洪江水電廠3號水輪機(jī)協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)分析

鄧 亞

（洪江水電廠，湖南 懷化 418200）

0 引言

洪江水電廠3號機(jī)組效率偏低的問題由來已久，一直困擾著電廠運(yùn)行維護(hù)人員，給電廠造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。為徹底根治這一頑疾，電廠組織多家單位開展了專項(xiàng)研究。由于影響水輪發(fā)電機(jī)組效率的因素較多，其相關(guān)研究工作也存在一定的難度，研究人員從多個影響因素入手，采用現(xiàn)場測試的研究手段對各個因素進(jìn)行逐一排查，先后開展了發(fā)電機(jī)效率分析、水輪機(jī)導(dǎo)槳葉測量、流道測繪及穩(wěn)定性試驗(yàn)等工作。最終發(fā)現(xiàn)相對其他機(jī)組，3號水輪機(jī)槳葉開口存在異常，于是決定開展3號水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步明確3號水輪機(jī)效率偏低的原因，并進(jìn)行協(xié)聯(lián)優(yōu)化，提高機(jī)組運(yùn)行效率。

眾所周知，燈泡貫流式機(jī)組具有水力效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、過流能力大的優(yōu)點(diǎn)，為保證水輪機(jī)獲得較高的水力效率及良好的穩(wěn)定性，一般采用轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，導(dǎo)槳葉保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系，保證水輪機(jī)在接近于最優(yōu)工況下運(yùn)行[1]。一般水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)關(guān)系由制造廠家根據(jù)模型試驗(yàn)的成果制定，由調(diào)速器通過程序自動協(xié)聯(lián)，但是由于模型試驗(yàn)的偏差及安裝和零部件加工的誤差，其得到的協(xié)聯(lián)關(guān)系往往與真機(jī)運(yùn)行情況存在一定的差異，造成機(jī)組并非在最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行，影響了水輪機(jī)的效率及運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]。

本文開展了洪江水電廠3號水輪機(jī)的真機(jī)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)分析，在充分考慮水輪機(jī)效率及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上優(yōu)化了機(jī)組的協(xié)聯(lián)曲線，提升了水輪機(jī)的效率并使機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性得到了明顯改善，其研究成果對燈泡貫流式水輪機(jī)安全高效運(yùn)行具有重要的參考價值。

洪江水電廠3號燈泡貫流式機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供了機(jī)組在不同水頭下導(dǎo)葉與槳葉的設(shè)計(jì)協(xié)聯(lián)曲線，實(shí)際運(yùn)行中由調(diào)速器采用二元線性插值方法進(jìn)行計(jì)算[3]。

1 研究方法

水輪機(jī)效率采用相對效率法進(jìn)行[4]，主要測點(diǎn)包括流道差壓、流道進(jìn)口水壓、尾水管出口水壓、機(jī)組導(dǎo)槳葉開度、機(jī)組有功功率等。在整個試驗(yàn)過程中對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測，主要測點(diǎn)包括：水導(dǎo)軸承垂直振動、水導(dǎo)軸承徑向水平振動、轉(zhuǎn)輪室垂直振動、轉(zhuǎn)輪室水平振動、機(jī)組水導(dǎo)軸承處的擺度及尾水管進(jìn)口壓力脈動等，主要測點(diǎn)如圖1所示。

圖1 主要測點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)歷史運(yùn)行資料，機(jī)組低水頭運(yùn)行區(qū)間保持在18～20 m水頭，因此協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)分別選定在18.2 m、20.2 m水頭下進(jìn)行。協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)方法采用定導(dǎo)葉（或定槳葉）工況運(yùn)行，改變不同的槳葉（導(dǎo)葉）開度，求取不同工況下的相對效率，根據(jù)各導(dǎo)葉（槳葉）工況的最高相對效率，確定真機(jī)在該水頭下的最佳導(dǎo)葉—槳葉對應(yīng)關(guān)系，即為該水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系（如圖2所示）。

圖2 最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系求取圖

試驗(yàn)流程為：試驗(yàn)前將試驗(yàn)水頭調(diào)整至所需試驗(yàn)水頭，并在試驗(yàn)過程中保持機(jī)組功率因數(shù)為額定值。試驗(yàn)過程中將導(dǎo)葉開度從空載開度至滿負(fù)荷開度，先單向增加5 %至某導(dǎo)葉開度作為一個工況點(diǎn)，在原協(xié)聯(lián)關(guān)系下，用測試儀記錄下各部位測點(diǎn)的輸出情況，然后固定導(dǎo)葉開度，退出自動協(xié)聯(lián)，手動調(diào)節(jié)槳葉開度，在協(xié)聯(lián)開度±10 %附近單向調(diào)節(jié)6個槳葉開度點(diǎn)，每個槳葉開度工況點(diǎn)穩(wěn)定3～5 min，用測試儀記錄各槳葉開度工況的測點(diǎn)輸出量。該導(dǎo)葉開度工況下的槳葉調(diào)節(jié)完畢后，恢復(fù)到該導(dǎo)葉開度下的協(xié)聯(lián)槳葉開度，投入?yún)f(xié)聯(lián)運(yùn)行，手動增加（或降低）5 %導(dǎo)葉開度進(jìn)入下一個工況，重復(fù)上述操作，直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 真機(jī)協(xié)聯(lián)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各定導(dǎo)葉開度下改變槳葉開度，機(jī)組相對效率值有明顯變化，其變化規(guī)律基本上呈二次曲線，而且可以通過改變槳葉開度使其相對效率達(dá)極值，從而求取最高相對效率點(diǎn)。同時試驗(yàn)中對機(jī)組各部位的振動擺度進(jìn)行了監(jiān)測，通過改變槳葉開度對機(jī)組振動擺度值有一定的影響，同時試驗(yàn)結(jié)果顯示，水輪機(jī)效率越高則機(jī)組穩(wěn)定性能越好。

在綜合考慮水輪機(jī)效率、出力及機(jī)組穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上可以得到導(dǎo)槳葉的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，協(xié)聯(lián)優(yōu)化結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 18.2 m水頭下協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化結(jié)果

圖4 20.2 m水頭下協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果看出，優(yōu)化后協(xié)聯(lián)曲線規(guī)律基本上與原協(xié)聯(lián)曲線一致，同一水頭下優(yōu)化后協(xié)聯(lián)曲線較原協(xié)聯(lián)曲線相比各導(dǎo)葉開度下槳葉開度提高約4 %。

2.2 協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后水輪機(jī)能量特性對比

協(xié)聯(lián)優(yōu)化后在相同導(dǎo)葉開度下水輪機(jī)相對效率有了明顯提升，18.2 m及20.2 m水頭工況下協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，相同導(dǎo)葉開度工況，水輪機(jī)出力及效率均有所增加，出力及相對效率對比如表2、3所示。

表2 18.2 m水頭下優(yōu)化前后機(jī)組相對效率對比

水輪機(jī)相對效率變化/%76.94 70.88 74.54 1.04 0.33 76.88 70.38 75.16 1.95 0.21 72.44 61.63 65.34 1.58 0.24 71.68 59.25 63.13 1.42 0.09 67.52 50.15 54.82 1.69 0.07 61.94 44.69 48.98 1.53 0.40導(dǎo)葉開度/%原槳葉開度/%優(yōu)化后槳葉開度/%換算至20.2 m水頭機(jī)組出力變化/MW

注：表中所示機(jī)組出力及相對效率值為優(yōu)化后值減去優(yōu)化前的值

2.3 協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后機(jī)組穩(wěn)定性對比

以轉(zhuǎn)輪室垂直振動為例，機(jī)組在協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后穩(wěn)定性結(jié)果對比如圖5、圖6所示，協(xié)聯(lián)優(yōu)化后機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)的運(yùn)行穩(wěn)定性有了明顯改善。特別是在18.2 m水頭工況下，在最高負(fù)荷工況，協(xié)聯(lián)優(yōu)化前、后，轉(zhuǎn)輪室徑向垂直振動降低52.33μm。

圖5 18.2 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)輪室垂直振動對比

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

圖6 20.2 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)輪室垂直振動對比

通過真機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組在現(xiàn)有協(xié)聯(lián)關(guān)系下水輪機(jī)效率偏低且機(jī)組穩(wěn)定性較差，通過優(yōu)化機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系，水輪機(jī)效率和機(jī)組穩(wěn)定性都有明顯的提升，在20.2 m接近額定水頭最大負(fù)荷工況下機(jī)組出力增加1.04 MW，水輪機(jī)效率提升0.33%，同時在18.2 m水頭轉(zhuǎn)輪室徑向垂直振動降低52.33μm，試驗(yàn)結(jié)果表明通過協(xié)聯(lián)優(yōu)化提升了水輪機(jī)的出力及效率，同時改善了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 機(jī)組全水頭下的協(xié)聯(lián)曲線換算

協(xié)聯(lián)試驗(yàn)是在18.2 m、20.2 m水頭下進(jìn)行的，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以直接得到18.2 m、20.2 m水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系。嚴(yán)格來講，要對機(jī)組的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行修正，需要逐個進(jìn)行各水頭下的現(xiàn)場試驗(yàn)，并且試驗(yàn)水頭要囊括機(jī)組的整個運(yùn)行水頭范圍。但是考慮到要完成所有的試驗(yàn)，工作量大且耗費(fèi)的時間較長，而且通過目前18.2 m、20.2 m水頭下的試驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的協(xié)聯(lián)曲線基本上是在現(xiàn)有曲線的基礎(chǔ)上增加4%左右的槳葉開度（如圖3、圖4所示），因此決定依據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果對其他水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行修正，協(xié)聯(lián)曲線修改如圖7所示。為了確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，電廠利用機(jī)組的在線監(jiān)測系統(tǒng)對協(xié)聯(lián)曲線修改后機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視。

圖7 協(xié)聯(lián)關(guān)系修改圖

對機(jī)組整個協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行了修改后，電廠利用機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了長達(dá)3個多月的運(yùn)行監(jiān)視，期間機(jī)組的運(yùn)行水頭在18～22 m之間，基本上包括了常年機(jī)組的運(yùn)行水頭范圍。記錄數(shù)據(jù)如表4，表5所示，其中表4所示為人工記錄的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，表5所示為人工記錄在線監(jiān)測系統(tǒng)振動擺度數(shù)據(jù)。通過以上數(shù)據(jù)可以看出：

表4 協(xié)聯(lián)關(guān)系修改后3號、5號機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄（人工記錄數(shù)據(jù)）

表5 協(xié)聯(lián)關(guān)系修改前后3號機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性數(shù)據(jù)記錄

（1）3號機(jī)組出力與5號機(jī)組出力基本一致，特別在低水頭下3號機(jī)組的出力能夠達(dá)到5號機(jī)組的出力水平。

（2）各水頭下機(jī)組穩(wěn)定性情況較好，且高水頭下機(jī)組的穩(wěn)定性明顯要優(yōu)于低水頭下的情況；相比協(xié)聯(lián)修改前，協(xié)聯(lián)修改后機(jī)組的穩(wěn)定性有一定的改善，如在19.55 m水頭下，同帶額定負(fù)荷，協(xié)聯(lián)修正后轉(zhuǎn)輪室垂直振動值降低了21μm；在20.38 m水頭下，同帶額定負(fù)荷，協(xié)聯(lián)修正后轉(zhuǎn)輪室垂直振動值降低了9μm。

4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

機(jī)組額定水頭20 m，因湖南安江水電站的投運(yùn)，電廠尾水位被抬高2 m，機(jī)組水頭相應(yīng)降低2 m。按18.2 m水頭效率試驗(yàn)所測機(jī)組效率提高幅度計(jì)算機(jī)組多發(fā)電量，具有較強(qiáng)的代表性。因此選取2004～2012年中的豐水年2009年、平水年2007年、枯水年2011年，對3號機(jī)組帶負(fù)荷情況進(jìn)行分區(qū)域統(tǒng)計(jì)（表6所示），按不同負(fù)荷區(qū)域及其效率提升值計(jì)算年平均多發(fā)電量約450萬kW·h，按上網(wǎng)電價為0.35元/kW·h計(jì)算，增發(fā)電量創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益：450萬kW·h×0.35元/kW·h≈160 （萬元）。

表6 多發(fā)電量計(jì)算表

5 結(jié)語

燈泡貫流式機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系直接影響到了水輪機(jī)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。由于模型試驗(yàn)的相似性偏差、加工制造及安裝等因素的影響，制造廠提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系并非最優(yōu)，需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)獲取真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系。

本文針對洪江水電廠3號水輪機(jī)效率偏低的問題，通過真機(jī)試驗(yàn)對燈泡貫流式機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，有效的提高了水輪機(jī)出力及效率，改善了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)電廠多年運(yùn)行數(shù)據(jù)推算，通過優(yōu)化每年可增發(fā)電量創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益160萬元，同時通過本項(xiàng)目的實(shí)施，提高了水電廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，安全效益巨大。