燈泡貫流式水輪機導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系校核相關(guān)參數(shù)問題研究與實踐

胡江偉

（江西贛能股份有限公司居龍?zhí)端姀S，江西 贛州 341000）

0 前言

由于燈泡貫流式水輪發(fā)電機組有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便以及可開發(fā)資源豐富等顯著特點，因此燈泡貫流式水電站在我國得到了迅速發(fā)展。燈泡貫流式機組的高效率一方面得益于其進水管和出水管均不拐彎，使得過流通道水力損失小；另一方面設(shè)備廠家通過模型試驗形成了水輪機協(xié)聯(lián)曲線，可以保證機組高效率運行。

對已投運的水輪發(fā)電機組，受水輪機制造偏差、上游進水口形態(tài)、下游河道泄洪沖刷、現(xiàn)場流道情況、機組安裝情況等因素的影響，設(shè)備廠家給定的協(xié)聯(lián)曲線與現(xiàn)場實際狀況存在偏差，導(dǎo)致水輪機運行工況不佳，水輪機內(nèi)部水流紊亂、空化性能惡化、振動增大，影響其運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和設(shè)備的壽命。機組投產(chǎn)后，須結(jié)合現(xiàn)場實際對機組協(xié)聯(lián)曲線進行優(yōu)化校核，以提高水輪機的運行效率和穩(wěn)定性。

1 主要參數(shù)測量存在的問題分析及解決方法

《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程》（GB/T 20043-2005）規(guī)定了水輪機性能試驗相關(guān)參數(shù)的測量方法，主要包括上、下游水位、水輪機流量差壓、水輪機水頭差壓以及流量、效率等。在現(xiàn)場優(yōu)化試驗中，受測量儀器、現(xiàn)場條件所限，測得的結(jié)果精度無法滿足要求，直接影響校核優(yōu)化結(jié)果，需要逐個研究分析并給出具體解決方法，提高試驗精準度。

1.1 工作水頭采集問題及解決方法

水輪機的工作水頭即水輪機進口和出口的比能差，它包括壓力勢能差、高程差和動能差。該電站投運后一直采用人工水頭，即以水情系統(tǒng)水庫上、下游的水位（未計及水頭損失）作為水輪機工作水頭輸入調(diào)速器。受到機組進水口攔污排、攔污柵以及流道水頭損失的影響，該方法計算出的水頭與實際有效工作水頭存在較大誤差（實際測量攔污柵前后水位差達3m），直接導(dǎo)致水輪機導(dǎo)葉、槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系與設(shè)計值存在偏差。同時上游水位變化較大，值班人員需要頻繁更改水頭，無法滿足無人值班、少人值守的需要。當更改水頭參數(shù)時，調(diào)速器按照對應(yīng)水頭協(xié)聯(lián)曲線進行調(diào)節(jié)，機組有功負荷發(fā)生波動，影響發(fā)電功率曲線穩(wěn)定。

針對自動水頭采集問題，現(xiàn)場進行檢查分析來找出原壓力傳感器的故障原因，通過清理疏通進水閘、尾水管、導(dǎo)葉前、燈泡頭等處測壓管，選取更合理的進水閘后、尾水管出口壓力作為測點，測量管路布置示意圖如圖1 所示。更換校核失效的壓力變送器（圖1 差壓變送器2），選用精度更高的壓力變送器，徹底解決采集數(shù)據(jù)誤差大的問題。參考有關(guān)文獻研究成果，修改完善調(diào)速器自動水頭采集功能，將掃描周期修改為10min，水頭變化率設(shè)置為20cm，解決水頭變化頻繁引起調(diào)速器調(diào)節(jié)頻繁的問題，實現(xiàn)水頭的自動采集功能。對兩臺機組采集的自動水頭存在10cm～20cm 差值的問題，經(jīng)與人工測量值對比，符合現(xiàn)場實際情況（二號機組進水口處有導(dǎo)墻，產(chǎn)生水流旋渦導(dǎo)致攔污柵堵塞物較多），且滿足現(xiàn)場校核試驗及以后機組運行需要。

1.2 過流量測量問題及解決方法

水輪機過流量是直接關(guān)系到機組效率測試的重要參數(shù)。《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程》（GB/T 20043-2005）規(guī)定當驗收試驗時，流量的測量應(yīng)采用絕對法。也可以借助于相對法（指數(shù)法）補充一些資料，使某些操作變得容易一些。由于燈泡貫流式水輪機流道短、水頭低、過流斷面尺寸大、流速低，因此受現(xiàn)場條件所限，絕對法的流速儀法、畢托管法、壓力時間法均難以實現(xiàn)。另外，現(xiàn)有設(shè)計院測算的水情系統(tǒng)下游水位-流量關(guān)系受歷年泄洪沖刷下游河道變化影響，通過與下游當?shù)卣木衷O(shè)置的水文站的數(shù)據(jù)進行對比，存在20m3/s～30m3/s 的流量誤差。

對比多種流量測量方法，參考水輪機流量的間接計算方法及其應(yīng)用，這次校核試驗選用蝸殼差壓法。其基本原理是在水輪機蝸殼同一斷面選取兩個不同位置的壓力測量點，不考慮蝸殼中的水流損失，根據(jù)等速度矩規(guī)律和伯努利方程，推導(dǎo)出過流量理論計算公式（1）。

式中：為蝸殼差壓流量系數(shù)，Δ為燈泡頭、導(dǎo)葉處差壓。

燈泡貫流式機組的流道即混流式水輪機的蝸殼，將混流式水輪機蝸殼處的高壓測孔和低壓測孔分別改為貫流式機組前流道燈泡體的駐點和活動導(dǎo)葉處，按圖1 布置測量點，采集兩點處的差壓（圖1 差壓變送器1）即可得到Δ。式中流量系數(shù)的計算是關(guān)鍵和難點，利用其固有的與導(dǎo)葉開度和水頭差壓無關(guān)的特性，在校核試驗前調(diào)整機組有功功率，使它在額定工況處運行，讀取差壓變送器1 的值，以水輪機設(shè)計的額定流量236.15m3/s 作參考，代入式（1），初步計算出值。

圖1 水頭、流量差壓測量點選取示意圖

其中，一號機組流量系數(shù)如公式（2）所示。

待機組穩(wěn)定運行1 小時后，校核下游900m 處當?shù)厮木炙恼舅鶞y流量。其中一號機組額定功率時對應(yīng)流量為241.62m3/s，修正流量系數(shù)為57；二號機組額定功率時對應(yīng)流量為217.34m3/s，修正流量系數(shù)為46.7，按照式（1）來計算試驗時機組的過流量。

1.3 兩臺機組共用同一協(xié)聯(lián)曲線及試驗水頭數(shù)量選擇問題

兩臺機組設(shè)計參數(shù)完全相同，當投產(chǎn)時，兩臺機組使用設(shè)備廠家給定的同一協(xié)聯(lián)曲線。但兩臺機組的實際外部條件（進水口、尾水出口形狀等）存在較大差異，其中二號機組進水口受導(dǎo)墻影響，有明顯的旋渦影響水流形態(tài)。這次試驗分別對兩臺機組進行校核優(yōu)化，形成每臺機組的新協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。

由于受到水頭范圍大等因素影響，現(xiàn)場針對每個水頭進行試驗校核時費時費力、經(jīng)濟性差。因此，這次校核試驗在該電站水頭變化范圍內(nèi)（9.5m～18m）選取機組經(jīng)常運行的水頭作為試驗校核點。同時，考慮到兩臺機組的進水口和尾水出水口的形態(tài)不同，分別選取不相同的水頭。其中一號機組選擇11m、14.2m、15m、16m、17m 五個水頭，二號機組選擇12m、14.2m、15m、16m、17m 五個水頭。對于其余水頭，通過這五個水頭的試驗結(jié)果擬合求出函數(shù)關(guān)系式，用函數(shù)關(guān)系式（可決系數(shù)≥0.999）按給定導(dǎo)葉開度計算出對應(yīng)槳葉開度值，經(jīng)過現(xiàn)場驗證后作為其他水頭的協(xié)聯(lián)。

1.4 試驗方法選擇及對結(jié)果影響的問題

燈泡貫流式水輪機協(xié)聯(lián)校核試驗一般采用固定槳葉開度、改變導(dǎo)葉開度的方式進行。也可以采用固定導(dǎo)葉開度、改變槳葉開度的方式進行。前者常用于模型試驗，后者多用在大導(dǎo)葉開度，比較方便。

現(xiàn)場試驗中如果采用前者，一旦頻繁調(diào)整導(dǎo)葉，特別是大開度調(diào)整導(dǎo)葉，導(dǎo)葉接力器用油量會遠大于槳葉接力器的用油量，導(dǎo)致壓油裝置油泵啟動頻繁，機組的有功功率變動幅度較大，影響機組工況穩(wěn)定。經(jīng)對比，優(yōu)選后者作為現(xiàn)場試驗方法。對兩種方法可能對試驗結(jié)果造成的影響，在完成初步試驗后，再任意選取一水頭，通過固定槳葉開度，改變導(dǎo)葉開度，進行數(shù)據(jù)反向驗證，根據(jù)驗證偏差進行修正。

2 試驗過程及結(jié)果

2.1 校核試驗過程步驟

按校核試驗方案布置HSJ 多功能測試儀，安裝各部位傳感器，連接各參數(shù)測量插頭。對差壓傳感器、壓力傳感器、渦流傳感器、振動傳感器進行率定，保證測試儀正常運行。

調(diào)控水庫水位，分別對每臺機組依次選擇11m（12m）、14.2m、15m、16m、17m 五個水頭，按額定功率的50%、60%、70%、80%、85%、90%、95%、100%調(diào)整試驗機組導(dǎo)葉開度（同時調(diào)整發(fā)電機勵磁，保持功率因數(shù)不變），再調(diào)整另外一臺機組的有功功率來保持試驗機組的水頭基本不變。保持導(dǎo)葉開度不變，調(diào)整槳葉開度分別為原協(xié)聯(lián)開度的-6%、-4%、-2%，原協(xié)聯(lián)開度，原協(xié)聯(lián)開度的2%、4%、6%。在每個開度調(diào)整之后，待機組工況穩(wěn)定時（1min），讀?。ɑ蛴嬎悖┎⒂涗浌ぷ魉^、導(dǎo)葉開度、槳葉開度、發(fā)電機有功功率、機組各部振動擺度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

用水力學(xué)給出的水輪發(fā)電機組的總效率公式來計算水輪機的效率，如公式（4）所示。

式中：為發(fā)電機有功功率，kW；為水輪機流量，m3/s；為工作水頭，m；為水輪機發(fā)電機組總效率，%；為水輪機效率，%；為發(fā)電機效率，%。

其中總效率又可表示如下。

由式（4）、式（5），可得式（6）。

式中：發(fā)電機有功功率由功率表直接讀??；水輪機過流量由式（1）計算；工作水頭由水頭差壓傳感器讀取。

在調(diào)整槳葉的過程中，需要注意監(jiān)視機組振動擺度及工況。特別當導(dǎo)葉開度大于90%以上，工作水頭達到或接近最高水頭時，機組有功功率超過額定功率，振動擺度超過允許值，影響機組設(shè)備的安全，須減少槳葉開度試驗點，縮短試驗時間。

2.2 校核優(yōu)化結(jié)果對比

對試驗得出的各項數(shù)據(jù)匯總整理，重點分析各試驗點處機組效率和振動擺度值，以振動擺度值不超過設(shè)計允許值為原則，優(yōu)選出各導(dǎo)葉開度對應(yīng)的槳葉開度值，形成兩臺水輪機新的協(xié)聯(lián)關(guān)系，與原協(xié)聯(lián)關(guān)系的對比見表1、表2。

表1 一號機組槳葉與導(dǎo)葉接力器協(xié)聯(lián)曲線校核優(yōu)化前后對比表

表2 二號機組槳葉與導(dǎo)葉接力器協(xié)聯(lián)曲線校核優(yōu)化前后對比表

2.3 成果驗證

這次試驗每臺機組僅選擇了五個水頭，最低水頭和最高水頭的協(xié)聯(lián)關(guān)系按前文1.3 研究所得方法進行計算。其中二號機組最低水頭（9.5m）以14.2m、12m 的結(jié)果擬合求出函數(shù)關(guān)系式為=0.0004+0.9731-2.3695。最高水頭18m 以16m、17m 的試驗結(jié)果擬合求出函數(shù)關(guān)系式為y=-0.0017+1.195-1.849，如圖2 所示。按給定導(dǎo)葉開度計算出對應(yīng)槳葉開度值，現(xiàn)場驗證優(yōu)化后作為最低和最高水頭的協(xié)聯(lián)。其余水頭的協(xié)聯(lián)由調(diào)速器以插值的方式自動完成。

圖2 16m、17m 的試驗結(jié)果擬合圖

對兩種不同試驗方法影響結(jié)果的驗證，按前文1.4 所述，以二號機組為例，任意選取一水頭17m，固定槳葉開度85%，改變導(dǎo)葉開度82%、81%、80%、77%，對比試驗結(jié)果，發(fā)電機有功功率和效率偏差小于0.05MW、0.01%，滿足試驗要求，不再進行修正。

將新協(xié)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)輸入調(diào)速器，在校核試驗范圍內(nèi)任選一水頭，控制導(dǎo)葉為一固定值，通過手動方式調(diào)整槳葉為原協(xié)聯(lián)值和新協(xié)聯(lián)值，讀取記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出機組有功功率提升率，見表3、表4。

表3 一號機組（工作水頭15.50m）

表4 二號機組（工作水頭15.25m）

從表中數(shù)據(jù)可以得知，一是在導(dǎo)葉開度相同的情況下，兩臺機組的有功功率均有提高，其中二號機組的提升幅度大于一號機組，符合現(xiàn)場實際狀況；二是導(dǎo)葉開度越小，優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線、機組有功功率提升的幅度越大，其原因有待其他課題另做研究；三是優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)點并非全部是機組的最高效率點，一方面是需要兼顧機組振動擺度等狀態(tài)數(shù)據(jù)；另一方面通過插值所得到的協(xié)聯(lián)點只能接近最高效率，與設(shè)備廠家模型試驗結(jié)果相符。

3 結(jié)語

通過校核優(yōu)化兩臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，形成了符合現(xiàn)場實際的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，降低了機組運行時的振動，機組各項穩(wěn)定性指標及效率達到最優(yōu)。在這個過程中，分析了相關(guān)參數(shù)測量中存在的問題，完善了自動水頭無法正常使用、振動擺度儀測量準確度低等缺陷，提高了機組運行的穩(wěn)定性、安全性和發(fā)電效率。