水轮机调速器电气开限及水头协联机制研究

陈宇凡，翟玉杰，朱 斌

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443133）

0 引言

水轮发电机组运行时，导叶一般应根据水轮机出力限制线设定相应水头的开度限制。水轮机出力限制线的意义是：考虑到水轮机在最大出力下运行时，不可能按照正常调节规律实现功率调节，同时当机组在超过95%最大功率运行时，流量增多也会导致水轮机水头损失增加和效率下降，从而使得调速器对水轮机的调节性能变差[1]。最大开度限制设定若与当前水头下机组能满发的开度相符，则机组既可以按要求发现，又不会出现过调风险[2]。如果水轮机开度限制设置过大，当上游水位高时，机组调整出力容易过负荷；当水库上游水位低时，易使水轮机的效率急剧下降，产生机组振动。如果水轮机开度限制偏小，则又限制了机组不能发出最大出力[3][4]。所以，应根据水头对导叶最大开度限制进行合理设置，保证水轮发电机组安全稳定运行的同时不影响水电站经济运行。

某大型水电站机组调速器导叶开限不实时跟踪水头问题长期存在，机组实际运行水头降低后，导叶开限限制出力，此时为了满足调度下发的负荷需求，只能由当班运行人员通过手动方式增加机组电气开限，此种水头与开限协联方式目前运行良好，但若机组长时间并网则可能会需要运行人员多次手动修改机组开限，这不仅不能体现机组出力限制线这一重要特性在实际运行中的指导意义，同时也因频繁的人工操作增加了机组安全稳定运行的风险。为了解决该电站调速器导叶开限不跟踪水头从而限制机组出力问题，研究工作对几种大型水电站常用的调速器电气开限及水头协联机制进行详述，并对各机制优缺点进行了分析，最终确定了该水电站机组调速器电气开限及水头协联机制优化方案。

1 大型水电站常用电气开限与水头协联机制

1.1 开限不实时跟踪水头流程

大型水电站水轮发电机组电气开限与水头协联关系之一为开限不实时跟踪水头，其选择逻辑如图1所示，机组电气开限仅在负载态上升沿即机组并网瞬间将开限通过当前水头查表进行赋值，在机组正常运行过程中，若要对机组开限进行改变，只能由运行人员根据需求对机组开限进行手动修改设定值，从而改变开度限制对机组最大出力的限制。

查询某电站机组2014～2016年运行水头历史数据如图2所示，可以观察到该电站历年水头变化最快的阶段为每年汛期开始的5～6月之间，为满足大坝防洪度汛要求，腾出足够的防洪库容，电站机组在一个月时间内运行水头减小10m左右，水头变化较大。

图1 电气开限不实时跟踪水头流程Figure 1 The diagram of electrical opening limit not tracking the water head

图2 某大型水电站2014～2016年水头变化Figure 2 The water head of a large-scale hydropower station from 2014 to 2016

2018年5月2日，该电站机组开机时机组水头为96.4m，通过查表计算开限为77.1%。5月2～16日期间，机组运行水头减少接近6.5m，而水头90m时对应的机组开限应为89.9%，但在这段时间内该台机组一直保持并网态，机组调速器电气开限将始终保持在机组并网时水头的对应开限即77.1%不变，调速器开限与当前水头不匹配，这必然导致机组不能满负荷运行。最终处理方法是由运行人员手动将开限调整至81.3%使得机组可满负荷运行。在同时期该电站其他机组上也出现类似的工况，说明在调速器开限不能跟踪机组水头变化的情况下，会出现因导叶开限数值不合理导致机组无法满负荷运行或机组水能利用率低的情况。

1.2 开限实时跟踪水头

1.2.1 水头变化超阈值时更新开限

如图3所示的是一种机组电气开限实时跟踪水头的协联机制。该方法通过水头查表的方式得到导叶开限，并在机组进入并网态或水头变化超过0.2m时，将通过水头查表得到的开限值写入机组调速器程序作为导叶开限值使用。这种开限选择方式能根据水头变化进行实时更新，不需要人为干预。但运行人员根据需求通过现地、远方手动增加或减少导叶开限后，当机组水头变化超过阈值时会再次将水头查表得到的开限值选为实际使用的开限值，手动设置的开限值将被查表后的开限值刷新，无法真正做到手动对开限进行设置。

图3 水头变化超阈值更新开限流程Figure 3 The diagram of electrical opening updating when water head changes over threshold

1.2.2 定时更新开限

某大型水电站水头较高（最大水头229.4m，最小水头154.6m），水头变化幅度较大，水头对机组转矩影响较大。该电站目前采用间隔30min通过水头计算并更新一次开限的方案。通过对电气开限流程进行分析不难得出，水头信号的稳定性对该种方式影响较大。如果出现机组负载态并网运行时，水头产生跳变，那么根据机组调速器水头处理流程，机组调速器将使用当前闭锁的较低水头。若实际水头正处于上升阶段，则可能存在短时间内因实际水头偏高，调速器开限设置过大而引起机组过速的风险。此工况一旦出现，其风险相较因开限较小限制机组出力更大。

图4 定时更新开限流程Figure 4 The diagram of electrical opening limit updating on scheduled time

2 各运行方式比较分析

上节中所描述各大型水电站所采用的电气开限与水头协联机制，可以分为开限实时跟踪水头变化和开限不实时跟踪水头变化两类，两类运行方式各有优缺点：

图5 并网后开限不实时跟踪水头优点、缺点分析Figure 5 The advantages and disadvantages of whether or not the opening limit tracking the water head

（1）开限不实时跟踪水头运行方式：此种运行方式仅在机组并网时自动查表下发当前水头对应开限值，只要机组一直保持并网态，则导叶开限不会自动跟踪水头变化而改变。其优点为机组水头值跳变或波动对导叶开度限制没有影响，同时运行人员手动方式具有更高优先级，可根据需求对导叶开限进行修改，不受水头实时值影响；其缺点为机组实际运行水头降低后，导叶开限可能会限制机组出力，此时为了满足调度下发的负荷需求，只能由当班运行人员通过手动方式增加机组电气开限，若机组长时间并网则可能会需要运行人员多次手动修改机组开限。

（2）开限实时跟踪水头运行方式：此种方式在机组并网期间，以水头变化量或时长设定值为阈值，超过阈值即进行“开限-水头”查表，并将最新机组开限值送入机组调速器程序中用于机组运行控制。其优点为机组导叶开度限制自动跟随水头的变化而调整，不会出现导叶开限限制机组出力的情况；其缺点为对机组水头处理精度等要求较高，水头数值的波动对导叶开度限制有直接影响，可能会因水头值跳变、闭锁等造成机组过负荷等运行风险。

基于上述分析，决定对某大型水电站机组电气开限与水头协联机制进行优化如图6所示，即在调速器电气开限选择逻辑中加入手动使能开关，当手动使能功能投入时，机组保持当前开限值不变，但只能由运行人员人工设定最新开限值；当手动使能功能退出时，若水头变化超过0.2m，将通过水头查表得到的新开限值写入机组调速器程序作为导叶开限值使用。经过改进，新的开限选择方式能根据水头变化对开限进行实时更新，不需要人为干预。但在需要人工对机组导叶开度限制进行调节时，只需要投入手动使能功能，即可让运行人员根据需求远方或现地增减机组开限。

图6 某大型水电站电气开限与水头协联机制改进后流程Figure 6 The diagram of the electrical opening and water head assosication mechanism of the large-scale hydropower unit after improvement

3 结束语

针对某大型水电站导叶开限不实时跟踪水头问题，本文分析了其产生原因，并与其他大型水电站现有调速系统导叶开限与水头协联机制进行对比。在详细分析了机组导叶开限实时跟踪和不实时跟踪水头的运行方式的优缺点的基础上，提出了符合现场生产要求的优化方案。大型水轮机组电气开限与水头协联机制的研究能够一定程度上优化机组运行流程，保障水电站经济安全运行。