机组自动水头与安全运行

周杨云

【摘要】人工设置水头的误差范围增大；库区水位变化频繁的电站会增加运行人员的劳动强度，也会导致水头更改不及时引起的机组运行不稳定现象；导桨叶双调节的机组还会因为机组协联关系与实际水头的不匹配引起机组振动加大，引发与机组振动相关的一些其他问题。自动水头具有响应快、数值准确、节省人力等诸多优点，我们采用雷达测量水位方式成功解决了这个问题，给采用压差式水头采集方案的电站提供了成功升级案例

【关键词】自动水头；液位计；水轮机调节；安全运行

一、自动水头在机组运行中的作用

水轮发电机在运行中由调速器根据水头、负荷、频率、电压、流量、导叶开度反馈值来计算导叶相对应的开度，如果桨叶参与调节也会根据与导叶的开度协联关系进行调节，除水头和负荷外的调节量均由机组调速和励磁系统进行自动调节，其中水头是一个基础量，在参与计算时也是固定量，机组的负荷调节不允许在计算时出现其他变量，否则会引起机组不稳定现象发生，而计算所依据的各基础量数据必须与实际相符合，不然计算出的结果与实际不符也会引起机组运行的不稳定现象发生，这也与这些变量的测量元件精确度有一定关系，目前的自动化元件质量基本能够保证，这里我们只讨论单一变量水头对水轮机调节的影响情况。

水轮发电机的水头有设计水头、净水头、工作水头等，机组根据水头的运行方式分为手动和自动。人工手动设置机组的运行水头时，是根据水电站上下游实测的水位差得出毛水头，减去一定的水头损失得出水轮机工作水头值，输入到调速器作为基础调节参数，这种方式会给机组运行带来很多安全隐患：1、人工设置水头的误差范围增大；2、如果是水位变化大的电站会增加电站运行人员的劳动强度，也会导致水头更改不及时引起的机组运行不稳定；3、水头与实际误差过大会导致机组调速器计算出现偏差导致实际出力与给定不符；4、导桨叶双调节的机组还会因为机组协联关系与实际水头的不一致引起机组振动加大，严重的会引发与机组振动相关的其他问题发生。自动水头是调速器根据水位传感器输入的电压（电流）值自动进行比较换算，数值随着实际水头变化而变化，具有响应快、数值准确、节省人力等诸多优点，缺点是：根据测量方式不同测量准确度可能会受影响。

二、应用实例

湖南安江水电站坝址位于洪江市安江镇，单机容量35MW，总装机容量140MW。额定水头8.8m、最高水头11.8m、最低水头3.5m，其水头变化范围有8.3m。2012年10月首台机组发电，调速器系统为南京南瑞集团公司设备。电站机组原设计自动水头信号源自压差式水位传感器，因为测量管路被砼堵塞，调速器一直没有接入自动水头信号。机组运行靠运行人员手动设置，难以满足机组保持最优协联关系运行需要。由于机组在空载的导叶开度与水头存在一定的对应关系，若水头变化而调速器不能实时采集跟踪，程序中设定的空载开度与实际的便会出现偏差。当设定的空载开度大于实际的过多时，便会造成停机失败。当设定的空载开度小于实际过多时，便会造成开机失败。同样在不同水头下，机组最大负荷（35MW）对应的导叶开度不同。若程序中设定的开限（导叶允許最大开度限制）大于实际所需开限，可能出现甩负荷的危险，反之则负荷无法增到额定值。因此水头是影响调速器的调控性能及机组的安全运行的重要参数。电站调速器自投运一直靠运行人员手动修改水头，机组不能在最优工况下工作，振动摆度大，调速器主配及管路因频繁调整经常出现抽动，经济性能降低，既危险又增加了工人的工作量，与水电厂的自动控制要求极不相符。

三、设计原理

在电站上游及下游各装一个雷达水位计作为输入通道1和输入通道2的一个4-20mA电流信号。再通过差值运算仪将输入的通道1与通道2的4-20mA电流信号进行差值运算，其结果作为通道3的输入，并分别输出与4个通道的数值成正比的4-20mA的水头信号送给四台机组调速器，同时在面板采用3行6位高亮数码管分别显示3个通道的实际测量值及其变送电流值。每通道可独立设置2个报警接点。

四、安装技术要求及注意事项

探头发射面到最低水面的距离，小于选购仪表的量程；探头发射面到最高水面的距离，大于选购仪表的盲区；探头的发射面与水面保持平行；探头的安装位置应避开水面剧烈波动的位置，若探头发射面到最高液位的距离小于选购仪表的盲区，需加装延伸管，延伸管管径大于120mm，长度0.35m～0.50m，垂直安装，内壁光滑，延伸管上开孔应大于延伸管内径。或者将管子通至水面，管径大于80mm，管底留孔保持延伸管内液面与管子等高；仪表在室外安装建议加装遮阳板以延长仪表使用寿命；仪表在特别炎热、寒冷的地方使用，即周围环境温度有可能超出仪表的工作要求时，在液仪周围加设防高、低温装置；材料：LRW11-30/C/2-T00型雷达液位计2套、CIA21-42差值运算仪1套、W515244隔离变送器1套、电缆。

五、技改后达到的效果

调速器自动采集水头功能的实现后，其开机过程中根据水头高低自动选择导叶第一开度限制值、第二开度限制值和机组并网过程中逆功率导叶开度限制值。大大提高了全厂自动化控制水平。解决运行人员跟踪和修改水头的烦琐工作，避免了人工操作可能造成的误操作事故，同时使机组启动时的转速超调量较小且并网速度快。导叶空载开度与开限能随水头变化而自动整定，使调速器主配压阀及操作油管路抽动减少，不仅提高了调速器的调控性能，还提高了机组开停机的成功率和运行的安全性。同时在水头相同或接近时，机组所带负荷相同的情况下，导叶桨叶的协联关系得到改善，机组振动减小，保证了机组的合理使用寿命。发电耗水率较改造前明显减少，实现了节能目的。因为水电站原设计全是利用差压计算采集水头，存在管路容易堵塞信号不准甚至失效的难题，给机组运行带来安全隐患，此改造方案给水电站的自动化水头升级提供了成功的借鉴经验。