動、水輪機效率、水庫調度、耗水率、經濟運行等各方面均有較大的影響。

當出現“水頭反饋故障”或者其他原因導致的機組凈水水頭測量數據錯誤時，運行人員應立即手動設定凈水頭為實際水頭值，避免機組調速器長時間在非協聯關系下運行，進而減小機組振動，以利于水庫調度，降低耗水率，增加發電效益，達到經濟運行的目的。

對于水電站維護人員，在機組檢修期間或日常設備巡檢中應加強對電調、水頭測壓管路、電流變送器、接線等設備的維護工作。

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2015-10-08；

2016-03-27。

李原立（1992-），男，助理工程師，主要從事發電運行工作，email：liyuanli_lee@126.com。