洪江水電廠3號水輪機協聯優化試驗分析

鄧 亞

（洪江水電廠，湖南 懷化 418200）

0 引言

洪江水電廠3號機組效率偏低的問題由來已久，一直困擾著電廠運行維護人員，給電廠造成了大量的經濟損失。為徹底根治這一頑疾，電廠組織多家單位開展了專項研究。由于影響水輪發電機組效率的因素較多，其相關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，采用現場測試的研究手段對各個因素進行逐一排查，先后開展了發電機效率分析、水輪機導槳葉測量、流道測繪及穩定性試驗等工作。最終發現相對其他機組，3號水輪機槳葉開口存在異常，于是決定開展3號水輪機的協聯優化試驗，通過現場試驗進一步明確3號水輪機效率偏低的原因，并進行協聯優化，提高機組運行效率。

眾所周知，燈泡貫流式機組具有水力效率高、結構緊湊、過流能力大的優點，為保證水輪機獲得較高的水力效率及良好的穩定性，一般采用轉槳式水輪機，導槳葉保持一定的協聯關系，保證水輪機在接近于最優工況下運行[1]。一般水輪機的協聯關系由制造廠家根據模型試驗的成果制定，由調速器通過程序自動協聯，但是由于模型試驗的偏差及安裝和零部件加工的誤差，其得到的協聯關系往往與真機運行情況存在一定的差異，造成機組并非在最優協聯關系下運行，影響了水輪機的效率及運行的穩定性[2]。

本文開展了洪江水電廠3號水輪機的真機協聯試驗分析，在充分考慮水輪機效率及機組運行穩定性的基礎上優化了機組的協聯曲線，提升了水輪機的效率并使機組的運行穩定性得到了明顯改善，其研究成果對燈泡貫流式水輪機安全高效運行具有重要的參考價值。

洪江水電廠3號燈泡貫流式機組主要參數如表1所示。

表1 機組主要參數

水輪機生產廠家提供了機組在不同水頭下導葉與槳葉的設計協聯曲線，實際運行中由調速器采用二元線性插值方法進行計算[3]。

1 研究方法

水輪機效率采用相對效率法進行[4]，主要測點包括流道差壓、流道進口水壓、尾水管出口水壓、機組導槳葉開度、機組有功功率等。在整個試驗過程中對機組的運行穩定性進行了監測，主要測點包括：水導軸承垂直振動、水導軸承徑向水平振動、轉輪室垂直振動、轉輪室水平振動、機組水導軸承處的擺度及尾水管進口壓力脈動等，主要測點如圖1所示。

圖1 主要測點布置示意圖

根據歷史運行資料，機組低水頭運行區間保持在18～20 m水頭，因此協聯優化試驗分別選定在18.2 m、20.2 m水頭下進行。協聯優化試驗方法采用定導葉（或定槳葉）工況運行，改變不同的槳葉（導葉）開度，求取不同工況下的相對效率，根據各導葉（槳葉）工況的最高相對效率，確定真機在該水頭下的最佳導葉—槳葉對應關系，即為該水頭下的最優協聯關系（如圖2所示）。

圖2 最優協聯關系求取圖

試驗流程為：試驗前將試驗水頭調整至所需試驗水頭，并在試驗過程中保持機組功率因數為額定值。試驗過程中將導葉開度從空載開度至滿負荷開度，先單向增加5 %至某導葉開度作為一個工況點，在原協聯關系下，用測試儀記錄下各部位測點的輸出情況，然后固定導葉開度，退出自動協聯，手動調節槳葉開度，在協聯開度±10 %附近單向調節6個槳葉開度點，每個槳葉開度工況點穩定3～5 min，用測試儀記錄各槳葉開度工況的測點輸出量。該導葉開度工況下的槳葉調節完畢后，恢復到該導葉開度下的協聯槳葉開度，投入協聯運行，手動增加（或降低）5 %導葉開度進入下一個工況，重復上述操作，直至試驗結束。

2 真機協聯試驗

2.1 試驗結果分析

通過現場試驗發現，各定導葉開度下改變槳葉開度，機組相對效率值有明顯變化，其變化規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極值，從而求取最高相對效率點。同時試驗中對機組各部位的振動擺度進行了監測，通過改變槳葉開度對機組振動擺度值有一定的影響，同時試驗結果顯示，水輪機效率越高則機組穩定性能越好。

在綜合考慮水輪機效率、出力及機組穩定性的基礎上可以得到導槳葉的最優協聯關系，協聯優化結果如圖3、圖4所示。

圖3 18.2 m水頭下協聯關系優化結果

圖4 20.2 m水頭下協聯關系優化結果

通過試驗結果看出，優化后協聯曲線規律基本上與原協聯曲線一致，同一水頭下優化后協聯曲線較原協聯曲線相比各導葉開度下槳葉開度提高約4 %。

2.2 協聯優化前后水輪機能量特性對比

協聯優化后在相同導葉開度下水輪機相對效率有了明顯提升，18.2 m及20.2 m水頭工況下協聯關系優化后，相同導葉開度工況，水輪機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水頭下優化前后機組相對效率對比

水輪機相對效率變化/%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導葉開度/%原槳葉開度/%優化后槳葉開度/%換算至20.2 m水頭機組出力變化/MW

注：表中所示機組出力及相對效率值為優化后值減去優化前的值

2.3 協聯優化前后機組穩定性對比

以轉輪室垂直振動為例，機組在協聯優化前后穩定性結果對比如圖5、圖6所示，協聯優化后機組在高負荷區的運行穩定性有了明顯改善。特別是在18.2 m水頭工況下，在最高負荷工況，協聯優化前、后，轉輪室徑向垂直振動降低52.33μm。

圖5 18.2 m水頭協聯優化前后轉輪室垂直振動對比

2.4 試驗結論

圖6 20.2 m水頭協聯優化前后轉輪室垂直振動對比

通過真機試驗，發現該機組在現有協聯關系下水輪機效率偏低且機組穩定性較差，通過優化機組的協聯關系，水輪機效率和機組穩定性都有明顯的提升，在20.2 m接近額定水頭最大負荷工況下機組出力增加1.04 MW，水輪機效率提升0.33%，同時在18.2 m水頭轉輪室徑向垂直振動降低52.33μm，試驗結果表明通過協聯優化提升了水輪機的出力及效率，同時改善了機組的運行穩定性。

3 機組全水頭下的協聯曲線換算

協聯試驗是在18.2 m、20.2 m水頭下進行的，根據試驗結果可以直接得到18.2 m、20.2 m水頭下的最優協聯關系。嚴格來講，要對機組的協聯曲線進行修正，需要逐個進行各水頭下的現場試驗，并且試驗水頭要囊括機組的整個運行水頭范圍。但是考慮到要完成所有的試驗，工作量大且耗費的時間較長，而且通過目前18.2 m、20.2 m水頭下的試驗成果發現最優的協聯曲線基本上是在現有曲線的基礎上增加4%左右的槳葉開度（如圖3、圖4所示），因此決定依據該試驗結果對其他水頭下的協聯關系進行修正，協聯曲線修改如圖7所示。為了確保機組的穩定運行，電廠利用機組的在線監測系統對協聯曲線修改后機組的運行狀況進行嚴密的監視。

圖7 協聯關系修改圖

對機組整個協聯曲線進行了修改后，電廠利用機組在線監測系統對機組的運行穩定性進行了長達3個多月的運行監視，期間機組的運行水頭在18～22 m之間，基本上包括了常年機組的運行水頭范圍。記錄數據如表4，表5所示，其中表4所示為人工記錄的機組運行數據，表5所示為人工記錄在線監測系統振動擺度數據。通過以上數據可以看出：

表4 協聯關系修改后3號、5號機組運行數據記錄（人工記錄數據）

表5 協聯關系修改前后3號機組運行穩定性數據記錄

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

（2）各水頭下機組穩定性情況較好，且高水頭下機組的穩定性明顯要優于低水頭下的情況；相比協聯修改前，協聯修改后機組的穩定性有一定的改善，如在19.55 m水頭下，同帶額定負荷，協聯修正后轉輪室垂直振動值降低了21μm；在20.38 m水頭下，同帶額定負荷，協聯修正后轉輪室垂直振動值降低了9μm。

4 經濟效益計算

機組額定水頭20 m，因湖南安江水電站的投運，電廠尾水位被抬高2 m，機組水頭相應降低2 m。按18.2 m水頭效率試驗所測機組效率提高幅度計算機組多發電量，具有較強的代表性。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號機組帶負荷情況進行分區域統計（表6所示），按不同負荷區域及其效率提升值計算年平均多發電量約450萬kW·h，按上網電價為0.35元/kW·h計算，增發電量創造直接經濟效益：450萬kW·h×0.35元/kW·h≈160 （萬元）。

表6 多發電量計算表

5 結語

燈泡貫流式機組的協聯關系直接影響到了水輪機運行的效率和穩定性。由于模型試驗的相似性偏差、加工制造及安裝等因素的影響，制造廠提供的協聯關系并非最優，需要經過現場試驗獲取真機的最優協聯關系。

本文針對洪江水電廠3號水輪機效率偏低的問題，通過真機試驗對燈泡貫流式機組的協聯關系進行了研究，得到了機組的最優協聯曲線，有效的提高了水輪機出力及效率，改善了機組運行的穩定性。根據電廠多年運行數據推算，通過優化每年可增發電量創造直接經濟效益160萬元，同時通過本項目的實施，提高了水電廠設備的運行狀態，保障了設備的安全穩定運行，安全效益巨大。