大型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系探討

祁英明，劉興勝，榮 紅

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214；2.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京211100）

0 引言

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電工況下，在不同的水頭下，分別明確地存在導(dǎo)葉和槳葉的配合關(guān)系即協(xié)聯(lián)關(guān)系；導(dǎo)葉和槳葉在該配合關(guān)系曲線上進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以高效率地實(shí)現(xiàn)功率增減。雙調(diào)機(jī)組均存在導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系，以尋求機(jī)組的最高效率和高效率區(qū)域。其數(shù)據(jù)源自主機(jī)廠的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其具體實(shí)現(xiàn)由調(diào)速器根據(jù)主機(jī)廠提供的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，預(yù)設(shè)到調(diào)速器內(nèi)部而完成。合理的協(xié)聯(lián)關(guān)系對提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性（高效率）有非常重要的作用。

發(fā)電下的協(xié)聯(lián)關(guān)系是導(dǎo)葉和槳葉的配合關(guān)系的一種，在機(jī)組開機(jī)、停機(jī)和靜止態(tài)等，同樣需要兩者的密切配合，以實(shí)現(xiàn)最佳的控制需求。

1 協(xié)聯(lián)關(guān)系的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

1.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系的定義描述

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)由導(dǎo)葉開度Y、槳葉轉(zhuǎn)角Z、水頭H三者組成，協(xié)聯(lián)曲線是一個非線性的二元函數(shù)，即Z=f（Y，H），它描述了三者之間的關(guān)系[1]。為了獲得軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的最高效率和高效率區(qū)域，必須合理地選擇協(xié)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)機(jī)組在各定槳工況下實(shí)測的效率特性曲線所繪出的包絡(luò)線，找出相應(yīng)的開度和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系為實(shí)際協(xié)聯(lián)關(guān)系。若采用二元函數(shù)差值逼近的方法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），可算出不同水頭H和不同導(dǎo)葉開度Y時的協(xié)聯(lián)函數(shù)值Z（即槳葉的轉(zhuǎn)角）。

協(xié)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)分為機(jī)械協(xié)聯(lián)裝置（協(xié)聯(lián)塊）和電氣協(xié)聯(lián)裝置。電氣協(xié)聯(lián)裝置不僅可使調(diào)速器機(jī)械部分結(jié)構(gòu)大為簡化，而且模擬精度高，便于水頭信號自動引入，還可按機(jī)組實(shí)際協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，隨動誤差也小，因而可提高協(xié)聯(lián)精度和機(jī)組效率。

圖1為里底水電站協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。大部分協(xié)聯(lián)曲線槳葉數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)角，導(dǎo)葉為行程或轉(zhuǎn)角。該曲線須要包括最小、額定和最大3個水頭下的協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)。一般調(diào)速器需要7條水頭下的曲線，曲線如果較多，一般按照水頭均勻的原則選擇7條即可；如果曲線數(shù)量不足，則需差值擬合出其余曲線。

調(diào)速器一般不識別轉(zhuǎn)角或不采用轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換成槳葉開度。協(xié)聯(lián)曲線為圖形語言，調(diào)速器無法識別，需要根據(jù)曲線轉(zhuǎn)換成程序可以識別、計算的數(shù)據(jù)。表1為里底水電站轉(zhuǎn)換后的調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線數(shù)據(jù)表。

圖1 里底水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)曲線

我們可以根據(jù)主機(jī)廠提供的協(xié)聯(lián)曲線表，選出7條水頭對應(yīng)曲線，除最大、最小和額定水頭外，其余4條水頭的挑選規(guī)則應(yīng)盡量接近機(jī)組實(shí)際常用水頭。以槳葉每變化5%為梯度，每條水頭下取20個導(dǎo)葉開度點(diǎn)組成協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)表。發(fā)電態(tài)槳葉根據(jù)導(dǎo)葉的開度值進(jìn)行插值運(yùn)算（不同水頭下的協(xié)聯(lián)插值、不同導(dǎo)葉開度下的槳葉插值），從而算出對應(yīng)的槳葉給定。

這里值得注意的是，在發(fā)電態(tài)，一般是槳葉給定跟隨導(dǎo)葉反饋，而非相反。這是因?yàn)閷?dǎo)葉給定和導(dǎo)葉反饋在大調(diào)節(jié)過程中或?qū)~控制卡阻異常時，導(dǎo)葉給定和導(dǎo)葉反饋會存在偏差，這時，槳葉反饋和導(dǎo)葉反饋就會出現(xiàn)非協(xié)聯(lián)現(xiàn)象。其實(shí)槳葉給定和槳葉反饋也不可能在調(diào)節(jié)過程中完全一致，即便跟隨導(dǎo)葉反饋，在動態(tài)過程中，由于槳葉隨動系統(tǒng)靈敏度并非很高，也會出現(xiàn)協(xié)聯(lián)破壞現(xiàn)象。這種現(xiàn)象尤其是對一次調(diào)頻、孤網(wǎng)調(diào)節(jié)等快速、小波動的調(diào)節(jié)，起到的是副作用，此時跟隨導(dǎo)葉給定或保持不動反而利于調(diào)節(jié)。

1.2 導(dǎo)葉和槳葉關(guān)系的應(yīng)用技巧

導(dǎo)葉和槳葉兩個關(guān)系在發(fā)電態(tài)之外的開機(jī)、停機(jī)、空載、靜止態(tài)也有不同的配合關(guān)系。

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組和調(diào)速器處在靜止態(tài)時，導(dǎo)葉全關(guān)，槳葉自動開啟至啟動角（啟動開度）。不同的機(jī)組啟動開度不同，數(shù)據(jù)源自主機(jī)廠。調(diào)速器接收到開機(jī)令，導(dǎo)葉根據(jù)預(yù)設(shè)的開機(jī)規(guī)律開啟到空載開度，槳葉則從啟動角關(guān)至0，或預(yù)留1%～3%的開度。此時啟動角的及時關(guān)閉可以讓機(jī)組快速升速，減少因低速而造成的機(jī)組磨損。機(jī)組和調(diào)速器在空載態(tài)時，調(diào)速器接收到停機(jī)令后導(dǎo)葉關(guān)閉到0，槳葉開到啟動角。此時的槳葉打開至啟動角，迅速形成泄流，減少水輪機(jī)出力，同時在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)形成水阻力，可以讓機(jī)組快速降速，也可以減少機(jī)組軸向升力從而盡可能避免抬機(jī)現(xiàn)象。

不同的機(jī)組槳葉啟動角不同，國內(nèi)多為50%以下，在蘇聯(lián)某些電站槳葉啟動角高達(dá)100%。一般而言，槳葉啟動角不宜設(shè)置太大，因?yàn)闃~的開關(guān)動作耗油很大，在機(jī)組開停機(jī)大幅度調(diào)節(jié)過程中，導(dǎo)葉也存在很大用油，可能會導(dǎo)致油壓過低、油泵長期啟動現(xiàn)象。

表1 里底水電站水輪機(jī)調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線數(shù)據(jù)表

在空載時，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，槳葉啟動角可預(yù)留1個小開度。如果預(yù)留為0，一旦調(diào)速器槳葉傳感器漂移，導(dǎo)致槳葉全關(guān)時傳感器反饋數(shù)據(jù)比實(shí)際位置大時，這時調(diào)速器電柜上槳葉始終有個開度，為此調(diào)速器槳葉主配始終會試圖關(guān)閉槳葉到0。但槳葉實(shí)際已全關(guān)，這樣槳葉關(guān)閉腔通壓力油，開啟腔通回油。這時，如果一旦需要開啟槳葉協(xié)聯(lián)，槳葉主配瞬間開啟，槳葉主配、管路會存在較大的“油錘”沖擊、槳葉遲滯和過油噪音現(xiàn)象。這對機(jī)組和調(diào)速器都是不利的、不必要的、可以避免的。另外預(yù)留1個小開度，也減輕機(jī)組軸向受力，利于機(jī)組安全。

機(jī)組處在發(fā)電態(tài)，導(dǎo)葉為空載開度，槳葉為0或1個小開度。隨著負(fù)荷需求的不斷增加，導(dǎo)葉逐漸增加，增加到一定開度即協(xié)聯(lián)開度時，槳葉開始跟隨增加。軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組常見的現(xiàn)象為受油器竄油導(dǎo)致的油泵打油頻繁問題，打油頻繁又帶來油溫過高、油粘度變小、內(nèi)泄加大、泵油效率低下等惡性循環(huán)。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，一般油溫高于45℃，若無人干預(yù)，溫度會呈現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象。為此，調(diào)速器在槳葉控制環(huán)節(jié)、主配間隙配合上人為設(shè)置一些死區(qū)。比如，里底電站槳葉控制方面，設(shè)置了退出死區(qū)2%和進(jìn)入死區(qū)1%。即，槳葉給定和反饋偏差超過2%時，槳葉開始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)至1%以內(nèi)時，槳葉輸出為0V，不再電氣控制輸出，這時主配復(fù)中。在無外部調(diào)節(jié)指令下，可保持槳葉開度較長時間的穩(wěn)定。

在機(jī)組手動控制時，若在發(fā)電態(tài)，只需將導(dǎo)葉切手動，槳葉自動。運(yùn)維人員操作導(dǎo)葉增減，槳葉自動跟隨協(xié)聯(lián)變化。手動開機(jī)時，一般是一人操作，為了簡單、不易出錯，一般是首先手動將槳葉關(guān)閉至0或1個小開度，保持手動；然后手動開啟導(dǎo)葉至額定轉(zhuǎn)速即可。

在做過速試驗(yàn)時，尤其是大型軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組，機(jī)組慣性大，轉(zhuǎn)速不易提升。這時不僅僅只開啟導(dǎo)葉，槳葉也需進(jìn)行相應(yīng)的操作。過速試驗(yàn)一般為一人操作完成，試驗(yàn)前需根據(jù)過速的目標(biāo)和當(dāng)前水頭，大致計算出導(dǎo)葉和槳葉在哪個開度可以實(shí)現(xiàn)過速。比如導(dǎo)葉開至65%，槳葉50%。一般試驗(yàn)方法為：首先手動開機(jī)至額定轉(zhuǎn)速（空轉(zhuǎn)），待機(jī)組穩(wěn)定后，將槳葉手動開啟至50%；這時轉(zhuǎn)速會下降，導(dǎo)葉適當(dāng)調(diào)整到額定左右。然后，根據(jù)統(tǒng)一指令，開啟導(dǎo)葉直至機(jī)組過速。如果此時槳葉關(guān)閉為0，轉(zhuǎn)速是無法提升至65Hz以上，同時對機(jī)組傷害極大。

事實(shí)上，導(dǎo)葉開度在協(xié)聯(lián)開度以內(nèi)，槳葉越小越利于轉(zhuǎn)速提升；但隨著導(dǎo)葉開度超過協(xié)聯(lián)開度，槳葉仍不開啟，這時機(jī)組出力效率降低，不利于轉(zhuǎn)速上升，需要及時將其開啟。

做甩負(fù)荷試驗(yàn)，小型軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組或貫流機(jī)，容易低頻滅磁、抬機(jī)等。這固然由于機(jī)組特性關(guān)系，同樣和槳葉關(guān)閉規(guī)律和關(guān)閉時間、開啟時間有很大關(guān)系。槳葉關(guān)閉過快，容易抬機(jī)，如果槳葉關(guān)閉過慢，很長時間轉(zhuǎn)速無法拉起，轉(zhuǎn)速下壓會很低。也有部分主機(jī)廠提出，在甩負(fù)荷的前段時間，槳葉保持不變甚至開啟，待機(jī)組轉(zhuǎn)速升至最高后，槳葉再依據(jù)主配的調(diào)整速率關(guān)閉。

2 協(xié)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)化

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)速器廠家通過程序自動協(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，影響水輪機(jī)的效率及運(yùn)行穩(wěn)定性[2]。協(xié)聯(lián)曲線是否合理，主要看是否在一定水頭范圍內(nèi)帶滿負(fù)荷，機(jī)組振動、擺動數(shù)據(jù)是否合格，如果滿足，即簡單認(rèn)為曲線是正確的。但正確的曲線，并非是最優(yōu)曲線。由于協(xié)聯(lián)關(guān)系與水頭密切相關(guān)，優(yōu)化的第一個難度就是每段時間內(nèi)很難滿足各個水頭的試驗(yàn)前提。第二是在每個水頭下，需要做20個負(fù)荷點(diǎn)下的負(fù)荷變動，調(diào)度協(xié)調(diào)難度大，但事實(shí)上仍然可以做到。

協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化總的方法為：需要1臺專業(yè)的機(jī)組振動擺動測試儀和各類振動、擺動傳感器。首先進(jìn)行各類傳感器安裝，完成后傳感器采樣校驗(yàn)、通道配置、錄波標(biāo)定。之后在機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，不同的水頭下，依據(jù)原有的協(xié)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行導(dǎo)葉和槳葉開度調(diào)整，在機(jī)組水導(dǎo)振動和機(jī)組有功功率之間尋優(yōu)，以確定最佳的協(xié)聯(lián)關(guān)系。

優(yōu)化方案為：試驗(yàn)前將試驗(yàn)水頭調(diào)整至需試驗(yàn)水頭，并在試驗(yàn)過程中保持機(jī)組功率因素為額定值。試驗(yàn)時，導(dǎo)葉開度分別穩(wěn)定在空載開度至滿負(fù)荷開度調(diào)節(jié)若干個開度，每個導(dǎo)葉開度工況點(diǎn)手動調(diào)節(jié)槳葉開度，在原協(xié)聯(lián)點(diǎn)附近單向調(diào)節(jié)5～6個槳葉開度，每個工況點(diǎn)穩(wěn)定3～5min時間。協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行情況，視機(jī)組振動擺度情況，可適當(dāng)進(jìn)行動平衡處理。

3 軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組調(diào)速器部分控制技術(shù)

機(jī)組的開機(jī)停機(jī)中，導(dǎo)葉和槳葉的動作規(guī)律主要由調(diào)速器完成。主機(jī)廠一般只給出開關(guān)最大速度和啟動角，具體的開機(jī)規(guī)律一般由調(diào)速器根據(jù)廠家自身經(jīng)驗(yàn)決定。最佳的開機(jī)表現(xiàn)為：開機(jī)迅速（不是必須要求）、頻率超調(diào)小、利于空載頻率收斂和并網(wǎng)等。

圖2為里底水電站開機(jī)規(guī)律：調(diào)速器接收到開機(jī)令，當(dāng)頻率＜40Hz，導(dǎo)葉開啟到空載開度加10的開度，當(dāng)40Hz＜頻率＜47.5Hz，導(dǎo)葉開度減少到空載開度，當(dāng)頻率＞47.5Hz時，進(jìn)入PID調(diào)節(jié)。調(diào)速器采用了2段開機(jī)，開啟的開度和斜率都是不同的。第一段迅速開啟，目的在于克服機(jī)組慣性，使機(jī)組旋轉(zhuǎn)起來；待機(jī)組旋轉(zhuǎn)后，導(dǎo)葉緩慢爬升至空載開限，這樣可以降低葉片受力，轉(zhuǎn)速上升平緩，待轉(zhuǎn)速大于95%時，調(diào)速器由開機(jī)轉(zhuǎn)入空載態(tài)。

圖2 里底水電站調(diào)速器自動開機(jī)試驗(yàn)錄波圖

機(jī)組停機(jī)時，導(dǎo)葉關(guān)閉，槳葉開啟，由于機(jī)組存在抬機(jī)現(xiàn)象，需要確定導(dǎo)葉自動關(guān)閉的斜率（非主配最快關(guān)閉時間，程序可設(shè)），以及槳葉何時開啟。經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗(yàn)尋找，槳葉開啟時的條件時候最好是在轉(zhuǎn)速低于40%開啟，這樣最有利于減少抬機(jī)量。同時，導(dǎo)葉關(guān)閉斜率適當(dāng)減小。

里底水電站一次調(diào)頻試驗(yàn)，進(jìn)行了槳葉在自動和手動，以及在自動時設(shè)置時區(qū)和不設(shè)置死區(qū)的各項對比測試；也進(jìn)行了增強(qiáng)型和普通型一次調(diào)頻，大頻差階躍下的功率反調(diào)、水壓波動測試對比，獲取了寶貴經(jīng)驗(yàn)。由于水頭對雙調(diào)機(jī)組重要性影響，里底電站對水頭的濾波、計算、賦值等方面做了很多研究，增強(qiáng)了可靠性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性。不再一一論述。

4 結(jié)語

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組不同于混流式機(jī)組的特點(diǎn)、難點(diǎn)，尤其是導(dǎo)葉和槳葉配合關(guān)系、協(xié)聯(lián)關(guān)系，仍然還有很多工作值得深挖、改進(jìn)。協(xié)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)化如何，將直接影響到水輪機(jī)的效率和出力的發(fā)揮。新裝機(jī)組的效率和出力是否能達(dá)到保證值要求之前，需提供最大條件來驗(yàn)證水輪機(jī)制造廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系是否最優(yōu)，然后才能以此為條件開展轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)能量特性的測定工作。