協聯曲線優化對軸流轉槳式水輪發電機組發電效率的影響

周 有 寶

(沐川縣七星火谷水電開發有限公司火谷水電站，四川 樂山 614501)

火谷水電站2臺2×20 MW軸流轉槳式水輪機組在初期投運兩年的實際運行過程中暴露出了一系列問題，如：機組在空載時上導振動、擺度大；在0～7 MW低負荷區時振動、擺度明顯加大；機組出力較差，在導葉開度達92%時機組出力最大只能達到19.8 MW(不能達到額定負荷的100%)。針對2臺機組的實際運行情況，我站組織技術人員進行了一系列的分析、探討、試驗和研究。其中，在對機組做協聯曲線優化試驗時，取得了較為理想的成果，在耗水率基本不變的前提下，很好地提高了機組的有功出力，降低了個別負荷區的振動和擺度，使機組的運行工況得到了較大改善。筆者以敘述我站協聯曲線優化試驗為主，進而驗證了軸流轉槳式水輪發電機組協聯曲線優化對機組安全、經濟運行的影響，尤其是對機組發電效率的影響。

火谷水電站位于四川省樂山市沐川縣利店鎮上游約3 km處，為馬邊河干流水電規劃梯級開發中的第四座水電站， 裝設2臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量20 MW,設計水頭26 m。工程于2007年7月開始動工，2012年1月投產發電。

1 機組運行工況及出力情況初步分析

火谷水電站2臺機組自投運起即存在以下問題：(1)機組出力較差，在額定水頭26 m、導葉開度達到95%時機組最大出力只能達到19.8 MW(為防止接力器動作過頭，導葉電氣開限 設 定 為95%)。(2)機組在0～7 MW低負荷區運行時存在強烈振區，上導擺度最大達到400 μm左右；非振動區運行的上導擺度大部分工況超過300 μm。為確保機組安全經濟運行，我站于2013年年初對2臺機組進行了C修。檢修的重點為：對機組軸線、導瓦間隙進行檢查并予以調整，使其達到設計值。但在檢修之后機組振動、擺度及出力情況沒有太大的改善。根據對該機組勵磁試驗數據進行分析得知，各部位振動擺度幅值與勵磁電壓幅值的關系不明顯，因此，基本可以排除電氣因素。根據上述分析，不排除該機組存在調速器導葉、槳葉協聯曲線不優的情況。

另外，由于水輪機模型試驗的偏差和有關零部件加工的誤差，可能會造成現場機組雖然按照廠家提供的協聯曲線調整，但實際上卻不是最優協聯曲線，因此就需要在現場求取真機的最優協聯曲線，并依此來進行協聯機構的調整工作，使機組發電效率達到最優。

為此，火谷水電站于2013年7月對2臺機組協聯曲線進行了優化試驗工作。

2 試驗方案

(1)試驗內容。在各試驗水頭下，機組做定導葉工況運行，改變不同的槳葉開度進行若干測試以測取若干參數，此時最高效率的工況點的協聯曲線就是真機在該水頭下槳葉～導葉的最優協聯曲線。對于不同的導葉開度，可作若干個定導葉工況試驗，以求取某個水頭下的最優協聯曲線。

(2)試驗步驟。

① 定導葉工況試驗。

根據現場水情，兩臺機組各選定一個常用水頭作為試驗水頭(如：#1機組26 m，#2機組27 m)。火谷水電站機組的協聯曲線是導葉開度達到56%時進入協聯，把導葉固定在某一個既定的開度上(按原有協聯曲線開度)，調整不同的槳葉開度進行優化試驗工作。根據現場導葉開度確定槳葉開度需要進行7、8個工況試驗。每個工況點的導葉開度調整次數是根據所求取最高效率指數的需要而定，一般需要5～7次。

② 為克服機械死區對測試精度的影響，在測試過程中，導葉和槳葉調整均為單方向調整。若在某個值調過頭，則需返回上一個值后再往前調。

③ 在調整導葉開度的過程中，記錄機組的運行狀態與出力情況，如振動值、擺度值、機組的有功功率輸出、機組的溫度變化等。

④ 優先根據機組的運行穩定性與出力情況最終確定機組的最優協聯曲線。為進一步優化機組的運行工況，視機組的穩定性情況， 可適當進行動平衡處理。

3 試驗數據(以#2機組試驗為例)

(1)上游水位：高程456.9 m；尾水水位：高程430.2 m；水頭：26 m。

(2)#2機組定導葉工況試驗時機組運行的部分參數及試驗數據見表1。

表1 2#機組定導葉工況運行機組部分參數及試驗數據表

4 試驗結果分析

(1)對試驗數據進行分析后得出火谷水電站#2機組在26 m水頭下機組的最優協聯曲線。優化后的曲線規律與原協聯曲線的規律基本一致：對同一導葉開度進行了比較，優化后的槳葉開度比原槳葉開度平均增加了約3%～7% 。其協聯曲線優化前后對比情況見圖1。

圖1 協聯曲線優化前后對比圖

(2)協聯曲線優化后，在負荷段(導葉開度56%～80%)對機組的振動擺度有一定的改善作用，尤其是機組上導擺度有所減小；其余負荷段對振動擺度沒有明顯影響。優化協聯曲線前后機組各導軸承擺度對比情況見圖2。

圖2 協聯曲線優化前后振動擺度對比圖

(3)協聯曲線優化后，機組出力在不同導葉開度下均明顯得到了提高。在26 m水頭下、導葉開度為86%時，優化前后的出力分別為17.8 MW和18.8 MW；導葉開度為92%時，優化前后的出力分別為19.8 MW和20.1 MW；導葉開度為95%時，優化前后的出力分別為20 MW和21 MW。協聯曲線優化后，機組出力均能滿足設計要求。優化協聯曲線前后機組有功出力對比情況見圖3。

圖3 協聯優化前后水輪機出力對比圖

(4)協聯曲線優化后，水輪機的發電效率明顯得到了提高。根據計算數據得出發電效率平均提高4.73%。在26 m水頭下優化協聯曲線前后機組發電效率提高情況見表2。

表2 優化協聯曲線前后機組發電效率提高情況表

(5)按照上述相同的方法，進行了#2機組在常用水頭(25 m、26 m、27 m)下的完整性水頭試驗，最終得出#2機組調速器在常用水頭25 m、26 m、27 m下的最優協聯曲線，具體情況見表3。

表3 25 m、26 m、27 m水頭下最優協聯曲線表

(6)#1機組參照#2機組按相同的試驗方案進行了協聯曲線優化，得出與#2機組基本一致的結果，在此不再詳細描述與分析。

5 試驗結論及建議

5.1 結 論

(1)協聯曲線的優化在負荷段(導葉開度56%～80%)對機組的運行穩定性有一定的改善，對于其余負荷段的機組運行穩定性沒有明顯影響。

(2)協聯曲線優化明顯提高了機組的出力及發電效率。

5.2 建 議

(1)處理后的機組在非振動區運行時，上導擺度仍有約300 μm左右。 對此，我廠利用年底計劃A修的機會，對#2機組的軸線、各導瓦間隙進行了詳細檢查和調整(通過2013年年底#2機組A修，對#2機組的軸線、各導瓦間隙進行了檢查和盤車調整，現振動和擺度值均在規程允許值范圍之內)。

(2)盡可能避開機組在振動區運行(火谷水電站機組振動區為0～7 MW)。

6 結 語

火谷水電站2臺機組通過協聯曲線優化，明顯地提高了機組的發電效率，不僅滿足了機組額定出力要求，而且還改善了機組的運行穩定性。由此可見：采取協聯曲線優化的手段，是改善軸流轉槳式水輪發電機組運行工況的重要措施。同時，也證實了協聯曲線的進一步優化對提高機組的發電效率具有不可忽視的作用。但應該注意的是：軸流轉槳式水輪機的協聯曲線不能一味按照廠家提供的協聯曲線整定，需經現場試驗驗證是否為真機的最優協聯曲線，從而使機組的發電效率達到最優。

作者簡介:

周有寶(1975-)，男，四川樂山人，廠長，工程師，從事水電廠技術與管理工作；