葛洲壩3號(hào)機(jī)相對效率試驗(yàn)結(jié)果分析

皮有春，楊小龍，徐進(jìn)，嵇東雷，，陳學(xué)力

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葛洲壩3號(hào)機(jī)相對效率試驗(yàn)結(jié)果分析

皮有春1，楊小龍1，徐進(jìn)1，嵇東雷1，，陳學(xué)力2

（1. 中國長江電力股份有限公司，宜昌 443002；2. 華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074）

相對效率試驗(yàn)是評價(jià)水輪機(jī)效率特性的重要手段。葛洲壩3F機(jī)為軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，本文介紹了葛洲壩3號(hào)機(jī)125-150MW改造增容后相對效率試驗(yàn)的情況。對全水頭協(xié)聯(lián)試驗(yàn)時(shí)相對效率曲線與及中低水頭時(shí)的出力余量進(jìn)行了分析，比較了最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線，使用插值法比較了水輪機(jī)改造前后機(jī)組的效率,并對試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的異常噪聲進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：3號(hào)機(jī)高效區(qū)較寬，中低水頭時(shí)出力余量較大，能達(dá)到保證出力；通過提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度與及改善協(xié)聯(lián)關(guān)系能夠提高機(jī)組效率；水輪機(jī)改造后機(jī)組的效率在高水頭時(shí)得到了提高；試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的異常噪聲由卡門渦與葉片共振引起，葉片出水邊修型后，異常噪聲消失。

水輪機(jī)相對效率試驗(yàn)；葛洲壩3號(hào)機(jī)；協(xié)聯(lián)關(guān)系；出力余量；異常噪聲

0 前言

水輪機(jī)效率是水輪機(jī)輸出功率與輸入水流功率的比值。水輪機(jī)效率公式為：

其中，為發(fā)電機(jī)有功功率，可從監(jiān)控系統(tǒng)直接讀取，、為常數(shù)，為水輪機(jī)過流流量，為水輪機(jī)工作水頭，η為發(fā)電機(jī)效率，可視為常數(shù)。水輪機(jī)流道截面較大，絕對流量較難測量。由于蝸殼中的流動(dòng)符合等速度矩原理，因此蝸殼內(nèi)、外緣兩點(diǎn)流速不同，內(nèi)外緣存在壓力差，此壓力差的大小與水流流速有關(guān)，進(jìn)而與過流流量相關(guān)。對于蝸殼給定過流面上給定兩點(diǎn)間的壓差，其與通過該過流面的流量之間存在以下關(guān)系如式（2）：

其中，為蝸殼流量系數(shù)，當(dāng)壓差測點(diǎn)不變時(shí)，為常數(shù)。綜上綜述見公式（3）：

由于值未知，因此該效率值帶有比例值1/，無法計(jì)算出絕對效率，定義試驗(yàn)中測得的所有點(diǎn)的效率的最大值為常數(shù)max(本文中取max=100%)，則可據(jù)此反推出值，由此便可計(jì)算出其余各點(diǎn)效率值，并將由此得到的效率稱為相對效率。本文中的相對效率即采用此種方法計(jì)算得到，使用該方法得到的效率是一個(gè)相對值，不能與機(jī)組模型試驗(yàn)得到的絕對效率直接比較，但各相對效率值之間可進(jìn)行直接比較。

葛洲壩電站共裝有21臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，三峽電站投入運(yùn)行后，由于發(fā)電流量不匹配，葛洲壩在汛期被迫大量棄水。為充分利用汛期棄水，同時(shí)對舊設(shè)備進(jìn)行改造換型，葛洲壩電站陸續(xù)對原有125MW機(jī)組改造增容至150MW。3號(hào)機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠機(jī)組，其改造增容分兩步進(jìn)行，2005~2006年度進(jìn)行了發(fā)電機(jī)改造，改造時(shí)，保持發(fā)電機(jī)電壓等級13.8KV與及定子槽數(shù)792槽不變，更換了轉(zhuǎn)子磁極、定子鐵心與繞組。改造后進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明機(jī)組的出力與穩(wěn)定性均得到了明顯提升[1]。2013~2014年度進(jìn)行了水輪機(jī)改造，水輪機(jī)改造未改變蝸殼、轉(zhuǎn)輪室、尾水管等流道，僅更換了轉(zhuǎn)輪與錐體下環(huán)，水輪機(jī)標(biāo)稱直徑不變，但輪轂比由0.44減小為0.415，過流能力得到提高。水輪機(jī)改造完成后，3號(hào)機(jī)于2014年7月至2015年3月進(jìn)行了相對效率試驗(yàn)。本文對此次試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)參數(shù)與方案

1.1 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

最大水頭：27m；最小水頭：9.1m；額定水頭：18.6m；額定功率：150MW；水輪機(jī)型號(hào)：ZZA1156-LH-1020；輪轂比：0.415；額定流量：947.82m3/s；額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速：632.9 m·kW；葉片數(shù)：5片；葉片轉(zhuǎn)角范圍：-14～+18°。

1.2 試驗(yàn)水頭

試驗(yàn)水頭高度分別為：11.52m；14.05m；15.17m；16.35m；16.94m；17.59m；18.34m；20.22m；22.29m；23.94m；25.41m。

1.3 試驗(yàn)方案

每個(gè)水頭下分別進(jìn)行協(xié)聯(lián)試驗(yàn)和定槳試驗(yàn)：

協(xié)聯(lián)試驗(yàn)：導(dǎo)輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系投入，進(jìn)行由空載到最大負(fù)荷的變負(fù)荷試驗(yàn)，每隔5-10MW為1個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)工況點(diǎn)錄波60s。

定槳試驗(yàn)：將導(dǎo)輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系脫開，固定輪葉角度，調(diào)整導(dǎo)葉開度進(jìn)行變負(fù)荷試驗(yàn)。每隔3度輪葉角度進(jìn)行一次定槳試驗(yàn)，每次定槳試驗(yàn)5~10個(gè)工況點(diǎn)。

1.4 水頭與流量的測量

試驗(yàn)計(jì)算相對效率時(shí)使用的水頭值為攔污柵柵后水壓與尾水平臺(tái)支墩測點(diǎn)水壓的差值。試驗(yàn)的兩個(gè)水壓傳感器安裝高程相同，兩個(gè)測點(diǎn)均位于水流的開放段，流速較小且差別不大，可忽略動(dòng)壓的差別，因此上述計(jì)算方法可較真實(shí)地反映機(jī)組的實(shí)際工作水頭。本文將按上述方法計(jì)算得到的水頭稱為實(shí)測水頭。數(shù)據(jù)處理時(shí)，每個(gè)工況點(diǎn)都單獨(dú)計(jì)算一次實(shí)測水頭。

流量測量使用蝸殼差壓法，差壓測點(diǎn)分別布置在為蝸殼45度斷面頂部與側(cè)壁。

2 協(xié)聯(lián)關(guān)系下全水頭相對效率分析

每個(gè)水頭均進(jìn)行了協(xié)聯(lián)關(guān)系下的變負(fù)荷試驗(yàn)。高水頭時(shí)（20.22m、22.29m、23.94m、25.41m），由于受發(fā)電機(jī)額定出力限制，試驗(yàn)最高只做到了150MW；低水頭時(shí)（11.52m、14.05m、16.35m、17.59m）,試驗(yàn)從空載一直做到了導(dǎo)葉開度95%以上。定義協(xié)聯(lián)關(guān)系下全水頭全部工況點(diǎn)的最高效率為100%，則可依次計(jì)算出各水頭下各工況點(diǎn)的相對效率，繪制各水頭相對效率—有功功率曲線（圖1），分析圖1可知：

（1）各水頭下水輪機(jī)相對效率曲線較為光滑，高效區(qū)間較寬。

（2）高水頭時(shí)，水輪機(jī)相對效率曲線在中高負(fù)荷區(qū)較為平坦，在額定出力以下，水輪機(jī)效率隨著負(fù)荷的增加未出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。

（3）低水頭時(shí)，水輪機(jī)效率在大負(fù)荷區(qū)間有明顯下降，但直到導(dǎo)葉開度95%以上水輪機(jī)出力均未出現(xiàn)隨導(dǎo)葉開度增加而下降的現(xiàn)象。

圖1 協(xié)聯(lián)關(guān)系下全水頭相對效率曲線圖

3 最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線比較

協(xié)聯(lián)關(guān)系對水輪機(jī)的穩(wěn)定性、效率與出力有很大的影響[9,10]。做各定槳試驗(yàn)效率曲線的外包絡(luò)線，將由之得到的曲線稱為該水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線，同時(shí)，將協(xié)聯(lián)試驗(yàn)得到的相對效率曲線稱為現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線。通過比較最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線（分別定義各水頭最高效率為100%）可發(fā)現(xiàn)：最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線始終位于現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線上方；現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線與最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線高效區(qū)均較寬；低水頭時(shí)，在出力限制線附近，隨著負(fù)荷的增加，最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線效率下降的較現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線慢，且最大出力也比現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線要大?，F(xiàn)有的協(xié)聯(lián)關(guān)系有進(jìn)一步改善的空間。

現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電調(diào)柜內(nèi)給定的協(xié)聯(lián)控制水頭與機(jī)組的實(shí)測水頭存在一定的偏差，這將會(huì)使得導(dǎo)輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系的選擇存在一定的偏差，這應(yīng)是造成機(jī)組現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率低于最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率的一個(gè)原因。電調(diào)柜內(nèi)的協(xié)聯(lián)控制水頭取自梯調(diào)中心兩小時(shí)給出的一次全廠平均凈水頭，未考慮各臺(tái)機(jī)組攔污柵壓差的不同與及2小時(shí)內(nèi)水頭的波動(dòng)值，因此機(jī)組的協(xié)聯(lián)控制水頭與實(shí)測水頭總會(huì)存在一定的差值，表1為3號(hào)機(jī)各次試驗(yàn)時(shí)機(jī)組實(shí)測水頭與電調(diào)柜協(xié)聯(lián)控制水頭的比較。

由表可知，兩者的偏差最大達(dá)到了1.31m，這會(huì)造成機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系選取不當(dāng)，從而使機(jī)組的穩(wěn)定性、效率與出力受到一定的影響。實(shí)際上，葛洲壩機(jī)組有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)個(gè)別機(jī)組因水頭偏差過大而造成穩(wěn)定性突然變差或者出力達(dá)不到給定值的情況，這時(shí)運(yùn)行人員會(huì)根據(jù)上下游水位與攔污柵壓差單獨(dú)調(diào)整該機(jī)組的協(xié)聯(lián)控制水頭。葛洲壩6號(hào)機(jī)在水頭22.5m時(shí)做過效率試驗(yàn)，試驗(yàn)表明當(dāng)將協(xié)聯(lián)控制水頭設(shè)置為21m時(shí)，機(jī)組效率平均提高了1.0%以上，其中125MW時(shí)提高了1.6%[2]，這表明試驗(yàn)時(shí)22.5m的協(xié)聯(lián)控制水頭是偏高的，這會(huì)使得機(jī)組并未工作在最佳協(xié)聯(lián)關(guān)系上，這與前面的分析是吻合的。

綜上所述，3號(hào)機(jī)通過改善協(xié)聯(lián)關(guān)系與及提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度可使機(jī)組效率得到一定程度的提高。

表1 實(shí)測水頭與電調(diào)柜協(xié)聯(lián)控制水頭比較

4 出力余量

額定水頭以上時(shí)，由于受發(fā)電機(jī)出力限制線限制，試驗(yàn)未做到水輪機(jī)最大出力工況，額定水頭以下，在11.52m、14.05m、16.35m、17.59m時(shí)定槳與協(xié)聯(lián)試驗(yàn)均做到接近水輪機(jī)最大出力點(diǎn)。取定槳試驗(yàn)得到的最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線上效率與穩(wěn)定性均未明顯下降的最大出力點(diǎn)的出力值作為該水頭下的最大出力，由于效率與穩(wěn)定性均未發(fā)生明顯下降，因此可認(rèn)為該點(diǎn)并未發(fā)生空化。比較以上四個(gè)水頭時(shí)上述最大出力與模型試驗(yàn)給出的出力限制值可知：最大出力與出力限制值平均相差約9MW，機(jī)組出力余量較大，中低水頭時(shí)能達(dá)到保證出力。

表2 機(jī)組最大出力與出力限制值比較

注: 以上出力均為發(fā)電機(jī)有功功率

5 水輪機(jī)改造前后效率比較

3號(hào)機(jī)125~150MW改造增容共分兩步進(jìn)行，其中2005~2006年度進(jìn)行了發(fā)電機(jī)改造，2013~2014年度進(jìn)行了水輪機(jī)改造，水輪機(jī)改造前于2011年進(jìn)行了一次全水頭相對效率試驗(yàn)。2011年的試驗(yàn)與此次試驗(yàn)流量測量均采用蝸殼差壓法，且測點(diǎn)相同。由于2013~2014年度水輪機(jī)改造時(shí)只更換了轉(zhuǎn)輪與錐體下環(huán)，其他導(dǎo)水部件均未變動(dòng)，因此可認(rèn)為兩次相對效率試驗(yàn)時(shí)蝸殼流量系數(shù)未發(fā)生變化，兩次試驗(yàn)得到的相對效率數(shù)據(jù)可進(jìn)行比較。

由于兩次試驗(yàn)的試驗(yàn)水頭不完全相同，無法直接進(jìn)行比較，因此數(shù)據(jù)處理時(shí)，將此次試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)使用matlab進(jìn)行插值，將水頭插值到與2011年試驗(yàn)時(shí)相同，這樣兩次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)便可直接比較，圖3分別是低水頭、額定水頭附近、高水頭時(shí)水輪機(jī)改造前后的此兩次試驗(yàn)相對效率的比較。由圖3可知：

（1）低水頭（12.05m）和額定水頭附近（17.98m），改造前后效率差別不大，改造后機(jī)組在大負(fù)荷區(qū)效率略有上升，在小負(fù)荷區(qū)，效率略有下降。

（2）高水頭（23.72m）時(shí)，機(jī)組在中高負(fù)荷區(qū)內(nèi)，效率較改造前有明顯提高。

低水頭一般發(fā)生在汛期，葛洲壩電站汛期棄水量較大，此時(shí)機(jī)組發(fā)電量主要受出力限制線的限制，對效率的提升要求不是很高；高水頭一般發(fā)生在枯水期，此時(shí)效率的提升將帶來顯著的發(fā)電量提升。因此從效率上看，3號(hào)機(jī)2013~2014年度的水輪機(jī)改造是成功的。

6 異常噪聲信號(hào)

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)運(yùn)行在110MW以下時(shí)，現(xiàn)場能聽到明顯的嗡鳴聲，該聲音在錐管門處最為明顯。通過頻譜分析可知，錐管門噪聲信號(hào)中存在顯著的頻率為265Hz左右的信號(hào)成分，該信號(hào)強(qiáng)度的變化趨勢與現(xiàn)場噪聲的變化趨勢相同，為噪聲的主頻，且在各水頭下均出現(xiàn)。蝸殼水壓、支持蓋水平振動(dòng)中亦可發(fā)現(xiàn)該頻率成分。圖3為15.17m水頭協(xié)聯(lián)試驗(yàn)時(shí)錐管門噪聲與蝸殼水壓脈動(dòng)的三維頻譜圖，從圖中可看出265Hz左右頻率成分十分明顯，下面以15.17m水頭時(shí)的協(xié)聯(lián)試驗(yàn)為例，對該高頻信號(hào)進(jìn)行分析。

表3給出了該265Hz左右頻率信號(hào)的幅值隨導(dǎo)輪葉開度的變化關(guān)系，由表中數(shù)據(jù)可知，該異常噪聲信號(hào)的強(qiáng)度與導(dǎo)葉開度關(guān)系不大，與輪葉角度負(fù)相關(guān)。綜合該信號(hào)出現(xiàn)的部位與變化規(guī)律，推斷認(rèn)為：該高頻信號(hào)來源為轉(zhuǎn)輪附近，由水力因素引起，應(yīng)為葉片出口卡門渦與葉片共振造成。該異常噪聲在0~110MW左右的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)，該負(fù)荷區(qū)間內(nèi)流量變化較大，流量變化會(huì)導(dǎo)致卡門渦的頻率發(fā)生變化，但葉片出水邊速度分布不均勻，流量變化時(shí)葉片出水邊總存在一個(gè)區(qū)域的速度能夠產(chǎn)生265Hz卡門渦，該卡門渦與葉片的某一固有頻率發(fā)生一定程度的共振，從而產(chǎn)生噪聲與水壓脈動(dòng)。

圖4 15.17m協(xié)聯(lián)試驗(yàn)錐管門噪聲與蝸殼水壓脈動(dòng)三維頻譜圖

表3 錐管門265Hz頻率信號(hào)幅值-導(dǎo)輪葉開度表 （15.17m水頭）

卡門渦的頻率與葉片出水邊夾角有很大關(guān)系[12]，對葉片出水邊進(jìn)行修型可很大程度上解決卡門渦共振問題[13,14]。葛洲壩3號(hào)、10號(hào)機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠同一年改造的機(jī)組，10號(hào)機(jī)在改造后也存在中低負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)異常噪聲的問題，后在哈電技術(shù)人員的指導(dǎo)下對10號(hào)機(jī)葉片出水邊進(jìn)行了修型處理，處理后進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示10號(hào)機(jī)異常噪聲信號(hào)消失。鑒于10號(hào)機(jī)葉片處理取得了良好效果，葛洲壩電廠于2015年12月對3號(hào)機(jī)進(jìn)行了停機(jī)檢查，并對葉片出水邊進(jìn)行了同樣的修型處理，處理完后開機(jī)時(shí)110MW以下異常噪聲現(xiàn)象消失。這進(jìn)一步證實(shí)了該異常噪聲信號(hào)與葉片出水邊有關(guān)系，應(yīng)為卡門渦與葉片共振引起。

7 結(jié)論

（1）3號(hào)機(jī)相對效率曲線較為光滑，高效區(qū)間較寬。

（2）3號(hào)機(jī)通過改善協(xié)聯(lián)關(guān)系與及提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度可使機(jī)組效率得到一定程度的提高。

（3）3號(hào)機(jī)改造后在中低水頭時(shí)出力余量較大，能達(dá)到機(jī)組保證出力。

（4）低水頭與及額定水頭附近，3號(hào)機(jī)效率在水輪機(jī)改造前后區(qū)別不大；高水頭時(shí)，3號(hào)機(jī)改造后的效率在中高負(fù)荷區(qū)較改造前有明顯提高。

（5）試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)存在265Hz左右頻率成分的異常噪聲，該異常噪聲應(yīng)由葉片出水邊卡門渦與葉片共振引起，葉片出水邊修型后，噪聲消失。

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Analysis on the Relative Efficiency Experiments Results of the No.3 Nnit of Gezhouba Hydropower Station

PI Youchun1, YANG Xiaolong1, XU Jin1, JI Donglei1, CHEN Xueli2

(1. China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443002, China;2. Institute of Energy&Power, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The relative efficiency experiment is an important method of evaluating the efficiency characteristics of turbine.The No.3 unit of GeZhouBa Hydropower station is a type of Kaplan turbine unit.This paper focuses on the relative efficiency experiments of the No.3 unit of GeZhouBa Hydropower station after its renewal project which enlarged the maximum output power from 125MW to 150MW. Detailed information about the efficiency curves of eleven different heads has been acquired and the optimal combination curves of the field tests have been compared with those of the model from the point of view of efficiency. In order to compare with the old runner ,interpolation method was adopted to compare the efficiency characteristics of the new and old runner and the output power allowance was analyzed at the low head region. The experiments results showed that the No.3 unit has a wide high working efficiency area and can reach the guaranteed load. The No.3 unit has big output remaining at the low and middle heads and can reach higher efficiency at high heads. Also the experiments results revealed that the efficiency could be further increased by improving the combination curves and the accuracy of working heads. Moreover, root cause analysis of the abnormal noise occurred at 0-110MW output region was also conducted in this investigation. The blades resonance induced by Karman-vortex caused the abnormal noise which was disappeared after the blades trailing edge trimming .

turbine relative efficiency experiment; Gezhouba No.3 unit; combination relationship; output power allowance; abnormal noise

TK730.2

A

1000-3983(2017)06-0056-06

2016-10-10

皮有春（1991-），2013年畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，本科，現(xiàn)從事大型水電站檢修技術(shù)工作。