水電站水位自動調節(jié)負荷的應用

王歡

[摘? ? 要]對于受水位影響較大且沒有相應庫容調節(jié)的小水電機組，發(fā)電負荷受水位變化影響較大，本文介紹位于白龍江干流上某小水電運用水位進行負荷自動調節(jié)，提高機組負荷調節(jié)效率，減少運行人員工作量，降低發(fā)電水耗，有效提高水能利用率。

[關鍵詞]水電站;水位;自動調節(jié);負荷

[中圖分類號]TV736 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Automatic Load Regulation of Water Level in Hydropower Station

Wang Huan

[Abstract]For small hydropower units that are greatly affected by the water level and have no corresponding storage capacity regulation， the power generation load is greatly affected by the water level change. This paper introduces that a small hydropower station located on the main stream of Bailong River uses the water level for automatic load regulation， so as to improve the load regulation efficiency of the unit， reduce the workload of operators， reduce the power generation water consumption and effectively improve the utilization rate of water energy.

[Keywords]hydropower station; water level; automatic adjustment; load

文章介紹的水電站位于白水江干流上，為低壩徑流（無調節(jié)）引水式電站，主要任務是發(fā)電，在保證電站樞紐安全的前提下，充分發(fā)揮水庫的發(fā)電效益。機組受到水位影響較大，該水電站沒有相應的庫容對來水進行調節(jié)，需要值班員根據水位的變化頻繁調整負荷，工作量較大。若調節(jié)不及時易造成機組機械部件的損壞或水資源浪費。人員主觀性帶來的風險將直接影響電站安全生產。

1 電站概況

該水電站裝機容量2×16 MW，為軸流轉漿式機組，調速器調節(jié)性能較好。電站設2孔快速閘門，主要用于水輪機組事故保護。當機組發(fā)生事故而導致水輪機關閉失靈時，它可以快速關閉斷流，以防事故擴大化。

樞紐正常擋水位1 075 m。橡膠壩長39.48 m，底坎高程為1 071.4 m，壩頂高程為1 075.1 m，正常壩高3.7 m。2孔泄洪沖沙閘，既有泄洪的任務，也有擋水的作用，用以調節(jié)閘前水位保證電站引水發(fā)電流量及必要時小開度沖沙和汛期開閘渲泄洪峰流量。

為調節(jié)進水閘前水位，保證電站引水發(fā)電流量，在河床主河道布置了溢流橡膠壩段，平時河道來水量略大于引水流量時，可不開啟閘門，多余水量可通過溢流橡膠壩頂自由下泄。上游來水小于136 m3/s時，水庫水位保持1 075 m，電站正常運行。上游來水大于136 m3/s小于353 m3/s時，水庫水位保持1075.0 m，電站正常運行。由與進水閘相鄰的一孔沖沙閘控制水位，下泄多余水量，泄洪能力為0～217 m3/s。上游來水大于353 m3/s小于578 m3/s時，水庫水位保持1 075 m，電站正常運行，其余流量由一孔泄沖閘敞泄和一孔沖沙閘控泄，泄洪能力為217～442 m3/s。上游來水大于578 m3/s小于884 m3/s時，水泵運行排水，坍壩運行，閘門控制運行水位，電站正常運行，上游來水大于884 m3/s時，泄沖閘閘門全開，坍壩聯(lián)合泄洪，進水閘門關閉，電站停止發(fā)電。

該水電站生態(tài)流量通過開啟泄沖閘來保證，生態(tài)流量大小為10 m3/s，通常情況下保持生態(tài)流量時泄沖閘開度保持在8～10 cm。

2 水位自動調節(jié)負荷的應用

水位自動調節(jié)負荷的應用目前應用于該小水電機組，調節(jié)性能較好，但由于調速器隨水位頻繁進行調節(jié)，調節(jié)越精細，壓油泵啟動越頻繁，會縮短壓油泵的使用壽命且提高廠用電率，導致發(fā)電成本增加。因此，水位自動調節(jié)負荷功能的應用以及調節(jié)參數的設置需與電站其他設備運行狀態(tài)緊密聯(lián)系起來，優(yōu)化參數，找到最優(yōu)調節(jié)。

2.1 數據采集與處理

（1）為確保數據采集的準確性，在電站上游安裝了3組水位計，包含2套浸入式水位計，1套雷達水位計，采集數據后輸出4～20 mA模擬量接入閘控系統(tǒng)PLC，通過光纖傳輸通道傳至上位機數據庫，由上位機進行邏輯判斷后進行機組負荷、閘門開度等的調節(jié)，實現水位自動調節(jié)負荷。

（2）為確保數據可靠性，對水位信號進行數據不變化及突變檢測。通過上位機對象判斷三組水位信號，當前后2次測值相等時開始計數，在累計30次后，則自動把該水位信號測值賦值為0;當水位正常變化后，將三組水位信號兩兩相互檢測，當差值不為0且小于0.2 m，則使用第一個作為有效水位，參與后續(xù)的程序判斷;如果三組水位信號損壞2個及以上，則會發(fā)出水位異常報警，并退出自動水位調節(jié)功能。

2.2 “水位自動調節(jié)按鈕”投入條件

上位機設置“水位自動調節(jié)按鈕”，其投入的判斷條件為1號、2號泄洪閘遠方自動控制、IF、2F遠方自動控制、調速器遠方自動控制、閘控系統(tǒng)與上位機通信正常、監(jiān)控系統(tǒng)通信正常、水位測量裝置通信正常、調速器電源正常、泄沖閘電源正常、閘控系統(tǒng)電源正常，攔污柵壓差小于0.6 m。上述條件需要在機組、閘門自動調節(jié)投入的情況下同時滿足。當有一個不滿足時，即使當水位自動調節(jié)功能在投入狀態(tài)，也會立即自動退出，并報警。

2.3 水位啟停條件判斷說明

為了防止水位抖動導致的頻繁動作，對于水位信號進行如下判斷。

①水位增高的判斷條件為有效水位超過1 075.05 m，且保持10 s以上;水位增高復歸的判斷條件為有效水位小于1074.95 m，且保持10 s以上。②水位降低的判斷條件為有效水位超過1074.75 m，且保持10s以上;水位降低復歸的判斷條件為有效水位小于1 074.85 m，且保持10 s以上。

2.4 增負荷調節(jié)

2.4.1 兩臺機組均停機的調節(jié)

當機組具備自動調節(jié)條件時上位機投入“水位自動調節(jié)按鈕”，首先判斷水位數據是否正常。若數據正常，當有效水位≥1075.05 m且保持10 s以上時進入調節(jié)流程，應判斷機組運行狀態(tài)，如IF、2F均未開機，則啟動自動開機流程，保守情況下可以讓機組發(fā)出簡報：水位己達開機條件，進行人為開機操作。

2.4.2 一臺機組開機運行的調節(jié)

如當前為一臺機運行，先判斷該機組導葉開度，確定其是否達到最大開度，若該機組導葉開度達到最大開度，則發(fā)出簡報：水位己達開機條件，人為開啟另外一臺機組;若該機組導葉開度未達到最大開度，則進行增負荷調節(jié)，由上位機發(fā)增有功命令至該機組LCU配合調速器進行增負荷調節(jié)，調節(jié)過程中同時還要判斷蝸殼壓力，若蝸殼壓力小于0.27 MPa，說明水壓不足，此時不能繼續(xù)進行機組負荷調節(jié)，則進入閘門調節(jié)流程進行閘門調節(jié);延時30 s再次判斷水位，若有效水位未調節(jié)至1 074.95 m以下，則繼續(xù)調節(jié)，若有效水位調節(jié)至1 074.95 m以下且保持10 s以上，則發(fā)出簡報：本次調節(jié)結束，流程退出。

2.4.3 兩臺機組均開機運行的調節(jié)

如當前IF、2F均在發(fā)電態(tài)，判斷導葉開度大小，開度較小的優(yōu)先進行調節(jié)，由上位機發(fā)增有功命令至該機組LCU配合調速器進行增負荷調節(jié)，當開度較小的機組調節(jié)至最大負荷后，進入另外一臺機組調節(jié)流程，調節(jié)過程中也要判斷蝸殼壓力，若蝸殼壓力小于0.27 MPa，則進入閘門調節(jié)流程進行閘門調節(jié)。當兩臺機組負荷均達到調節(jié)上限后，如有效水位仍未低于1 074.95 m，先判斷閘門開度，若1號、2號泄洪閘開度均在全關位置，則發(fā)出簡報：建議開啟泄洪閘門，此時人為遠方操作閘門開啟。如果此時任意一臺閘門已經有開度，則直接進入閘門調節(jié)流程。

2.4.4 閘門調節(jié)

考慮電站及河道特殊情況，該電站在正常情況下1號泄沖閘保持10 cm生態(tài)流量開度，當1號泄沖閘開度達到30 cm時，需停止提門動作，自動啟動泄洪報警器30 s，給河道其他作業(yè)人員預警。泄洪報警器開啟后計時5 min，閘門自動調節(jié)流程可繼續(xù)執(zhí)行。閘門自動調節(jié)上限為200 cm。

閘門調節(jié)過程：上位機發(fā)出閘門調節(jié)命令或自動調節(jié)進入閘門調節(jié)流程，首先判斷1#閘門開度是否達到調節(jié)上限，若未達到上限則對其開度進行調節(jié)，每次開啟10 cm，延時150 s，判斷有效水位是否調節(jié)至1 074.95 m以下且持續(xù)10 s以上，如果此時有效水位已調節(jié)至1 074.95 m以下則調節(jié)退出，報：調節(jié)結束，流程退出;如果有效水位未調節(jié)至1 074.95 m以下，則繼續(xù)閉環(huán)調節(jié)1號泄沖閘門開度，當1號閘門開度己達到調節(jié)上限，水位還未調節(jié)下來時，對2號閘門按照同樣的調節(jié)過程進行調節(jié)，當有效水位調節(jié)至1 074.95 m以下時，調節(jié)結束，流程退出。若當兩孔閘門均已開至上限，有效水位還未調節(jié)至1 074.95 m以下，則水位自動調節(jié)退出，報：上游來水過大，自動調節(jié)退出。此時人為按照來水流量結合電站大壩運行規(guī)程預測判斷是否需要對橡膠壩進行坍壩運行，聯(lián)合泄洪。

2.5 減負荷調節(jié)

2.5.1 兩臺機組運行且有閘門開啟的調節(jié)

“水位自動調節(jié)按鈕”投入，當上游有效水位小于等于1 074.75 m且持續(xù)10 s以上時判斷兩孔泄洪閘門狀態(tài)，若2孔閘門都開時，則先關閉2#閘門，上位機發(fā)閘門開度減小令，每次開度減小10 cm，延時150 s再次判斷水位，當有效水位達到1 074.85 m且持續(xù)10 s以上時，調節(jié)結束，流程退出。若當2號閘門關至全關位置有效水位還未調節(jié)恢復至1 074.85 m以上，則對1號閘門進行調節(jié)，直至調節(jié)到水位恢復至1 074.85 m以上且持續(xù)10 s或1號閘門達到全關后，調節(jié)結束。為保護閘門水封，閘門開度不足10 cm時，關閉至全關即可。若閘門調節(jié)結束后有效水位還未恢復至1 074.85 m以上時，則進入機組調節(jié)流程，繼續(xù)對機組進行減負荷調節(jié)。

2.5.2 兩臺機組運行的減負荷調節(jié)

“水位自動調節(jié)按鈕”投入，當有效水位≤1 074.75 m且持續(xù)10 s以上時判斷機組運行狀態(tài)，如當前IF、2F均在發(fā)電態(tài)，則比較導葉開度大小，開度較大的機組優(yōu)先進行調節(jié)，調節(jié)時由上位機發(fā)減有功命令至該機組LCU，由機組LCU向調速器發(fā)出關導葉命令，從而進行減負荷調節(jié)。每次調節(jié)延時30 s再次進行水位和導葉開度判斷，閉環(huán)進行調節(jié)。調節(jié)過程中需注意導葉開度的減小要避開機組振動區(qū)。該電站振動區(qū)導葉開度為50 %左右，故導葉開度減小至50 %時不再進行調節(jié)。若當該機組導葉開度減小到50 %，有效水位仍然未達到1 074.85 m，則對另一臺機組進行減負荷調節(jié)。當兩臺機組負荷調節(jié)至振動區(qū)附近但有效水位仍未調節(jié)至1074.85 m以上，則上位機發(fā)出簡報：水位過低，建議停機;若經過機組減負荷調節(jié)，有效水位調節(jié)至1 074.85 m以上，則發(fā)出簡報：本次調節(jié)結束，流程退出。

2.5.3 一臺機組運行的調節(jié)

“水位自動調節(jié)按鈕”投入，當有效水位小于等于1 074.75 m且持續(xù)10 s以上時判斷機組運行狀態(tài)，如當前只有一臺機組在發(fā)電狀態(tài)，判斷其導葉開度是否大于等于25 %，如果導葉開度大于等于25%，則對該機組進行減有功調節(jié)，每30 s再次判斷水位和導葉開度進行閉環(huán)調節(jié)，當有效水位大于等于1 074.85 m時，調節(jié)結束，流程退出，調節(jié)過程中當導葉開度小于25 %時，發(fā)出簡報：建議停機。

3 結束語

由水位作為調節(jié)因子自動調節(jié)負荷，對于未參與電網AGC調節(jié)且水位變化較快，需隨時按照水位進行負荷調整的小型水電站，結合電站其他輔助設備運行實際情況，找出負荷與水位、導葉開度、閘門開度等的對應關系，優(yōu)化調節(jié)過程，能夠有效減少運行值班人員的工作強度以及人為調節(jié)負荷帶來的出錯概率，也能有效提高水能利用率，為小水電實現“無人值班”模式奠定基礎。

參考文獻

[1] 王鑫，王亦寧，謝傳萍，等.基于水位的小水電負荷調節(jié)[J].水電廠自動化，2009（8）：70-71.

[2] 何斌.水電站用水位控制自動調節(jié)負荷的嘗試，電子世界，2017（7）：181.