分析協(xié)聯(lián)曲線修改對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)組的影響

摘 要：針對(duì)目前應(yīng)用越來越廣泛的燈泡貫流式水輪機(jī)組，在簡述機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)協(xié)聯(lián)關(guān)系原理和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合某電站實(shí)際情況，提出手動(dòng)破壞和水頭修改兩種調(diào)整方式，并對(duì)調(diào)整后機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行試驗(yàn)、總結(jié)，得出通過對(duì)協(xié)聯(lián)曲線的合理修改，能保證機(jī)組安全、可靠運(yùn)行，使各個(gè)運(yùn)行參數(shù)都滿足實(shí)際要求的結(jié)論，為該機(jī)組的進(jìn)一步興建和使用奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水輪機(jī)組；機(jī)組運(yùn)行；協(xié)聯(lián)曲線；曲線修改

中圖分類號(hào)：TK733.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）36-0093-02

前 言

近幾年，我國很多江河都在新建燈泡貫流式水輪機(jī)組，這種機(jī)組具有的大流量與低水頭等特征，使機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行，而且河道區(qū)段中的水流不斷變化，水頭容易損失，使機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況受到影響，危及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。因此，怎樣找到正確切入點(diǎn)，有效解決上述實(shí)際問題，保證機(jī)組良好運(yùn)行，是相關(guān)技術(shù)人員必須盡早攻克的難題。

1 系統(tǒng)協(xié)聯(lián)關(guān)系

機(jī)組導(dǎo)葉和輪葉之間的關(guān)系具備一定協(xié)聯(lián)特性，即當(dāng)導(dǎo)葉的角度達(dá)到某值后，效率曲線中高效區(qū)變窄，機(jī)組的輪葉為可調(diào)，各輪葉均有和之良好配合的角度，各輪葉角度對(duì)應(yīng)高效區(qū)，也有與之相對(duì)應(yīng)的開度，導(dǎo)葉和輪葉之間保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)水頭發(fā)生變化時(shí)，輪葉角度和導(dǎo)葉開度間將有不同協(xié)聯(lián)。其中，協(xié)聯(lián)關(guān)系即為對(duì)各種水頭條件下不同協(xié)聯(lián)組合進(jìn)行的真實(shí)反映，可用曲線的形式表達(dá)[1]。

水輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)中，槳葉和導(dǎo)葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系可用程序予以實(shí)現(xiàn)。通常，協(xié)聯(lián)曲線主要由廠家來提供，運(yùn)行過程中是否達(dá)到最優(yōu)，還要在現(xiàn)場進(jìn)行不斷探索與總結(jié)。

考慮到導(dǎo)葉接力器占據(jù)主導(dǎo)地位，所以可先通過運(yùn)算確定調(diào)速器對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度，然后根據(jù)運(yùn)行水頭，確定槳葉開度，由于協(xié)聯(lián)曲線相對(duì)平臺(tái)，所以在急劇變化段，需要縮短接點(diǎn)間距離，實(shí)際運(yùn)行過程中，為達(dá)到理想效果，應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，校正協(xié)聯(lián)曲線。

機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉保持的協(xié)聯(lián)關(guān)系，于設(shè)計(jì)過程中通常要按照現(xiàn)有手冊(cè)進(jìn)行，原則上初步設(shè)計(jì)成最佳的運(yùn)行模式。實(shí)際運(yùn)行過程中，采用程序運(yùn)算之后，根據(jù)平滑曲線，水輪機(jī)在各種水頭條件下的協(xié)聯(lián)曲線如圖1所示。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，因汛期流量及其變化具有不確定性，且機(jī)組進(jìn)口部位有大量雜物堆積，所以會(huì)發(fā)生水頭損失，調(diào)節(jié)系統(tǒng)于原定協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行，考慮到水頭的損失在各電站及江河水系有很大不同，設(shè)計(jì)過程中難以顧及，使機(jī)組運(yùn)行于非協(xié)聯(lián)情況，此時(shí)機(jī)組的擺度與振動(dòng)將明顯增大，也會(huì)產(chǎn)生異響，且出力明顯降低。上述問題均為該機(jī)組常見問題。

2 協(xié)聯(lián)曲線修改試驗(yàn)與應(yīng)用

從電站角度講，機(jī)組實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電以后，設(shè)計(jì)想要達(dá)到的性能及效果將開始受到測試。怎樣通過對(duì)可調(diào)參數(shù)的合理改變，來保證機(jī)組進(jìn)入最佳運(yùn)行狀態(tài)，是全體技術(shù)人員必須面對(duì)和解決的問題?；诂F(xiàn)有條件，對(duì)機(jī)組聲音、出力、振動(dòng)及擺度和流態(tài)等實(shí)施初步分析，并在每改變一次參數(shù)后進(jìn)行試驗(yàn)，以此確定最佳的運(yùn)行工況[2]。

2.1 手動(dòng)破壞協(xié)聯(lián)關(guān)系

此協(xié)聯(lián)關(guān)系即調(diào)速器所用運(yùn)行方式從自動(dòng)改成手動(dòng)，再執(zhí)行定導(dǎo)葉和變槳葉，確定導(dǎo)葉有限高效區(qū)對(duì)應(yīng)的最佳開度。該試驗(yàn)同時(shí)也是對(duì)機(jī)組最佳運(yùn)行方式進(jìn)行的測試，能對(duì)廠試驗(yàn)確定的數(shù)據(jù)予以修訂或校核。以某電站為例，其在14d內(nèi)，每日在流量保持在700m3/s的情況下，使壩前水位處于1550.83～1550.93m范圍內(nèi)，而尾水位處于1541.15～1541.25m范圍內(nèi)，使導(dǎo)葉保持不變，僅改變槳葉的角度。在這種流量、水位、水頭及開度均保持不變，僅增加槳葉開度實(shí)際情況下，人為將與8m相對(duì)應(yīng)的曲線沿水平方向移動(dòng)5°，所得曲線見圖2。機(jī)組出力在試驗(yàn)過程中明顯提高，而且機(jī)組其它性能也得以一定程度的改善，包括聲音、振動(dòng)和擺度。

2.2 協(xié)聯(lián)水頭改變

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范具體要求，協(xié)聯(lián)水頭主要由水力檢測系統(tǒng)中的側(cè)壓裝置送到控制部分，再按照預(yù)設(shè)協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以其它流域機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，設(shè)置并采用自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置對(duì)導(dǎo)葉和槳葉進(jìn)行協(xié)聯(lián)。

其主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）水力特點(diǎn)的存在會(huì)使流動(dòng)時(shí)頻繁產(chǎn)生水擊，導(dǎo)致流道中出現(xiàn)正負(fù)水錘，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)無法保持穩(wěn)定，產(chǎn)生停機(jī)或大波動(dòng)，使機(jī)組和用戶都面臨很大損失。

（2）在水力監(jiān)測過程中，沉淀與泥沙對(duì)壓差表造成堵塞，這是一個(gè)始終未能有效解決的問題，并且在處理時(shí)必須停機(jī)和排水，少則數(shù)時(shí)，多則數(shù)日，經(jīng)濟(jì)性極差[3]。

（3）因一年中水質(zhì)持續(xù)變化，并且還有伴隨環(huán)境發(fā)生變化的特點(diǎn)，根據(jù)壓差傳感得出的水頭，其偏差變化范圍難以達(dá)到調(diào)速器基本要求。

由于存在上述實(shí)際問題，使很多機(jī)組采用協(xié)聯(lián)水頭進(jìn)行自動(dòng)協(xié)聯(lián)很難得到應(yīng)用。水站建于干流之上，在汛期水質(zhì)很差，所以裝置暫時(shí)無法投入實(shí)際運(yùn)行。對(duì)此，現(xiàn)采用人為調(diào)節(jié)的方法對(duì)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況予以改變，從而達(dá)到預(yù)期的性能。在14d內(nèi)，每日在流量保持在600m3/s的情況下，使壩前水位處于1550.91～1551.01m范圍內(nèi)，而尾水位處于1541.52～1541.62m范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的水頭進(jìn)行改變。

在運(yùn)行過程中，最大和最小凈水頭分別為8.33m、7.70m，均值7.84m。由此可知，毛水頭和凈水頭之間有一定偏差，產(chǎn)生損失的現(xiàn)象，所以在相同時(shí)段中進(jìn)行水頭改變，也就是將曲線中的水頭值采用人為的方法抬高，對(duì)導(dǎo)葉和槳葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行平移，運(yùn)行點(diǎn)從a移至b，如圖3所示。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組出力明顯增加，而且其它效果也都較為明顯。

事實(shí)上，以上兩種方式能發(fā)揮出相同的效果，均可理解成對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行修改?；诖耍鶕?jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)應(yīng)用效果作如下分析：

（1）在發(fā)電量方面：從上述試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，水情和運(yùn)行工況均保持不變的情況下，機(jī)組的出力從額定值86.74%增加到88.77%，根據(jù)4臺(tái)機(jī)組一整年運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，能增加近1.152千萬kW·h的實(shí)際發(fā)電量。

（2）在振動(dòng)和擺度方面：從上述試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，機(jī)組中關(guān)鍵部分產(chǎn)生的振動(dòng)減少可達(dá)49μm，根據(jù)機(jī)組振動(dòng)及相關(guān)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，能減少近16%的運(yùn)行振動(dòng)；而徑向軸承減少約35μm，換算后，能減少11%左右的振動(dòng)。此外，其它部分發(fā)生的振動(dòng)也有所減小，在改善實(shí)際運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上，延長機(jī)組使用壽命。

（3）在機(jī)組運(yùn)行聲音方面：對(duì)協(xié)聯(lián)水頭進(jìn)行適當(dāng)改變后，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中的聲音狀況得以顯著改善，滿足相同類別機(jī)組實(shí)際要求[4]。

3 結(jié)束語

對(duì)于燈泡貫流式誰輪機(jī)組，它在我國出現(xiàn)的時(shí)間還很短，而這一機(jī)組用于干流的時(shí)間則更短，此類機(jī)組的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行都處在摸索及完善階段。該機(jī)組具有大流量和低水頭等特征，可在多數(shù)河段上進(jìn)行建設(shè)和運(yùn)行，但這樣也使機(jī)組本身對(duì)水頭發(fā)生的損失及流態(tài)發(fā)生的變化較為敏感，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生振動(dòng)、異響，并使出力降低，此即為相同類型機(jī)組普遍難題。實(shí)際使用這種機(jī)組的電站，在運(yùn)行過程中也頻頻發(fā)生以上問題，相關(guān)技術(shù)人員開始著手研究分析，經(jīng)觀察分析后，確定將改變調(diào)節(jié)系統(tǒng)與設(shè)定合適的協(xié)聯(lián)水作為改進(jìn)切入點(diǎn)，開展試驗(yàn)、摸索與整定，保證機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況得以有效改善，提高機(jī)組運(yùn)行效率，起到顯著的效果。目前這一方面在當(dāng)前已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，為干流上此類機(jī)組實(shí)際運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)，進(jìn)而獲得了極好的綜合效益。

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收稿日期：2018-11-17

作者簡介：余 翀（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事水電廠發(fā)電運(yùn)行及維護(hù)工作。