機組自動水頭與安全運行

周楊云

【摘要】人工設置水頭的誤差范圍增大；庫區水位變化頻繁的電站會增加運行人員的勞動強度，也會導致水頭更改不及時引起的機組運行不穩定現象；導槳葉雙調節的機組還會因為機組協聯關系與實際水頭的不匹配引起機組振動加大，引發與機組振動相關的一些其他問題。自動水頭具有響應快、數值準確、節省人力等諸多優點，我們采用雷達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

【關鍵詞】自動水頭；液位計；水輪機調節；安全運行

一、自動水頭在機組運行中的作用

水輪發電機在運行中由調速器根據水頭、負荷、頻率、電壓、流量、導葉開度反饋值來計算導葉相對應的開度，如果槳葉參與調節也會根據與導葉的開度協聯關系進行調節，除水頭和負荷外的調節量均由機組調速和勵磁系統進行自動調節，其中水頭是一個基礎量，在參與計算時也是固定量，機組的負荷調節不允許在計算時出現其他變量，否則會引起機組不穩定現象發生，而計算所依據的各基礎量數據必須與實際相符合，不然計算出的結果與實際不符也會引起機組運行的不穩定現象發生，這也與這些變量的測量元件精確度有一定關系，目前的自動化元件質量基本能夠保證，這里我們只討論單一變量水頭對水輪機調節的影響情況。

水輪發電機的水頭有設計水頭、凈水頭、工作水頭等，機組根據水頭的運行方式分為手動和自動。人工手動設置機組的運行水頭時，是根據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，輸入到調速器作為基礎調節參數，這種方式會給機組運行帶來很多安全隱患：1、人工設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，也會導致水頭更改不及時引起的機組運行不穩定；3、水頭與實際誤差過大會導致機組調速器計算出現偏差導致實際出力與給定不符；4、導槳葉雙調節的機組還會因為機組協聯關系與實際水頭的不一致引起機組振動加大，嚴重的會引發與機組振動相關的其他問題發生。自動水頭是調速器根據水位傳感器輸入的電壓（電流）值自動進行比較換算，數值隨著實際水頭變化而變化，具有響應快、數值準確、節省人力等諸多優點，缺點是：根據測量方式不同測量準確度可能會受影響。

二、應用實例

湖南安江水電站壩址位于洪江市安江鎮，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月首臺機組發電，調速器系統為南京南瑞集團公司設備。電站機組原設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置，難以滿足機組保持最優協聯關系運行需要。由于機組在空載的導葉開度與水頭存在一定的對應關系，若水頭變化而調速器不能實時采集跟蹤，程序中設定的空載開度與實際的便會出現偏差。當設定的空載開度大于實際的過多時，便會造成停機失敗。當設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，機組最大負荷（35MW）對應的導葉開度不同。若程序中設定的開限（導葉允許最大開度限制）大于實際所需開限，可能出現甩負荷的危險，反之則負荷無法增到額定值。因此水頭是影響調速器的調控性能及機組的安全運行的重要參數。電站調速器自投運一直靠運行人員手動修改水頭，機組不能在最優工況下工作，振動擺度大，調速器主配及管路因頻繁調整經常出現抽動，經濟性能降低，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、設計原理

在電站上游及下游各裝一個雷達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電流信號進行差值運算，其結果作為通道3的輸入，并分別輸出與4個通道的數值成正比的4-20mA的水頭信號送給四臺機組調速器，同時在面板采用3行6位高亮數碼管分別顯示3個通道的實際測量值及其變送電流值。每通道可獨立設置2個報警接點。

四、安裝技術要求及注意事項

探頭發射面到最低水面的距離，小于選購儀表的量程；探頭發射面到最高水面的距離，大于選購儀表的盲區；探頭的發射面與水面保持平行；探頭的安裝位置應避開水面劇烈波動的位置，若探頭發射面到最高液位的距離小于選購儀表的盲區，需加裝延伸管，延伸管管徑大于120mm，長度0.35m～0.50m，垂直安裝，內壁光滑，延伸管上開孔應大于延伸管內徑。或者將管子通至水面，管徑大于80mm，管底留孔保持延伸管內液面與管子等高；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，即周圍環境溫度有可能超出儀表的工作要求時，在液儀周圍加設防高、低溫裝置；材料：LRW11-30/C/2-T00型雷達液位計2套、CIA21-42差值運算儀1套、W515244隔離變送器1套、電纜。

五、技改后達到的效果

調速器自動采集水頭功能的實現后，其開機過程中根據水頭高低自動選擇導葉第一開度限制值、第二開度限制值和機組并網過程中逆功率導葉開度限制值。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速超調量較小且并網速度快。導葉空載開度與開限能隨水頭變化而自動整定，使調速器主配壓閥及操作油管路抽動減少，不僅提高了調速器的調控性能，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，機組所帶負荷相同的情況下，導葉槳葉的協聯關系得到改善，機組振動減小，保證了機組的合理使用壽命。發電耗水率較改造前明顯減少，實現了節能目的。因為水電站原設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驗。