水电站机组导叶开度限制方式研究

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摘 要：本文从生产实际出发，剖析了国内多数电站调速系统电气开度限制设置的弊端，根据自身工作经验提出了自适应开度限制方式，解决现有开度限制的不合理性。

关键词：导叶开限；水轮机最大出力；水头

0.引言

近年来随着许多大型水电站的建设投运，大型水电机组的安全稳定运行至关重要。水电站运行情况特殊，运行水头范围较大，因此，不同水头下，水轮机组发相同出力时开度差距较大。针对这个问题，许多电站调速器设有电气开度限制，但限制值一般取经验值或者采用分段式水头下导叶开度限制，存在一定的不合理性，本文就该问题进行分析研究。

1.基本工作原理

一般的电调和微机调速器都有空载、带负荷时两种模式下的开度限制，以满足开机至空载、并网等工况的要求。现在能事达公司设计的WBDT调速器在国内大型水电站中应用广泛。

机组空载状态时，调速器开度限制始终为空载开限值（空载开限值根据电站运行水头范围做区间运行），若电调装置收到开度限值增加信号，其最大值不得大于30%的设定开限。导叶开度在空载开度处有少量调整，调整幅值不大于3%，使机组频率维持在50Hz左右。当调速器检测到并网信号时会自动转入负载状态，电气开限转至带负荷时开度限制，一般设置为95%导叶开度。

机组负载状态时，调速器调节模式一般分为三种：功率调节模式、开度调节模式和频率调节模式。一般是功率调节模式优先，功率调节模式有故障时切为开度调节模式，这两种调节模式下，导叶开度电气开限值均为固定值：如95%或分水头段进行开度限制。只有在电手动模式下，电气开限采用跟随模式即跟随当前开度可开至任意开度。

2.存在问题

根据水电站运行特点，一年内水头变化范围较大，如溪洛渡电站设计水头197m，实际运行水头范围154.6-229.4m，葛洲坝电站设计水头18.6m，实际运行水头范围9.1-27m，以上两座电站采用较典型的混流式和轴流式水轮机。

枯水期时，电站运行水头高，若电气开限仍设置为95%，存在机组过负荷运行的风险，以某电站哈电机组运转特性曲线可得知： 当机组在额定水头197m运行时，机组额定出力770MW导叶开度约93%；在最大水头229. 4m运行时，机组额定出力770MW导叶开度约73%；当机组在最小水头154.6m运行时，导叶开度为100%时机组最大出力约530MW。

当水头为195m时导叶开度95%时即可达到机组最大出力770MW。即在195m以上运行时随着水头升高，机组达到最大出力所需要的导叶开度逐渐减小；若仍以某一定值（如95%）为开限，则存在机组过负荷的风险。在195m以下水头运行时随着水头降低，机组要想发最大出力需增加导叶开度至100%，若仍以某一定值（如95%）为开限，则导致机组在低水头运行时不能以最大出力运行，影响单机乃至电厂总出力，降低电站总发电量。

某电站2015年12月19日下午，2F机组C修并网试验时，监控投入“有功闭环”及“功率模拟量给定”方式，调速器A套在线，置“远方”、“自动”方式，投入“功率模式”，机组水头为201.68米，对应的并网导叶电气开限为95%。由于机组刚并网，此时A套调速器功率采样值为0MW左右，B套调速器功率采样值为0.11MW左右，监控系统功率采样值也为0.275MW左右，导叶开度14.8%左右。运行人员在中控室操作员站设定机组负荷80MW，调速器根据负荷设定进行有功PID调节，导叶从14.8%快速上升至95%，机组最出力达850MW左右（额定出力770MW），机组短时间过负荷运行。通过检查发现有功功率采样装置“死机”导致功率反馈一直为0，调速器根据调节原理，A套调节器的功率设定为80MW未变，而有功采样一直保持在0MW左右，两者之间的差值始终为80MW左右，那么调速器程序判断功率一直未调节至设定目标，因此调速器输出电流驱动比例阀一直向开向动作，接力器随之一直向开向动作，直至导叶开至导叶开限95%为止。

3.解决办法

综合水电站年度年水头变化较大的特性，结合水电站运行特点，调速器电气开限应根据水头变化适时进行跟踪。

在低水头时考虑机组稳定要求，结合电站实际运行需要，在保证机组安全稳定运行（如振摆、压力脉动不超标的情况）前提下，在100%导叶开度下取合适值做开度限制，既能保证机组安全稳定运行，又能提高电站发电量，达到安全、经济运行。

在额定水头以上运行时，根据水轮机运转特性曲线结合机组实测相对效率试验结论，将在当前水头下最大出力时对应的导叶开度作为当前水头下导叶开度电气开限值，即满足机组最大出力运行，也可避免因调速器功率或开度反馈故障导致的机组过负荷运行风险。

根据电站运行经验，与调速器研发人员进行了充分的技术沟通，该功能可通过可编程控制器PLC或PCC进行编程设计实现，程序设计时依据采集到的当前水头，对应水轮机最大出力时导叶开度与水头对应关系曲线，拟合出当前水头下机组最大出力时所对应的导叶开度，再结合电站实际运行情况进行适当修正后作为当前水头下的导叶开限。

根据某电站实测相对效率试验结果，水轮机最大出力时导叶开度与水头对应关系如下：

由上图可知，现场测量存在一定的误差，水轮机最大出力时导叶开度与水头对应关系基本成线性关系，程序设计时可依据电站实际运行情况进行修正，提高线性度以便于程序编程需要，根据电站实际运行情况再加以修正完善。

4.结束语

通过PLC或PCC的编程可实现导叶开度限制的适时跟随即自适应，即可保证机组最大出力运行，又可避免机组过负荷运行，实现开度限制的合理优化，为电站安全稳定运行提供保障。PLC或PCC的编程是一个复杂的系统工程，编程人员不仅要考虑主程序的编写，还要结合用户实际，深思熟虑，力争各项功能都尽可能完善。

作者简介：井弦伟，长江电力生产技术部，男。卢晓丹，工程师葛洲坝水力发电厂，女，工程师，从事水电站机组自动化。