調(diào)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(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡陽 421414）

調(diào)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(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)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(jī)組凈水頭測量錯誤，導(dǎo)致調(diào)速器導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞，進(jìn)而對機(jī)組發(fā)電流量、機(jī)組震動、水庫調(diào)度等方面產(chǎn)生的影響。分析了采用插值計算的方法，通過調(diào)速器內(nèi)置“開度、水頭與流量折算曲線”和實測凈水頭、導(dǎo)葉開度計算出機(jī)組凈水頭測量錯誤時的真實流量數(shù)據(jù)的過程，并總結(jié)了故障原因和應(yīng)采取的運(yùn)行措施。

燈泡貫流式水輪機(jī)；凈水頭；導(dǎo)葉開度；調(diào)速器；插值計算

0　引言

某水電站2號機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，于2015-05-02T02：05上位機(jī)發(fā)“水頭反饋故障”告警信號，機(jī)組水頭數(shù)據(jù)由8.6 m突變?yōu)?.0 m，機(jī)組出力出現(xiàn)短暫波動后恢復(fù)至設(shè)定出力，但是導(dǎo)葉開度、槳葉開度等數(shù)據(jù)與告警信號發(fā)出之前的運(yùn)行數(shù)據(jù)相比較均已發(fā)生變化。以下分析、計算凈水頭測量錯誤對發(fā)電流量、機(jī)組振動、水庫調(diào)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(lián)合公司生產(chǎn)的卡普蘭燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺10 MW國產(chǎn)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為130 MW，平均發(fā)電水頭為7.2 m，多年平均發(fā)電量為5.8億kWh。

該水電站為日調(diào)節(jié)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(fā)電水位50.00 m± 0.1 m，死水位為47.80 m。

1-4號機(jī)組水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2　調(diào)速器系統(tǒng)簡介

該水電站1-4號機(jī)組調(diào)速器系統(tǒng)進(jìn)行過技術(shù)改造，改造之前使用MCE公司的M IPREG DGC 600C型調(diào)速器。由于該調(diào)速器性能存在缺陷，目前4臺機(jī)組的調(diào)速器系統(tǒng)已全部改造成由武漢國測三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PSWST-PLC型調(diào)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(jī)手動3種運(yùn)行方式，在自動負(fù)載工況下具有開度控制、有功控制、流量控制、轉(zhuǎn)速控制4種運(yùn)行工況。對于水頭數(shù)據(jù)的采集具有“自動水頭”和“手動設(shè)定”2種方式。

表1　水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3　機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

“水頭反饋故障”前，機(jī)組運(yùn)行于有功控制方式，凈水頭測量正確，導(dǎo)、槳葉處在協(xié)聯(lián)關(guān)系下。查詢機(jī)組數(shù)據(jù)記錄可知：機(jī)組出力22.6 MW，導(dǎo)葉開度為75 %，槳葉開度為55 %，凈水頭為8.6 m，上位機(jī)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(jī)組數(shù)據(jù)記錄可知：機(jī)組出力短時間波動后，恢復(fù)至設(shè)定值22.6 MW，導(dǎo)葉開度變?yōu)?6.5 %，槳葉開度變?yōu)?6 %，凈水頭變?yōu)? m，上位機(jī)顯示流量為210 m3/s。

在發(fā)生“水頭反饋故障”時，導(dǎo)葉開度和槳葉開度發(fā)生了明顯的變化。故障前后顯示導(dǎo)葉開度由75 %增加至86.5 %，機(jī)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(jī)組流量應(yīng)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(diào)速器凈水頭測量錯誤的影響分析

4.1導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系被破壞

調(diào)速器內(nèi)置了8條水頭的導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。表2為按每條曲線的導(dǎo)葉開度間隔10 %取11點，及水頭從小到大將協(xié)聯(lián)曲線中選定的8條水頭依照當(dāng)前水頭值和當(dāng)前導(dǎo)葉開度值采用插值計算的方法得出的槳葉協(xié)聯(lián)開度。

在“水頭反饋故障”前，自動水頭為8.6 m，調(diào)速器在8.6 m水頭時的導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行，此時導(dǎo)葉開度為75 %，槳葉開度為55 %。在“水頭反饋故障”后，凈水頭數(shù)據(jù)測量錯誤，調(diào)速器變?yōu)樵?.0 m水頭時的導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行。此時槳葉開度不再為75 %導(dǎo)葉開度對應(yīng)的槳葉開度。由于導(dǎo)—槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線發(fā)生變化，新的槳葉開度是由水頭2.0 m和導(dǎo)葉開度數(shù)據(jù)采用插值計算出來的。

由于協(xié)聯(lián)關(guān)系被破壞，調(diào)速器動作關(guān)閉槳葉，水輪機(jī)效率降低，此時機(jī)組出力減小，而調(diào)速器在“有功控制”閉環(huán)控制方式下，為維持機(jī)組設(shè)定的22.6 MW的出力，將動作打開導(dǎo)葉，然后經(jīng)過短暫的調(diào)速器調(diào)節(jié)過程，最終機(jī)組出力穩(wěn)定在22.6 MW，導(dǎo)葉開度穩(wěn)定在86.5 %開度，槳葉開度穩(wěn)定在46 %開度。

4.2發(fā)電流量的變化

調(diào)速器也內(nèi)置8條水頭下的導(dǎo)葉開度—流量折算曲線如圖1。表3為按每條曲線導(dǎo)葉開度間隔10 %取11點，通過插值計算的方法由導(dǎo)葉開度和水頭2個數(shù)據(jù)計算得出的機(jī)組流量。

圖1　導(dǎo)葉開度（y）、流量（Q）、水頭（H）折算曲線示意

“水頭反饋故障”導(dǎo)致調(diào)速器無法采集到正確的水頭數(shù)據(jù)，致使流量數(shù)據(jù)也是錯誤的。以下通過已知的導(dǎo)葉開度和“水頭反饋故障”前的真實水頭這2個數(shù)據(jù)，通過插值算法來得出正確的機(jī)組流量數(shù)據(jù)。

表2　導(dǎo)—槳葉開度協(xié)聯(lián)曲線數(shù)據(jù)

表3　導(dǎo)葉開度—流量折算曲線數(shù)據(jù)

以圖1中9.2 m水頭對應(yīng)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(dǎo)葉開度當(dāng)前值，y（i+1）為導(dǎo)葉開度下一值，yi為導(dǎo)葉開度上一值。

計算過程如下：

（1） 9.2 m水頭下86.5 %導(dǎo)葉開度對應(yīng)的機(jī)組流量Q1計算：

（2） 7.8 m水頭下86.5 %導(dǎo)葉開度對應(yīng)的機(jī)組流量Q2計算：

（3） 8.6 m水頭下86.5 %導(dǎo)葉開度對應(yīng)的機(jī)組流量Q計算：

根據(jù)表3中的流量基值為500 m3/s進(jìn)行折算，Q=88.52 %×500 m3/s=442.6 m3/s。

（4） 根據(jù)機(jī)組數(shù)據(jù)記錄，在“水頭反饋故障”前，機(jī)組流量為300 m3/s。由以上計算可知，在發(fā)生“水頭反饋故障”后，2號機(jī)組在出力不變的情況下，發(fā)電流量增加了142.6 m3/s。

4.3水輪機(jī)效率變低

由以上計算可知，機(jī)組出力不變的情況下，發(fā)電流量增加了142.6 m3/s，很明顯水輪機(jī)的效率變低了。根據(jù)公式P=9.81 ηQH，式中P為損失的機(jī)組出力，η為機(jī)組效率，Q為增加的流量，H為水頭。其中η取經(jīng)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(jī)效率變低導(dǎo)致發(fā)電流量的增加，而增加的發(fā)電流量并未轉(zhuǎn)換為機(jī)組出力，造成水資源的浪費和經(jīng)濟(jì)損失。通過計算可知，損失的機(jī)組出力約為10.8 MW。

4.4對發(fā)電運(yùn)行的影響

（1） 發(fā)生“水頭反饋故障”時的正確水頭數(shù)據(jù)為8.6 m，而水輪機(jī)的導(dǎo)葉、槳葉開度是在2.0 m的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線下運(yùn)行的，因此導(dǎo)致機(jī)組水輪機(jī)效率降低。

（2） 水輪機(jī)在非協(xié)聯(lián)關(guān)系工況下運(yùn)行，機(jī)組振動增加。

（3） “水頭反饋故障”發(fā)生前后，機(jī)組出力依然為22.6 MW，但是導(dǎo)葉開度增加，流量增加了142.6 m3/s，導(dǎo)致機(jī)組耗水率增加，未能達(dá)到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

（4） 對水庫調(diào)度的影響。由于該水電站的水庫調(diào)度屬于日調(diào)節(jié)式，在枯水期季節(jié)的水庫調(diào)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(yùn)行。根據(jù)水庫調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗，下泄流量增加150 m3/s，在1 h內(nèi)，上游水位會下降0.01 m，此次“水頭反饋故障”使得在原調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上增加了142.6 m3/s下泄流量，如長時間運(yùn)行，則上游水位會在調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上呈下降趨勢，不利于水庫調(diào)度。尤其在進(jìn)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(yán)重。

（5） 對負(fù)荷考核點的影響。目前地區(qū)調(diào)度對下轄水電站的負(fù)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(jī)組出力與申報負(fù)荷曲線是否一致。在發(fā)生“水頭反饋故障”時水輪機(jī)效率的降低，使得機(jī)組出力會有短時間的波動。如果此時恰巧發(fā)生在考核時間點上，則造成此負(fù)荷考核點出力不合格，扣罰水電站一定的本月上網(wǎng)電量，對水電站造成經(jīng)濟(jì)效益上的損失。

5　故障原因和存在的問題

經(jīng)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(diào)速器反饋通道故障，導(dǎo)致水頭數(shù)據(jù)反饋錯誤。查閱PSWST-PLC型調(diào)速器說明書可知：當(dāng)水頭信號故障時，調(diào)速器將以故障前的水頭值作為當(dāng)前水頭值，并自動切換到水頭手動設(shè)定方式。此次“水頭反饋故障”，調(diào)速器并未自動切換到水頭手動設(shè)定方式，而繼續(xù)在2.0 m的錯誤水頭下以“自動水頭”方式運(yùn)行，目前原因尚未查明。

6　結(jié)束語

調(diào)速器水頭數(shù)據(jù)采集錯誤，對機(jī)組振動、水輪機(jī)效率、水庫調(diào)度、耗水率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等各方面均有較大的影響。

當(dāng)出現(xiàn)“水頭反饋故障”或者其他原因?qū)е碌臋C(jī)組凈水水頭測量數(shù)據(jù)錯誤時，運(yùn)行人員應(yīng)立即手動設(shè)定凈水頭為實際水頭值，避免機(jī)組調(diào)速器長時間在非協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行，進(jìn)而減小機(jī)組振動，以利于水庫調(diào)度，降低耗水率，增加發(fā)電效益，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

對于水電站維護(hù)人員，在機(jī)組檢修期間或日常設(shè)備巡檢中應(yīng)加強(qiáng)對電調(diào)、水頭測壓管路、電流變送器、接線等設(shè)備的維護(hù)工作。

1 許慧敏.燈泡貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)變化的關(guān)系和消除振動方法［J］.西北水電，2012，61（6）：67-69.

2 李正貴.燈泡貫流式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系及性能研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2014.

3 黃少玲.淺談燈泡貫流式電站的優(yōu)化運(yùn)行［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013，21（7）：122-123.

4 陳小飛.燈泡貫流式電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析及管理［J］.科技信息2012，29（35）：392-435.

5 馮衍祥.燈泡貫流式機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，1996，19（3）：51-53.

6 劉俊俊.炳靈水電站燈泡貫流式機(jī)組經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行探討［C］.水電站機(jī)電技術(shù)研討會論文集，蘭州，2010.

7 李正貴，薛多忠，徐彥軍，等.黃河干流上燈泡貫流式水輪機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析［J］.小水電，2013，30（5）：58-60.

8 田嘉彬，王旺寧.烏金峽水電站貫流式水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析［J］.西北水電，2013，62（4）：62-65.

2015-10-08；

2016-03-27。

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