大化水電站擴建5號機組運行特性優化研究

王向偉

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

大化水電站擴建5號機組運行特性優化研究

王向偉

（嘉陵江亭子口水利水電開發有限公司，四川 蒼溪 628400）

以大化水電站擴建工程5號機組研究為例，通過測試機組在各種工況下的擺度、振動、脈動等相關數據，進行相對效率試驗，確定機組的振動區域，評價機組的效率性能和出力特性，研究與優化水輪機的實際協聯關系，指導機組的優化經濟運行。

軸流轉槳；協聯；相對效率；運行特性；振動擺度

大化水電站地處廣西壯族自治區河池市大化瑤族自治縣縣城境內，距離南寧市110 km，于1975年10月動工興建，1983年12月首臺機組投產發電，總裝機容量4臺114MW，年均發電量20億kW·h。大化水電站擴建工程（5號機組）于2007年7月26日正式開工建設，位于原大壩左岸，安裝1臺110MW軸流轉槳式水輪發電機組，2009年7月投產發電，機組設計最大水頭29.0m，額定水頭19.0m，最小水頭8.0m。由于前期設計、工程建設、機電安裝方面不完善等綜合原因，導致經常存在協聯曲線與實際工況差異大、效率低、穩定性差、機組運行的特性不明了，以及穩定運行區、振動區有偏差和各種水頭下機組的效率、耗水率數據不清楚等問題。本文通過開展試驗、分析和研究，進一步了解和分析機組的出力及效率特性，驗證高效運行區域和校核輪葉協聯關系曲線，最大可能地提高機組的出力，并保證機組能處于較好的穩定性區域運行，獲得水輪機最優協聯關系。

1　主要研究內容

（1）研究不同上游水位、水頭的情況下機組的協聯曲線，確保機組在正確協聯工況下運行。

（2）研究不同上游水位、水頭、不同負荷、不同槳葉開度下，流道、其它機組尾水流態對5號機組負荷調節（周期、波動量、調節速度等）、機組振動、最大出力、導葉開度限制曲線的影響。

（3）研究5號機組的上游水位、下游水位、欄污柵壓差、蝸殼壓差、引水渠對機組水頭的損失、1～4號機組的尾水影響等，計算出機組在不同水頭不同開度下的效率和耗水率，并繪制出5號機組的效率和耗水率曲線。

2　運行穩定區域分析

根據近5年大化水電站擴建5號機組正常運行水頭分析，找出最有代表性的、實際工況中運行最頻繁的7個水頭進行研究，主要有22m、23m、24m、25m、26m、27.4m、28.3m。由于每個水頭下的研究方法一致且論文篇幅限制，所以本文只列出22m水頭的研究分析過程，在最終結論中會對7個水頭結果進行分析研究。

2.1機組22m水頭穩定性試驗研究

2.1.1擺度幅值隨負荷變化趨勢分析

從下頁圖1可以看出：

（1）上導擺度通頻峰峰值隨負荷的變化基本上保持不變，擺度通頻峰峰值比較小，峰峰值符合要求。

（2）下導擺度通頻峰峰值隨負荷的增大變化不是很明顯，擺度通頻峰峰值比較大，超出國標要求范圍值。

（3）隨著負荷的增大，水導擺度的通頻峰峰值先增大后減小，負荷到達25MW時，水導Y向擺度通頻峰峰值最大為298mm；負荷越過25MW后，水導擺度通頻峰峰值迅速減小，通頻峰峰值比較小。

在最大負荷工況時，除了下導擺度通頻峰峰值超出國標范圍值外，上導擺度和下導擺度通頻峰峰值都符合要求。

圖1　上導、下導、水導擺度隨負荷變化的變化

2.1.2振動幅值隨負荷變化趨勢分析

圖2　上、下機架、定子基座、頂蓋振動隨負荷變化的變化

從圖2可以看出：

（1）隨著負荷的增大，上機架振動通頻峰峰值不斷減小，在25MW負荷工況時，通頻峰峰值最大；下機架水平振動通頻峰峰值也很小，而下機架X向垂直振動比較大，在30MW負荷工況時，通頻峰峰值最大，通頻峰峰值最大為116mm。

（2）定子基座水平振動隨負荷變化通頻峰峰值基本上保持不變，振動通頻峰峰值比較小。

（3）隨著負荷增到35MW工況時，頂蓋X向垂直振動通頻峰峰值不斷增大，最大為70mm，隨后負荷通頻峰峰值迅速減小。頂蓋兩個方向的水平振動隨負荷的變化基本保持不變，振動通頻峰峰值很小。

在10MW至30MW負荷區間，機組振動比較大，其它負荷工況下，各測點的振動通頻峰峰值比較小，機組運行平穩。

2.1.3頻譜分析

從下圖3～5可以看到，機組在25MW、55MW、110MW三個負荷工況下的振動、擺度的頻譜分析，可以得到以下結論：

（1）上下導擺度從頻譜上看，基本受到的是轉頻頻率影響，有少量的1.13倍轉頻成分，隨負荷的增加，1.13倍轉頻成分消失，主要以轉頻成分為主，而水導主要除了轉頻成分外，還有低頻成分和其他多倍高頻影響，這主要是水導接近導水機構，受到了水流渦帶渦流影響。

（2）上下機架水平方向的振動主要是受到了轉頻的影響，振動量不大。垂直振動受到大量無規律的頻率成分影響，導致在振動區域，垂直振動比較大，主要是在振動區域10～30MW之間。

（3）定子基座水平振動在整個過程中通頻峰峰值都比較小，隨負荷的增大變化趨勢是不變的，頻率成分主要是受轉頻影響，定子基座水平振動基本上不受電磁拉力的影響。

（4）頂蓋水平振動主要是受到低頻振動的影響，在整個變化過程中通頻峰峰值比較小，隨負荷的增大變化趨勢是不變的。而頂蓋垂直振動頻率成分主要是低頻振動和水流與轉輪的出水環量影響。在30MW的負荷區間時，振動比較大，頂蓋垂直振動的變化就代表了機組振動變化的趨勢，是典型的渦流振動區域。

圖3　25MW負荷工況頻譜圖

圖4　55MW負荷工況頻譜圖

圖5　110MW負荷工況頻譜圖

2.1.4該水頭試驗結論與分析

根據在線監測穩定性試驗數據分析，在約22m水頭下，大化水電站5號機組穩定性試驗大致可歸納如下結論與建議：

（1）在機組開始帶上負荷的時候，由于機組在試驗水頭下槳葉開度未進入協聯開度，受轉輪出水正環量水流的影響。在10MW至30MW負荷區間時，為機組不宜長期運行的低效率工況區，不建議在此區間長期運行。特別在30MW負荷期間，建議應避免在此區間運行。

（2）在機組負荷越過渦帶工況后，機組各部位的振動、擺度通頻峰峰值迅速減小，基本趨于平穩，這是由于水流流態的明顯改善。在40MW至110MW負荷區間時，機組各部位的振動、擺度通頻峰峰值均維持在本水頭下的最良好區域，同時也是機組運行效率最好的區域。此區間為穩定運行區域，機組可長期在此區間帶負荷運行。

（3）在振動工況區域，由于機組下機架垂直振動和頂蓋垂直振動都比較大，在實際運行中，機組在振動區域運行時，應嚴密監測機組運行情況，避免機組抬機量過高造成事故。

（4）在線監測系統有些數據偏大，特別是下導擺度的數據，可能是通道或者傳感器有些問題，建議在后續工作中將通道和傳感器進行校驗。

2.1.5多水頭試驗結論與建議

由于論文篇幅限制，其他6個水頭的分析過程不再重述，根據各水頭下的穩定性測試結果，綜合分析各水頭下的振動、擺度情況，初步確定大化水電站5號機組的振動區域，劃分數據詳見表1和圖6。

第一個振動區域為限制運行區，包含輪葉開度較小或尚未進入協聯區時，機組產生低頻振動或者效率低下的區域；還有振動區與穩定運行區的過渡部分區域。其區間范圍為表1中的“限制運行區1”和“限制運行區2”。第二個振動區域為“禁止運行區”，即機組的振動區，其區間范圍為表1中的“禁止運行區”。

根據試驗測試結果，確定大化水電站5號機組在目前情況下，機組運行性能最好的一個區間，區間范圍為表1中的“穩定運行區”。

日常運行中，應避開禁止運行區運行，盡量減少限制運行區的運行時間。

表1　機組運行區間表 單位：MW

圖6　機組運行區域分布圖

3　相對效率試驗分析

3.1試驗原理

由于水輪機絕對流量的測量須耗費巨大的人力和財力，且常常由于現場條件的限制，以致使測量結果達不到所希望的精度，所以測量水輪機相對效率就成為評價機組能量特性的一種行之有效和簡便的方法。簡言之，水輪機相對效率試驗就是不去測定水輪機流量的實際值而只通過測定流量的相對值，從而求得水輪機相對效率的一種方法。

對于大化水電廠具有收縮管的流道而言，當水輪機真實流量未知時，其收縮管流道的流量系數是無法求得的，此時測得的流量稱為指數流量。對于收縮管流道某兩個斷面而言，指數流量Q*可表示為：

式中K為收縮管流道的流量系數，h為兩個斷面之間的差壓值，故水輪機的指數效率η*可表示為：

式中γ為水的重度，H為機組的工作水頭，N為發電機功率，ηg為發電機效率。若全部試驗工況點中的最高指數效率以η*max表示，則相對效率η′即為任一試驗工況點的指數效率η*與η*max的比值，即：

這樣，未知的收縮管流道的流量系數K便可消去，從而求得各工況下的相對效率。式中：

N——任意試驗工況點的發電機有功功率（kW）；

h——任意試驗工況點的收縮管流道的差壓值（mm）；

H——任意試驗工況點的機組工作水頭（m）；

Nm——最高指數效率工況點的發電機有功功率（kW）；

Hm——最高指數效率工況點的機組工作水頭（m）；

hm——最高指數效率工況點時收縮管流道差壓值（mm）。

由以上測試原理可知，相對效率曲線與絕對效率曲線在形狀上是相同的，區別只在于其坐標位置的不同而已，故根據對機組進行定漿試驗時在各漿葉角度下獲得的最高相對效率值或指數效率值，可確定其最優協聯點。這里也需指出，由于各相對效率值是各指數效率值與全部試驗工況點中的最高指數效率值相比而得到，K、ηg值此時可消去，故相對效率與指數效率相差只是一個常數倍值,因此指數效率與絕對效率曲線在形狀上也是相同的，由此也可利用指數效率確定最優協聯點，在本試驗中即采用此方法確定最優協聯點。

根據ISBN 7-120-01844-2《水力機組現場測試手冊》、GB/T15613-1995《水輪機模型驗收試驗規程》及GB/T20043-2005《水輪機、蓄水泵和水泵水輪機水力性能現場驗收試驗規程》，本試驗選定蝸殼45°斷面為測流斷面，如圖7所示。

圖7　測流斷面

3.2試驗數據的計算及處理

3.2.1計算水頭Hdj[1]

在試驗過程中隨著導葉開度的變化，由于流速的不同，水輪機的工作水頭是在不斷變化的，可將試驗時在不同導葉開度下測得的工作水頭取其平均值作為某次試驗的計算水頭，即：

式中Hdj為某次試驗的計算水頭，Hdi為各導葉開度下實測的工作水頭，n為測取次數。

3.2.2計算流量Qi*[1]

在每個工況的試驗中可測得此工況的測流斷面間壓差值△hi，據式（1），再考慮到在相對效率η′的計算中K值可消去，此時可將K取為1，故指數流量Qi*為：

根據相似理論流量的換算規則，每工況下的計算流量Qdi*為：

式中Hd為某次試驗的計算水頭，Hi為試驗時某工況的實測工作水頭。

3.2.3計算功率Nd[1]

根據水輪機相似理論，將各工況試驗時所測得的功率Ni換算到計算水頭下，所得的機組有功功率即為計算功率，計算公式如下：

式中：Ndi——某試驗工況下的計算功率（kW）；

Ni——某試驗工況下的實測功率（kW）；

Hgi——某試驗工況下的實測工作水頭（kW）；

Hdj——某次試驗的計算水頭（m）。

3.2.4水輪機指數效率η*[1]

據式（2），可求得水輪機指數效率：

η*＝N/（γQ*H）ηg＝N/（γKh0.5H）ηg

3.2.5水輪機相對效率η′

據式（3），可求得水輪機相對效率η′。

3.2.6試驗成果

根據試驗測取參數，試驗得到以下成果：

（1）表2：各試驗水頭實測優化協聯關系。

（2）表3：協聯試驗成果應用表。

（3）圖8：各試驗水頭協聯狀態下的“指數效率曲線”。

（4）圖9：各試驗水頭協聯狀態下的“導葉開度與機組出力關系曲線”。

（5）圖10：各試驗水頭下的非協聯試驗得到的“實測最優協聯關系曲線”。

（6）圖11：插值計算“優化協聯曲線”。

3.3分析及評價

3.3.1出力特性

從圖9可以看到，機組具有較好的出力特性，在主要運行開度及運行水頭范圍內，機組出力特性較為平順，趨勢性較有規律，機組出力隨著運行水頭的提高而逐步增大，符合出力變化規律。

3.3.2效率特性

從圖8可看出，23.16m水頭區域水輪機效率較高，各水頭區域下的效率曲線具有較為平順、寬闊的良好效率特性。在60～90MW負荷區間機組效率較高。

3.3.3協聯特性

在非協聯狀態試驗時，根據當時的運行水頭先確定水輪機協聯關系的水頭整定值，然后在此水頭整定值下進行定導試驗。在每個定導角度，可在其最高指數效率區（一般為相鄰的兩個槳葉開度之間）獲得實測最優協聯關系的一組協聯點，由實測協聯點可得到各試驗水頭下的實測最優協聯曲線。由此可得到試驗水頭23.16m、25.22m、26.13m、27.23m下的實測最優協聯關系，詳見表2、表3。

表2　各試驗水頭實測優化協聯關系 單位：%

表3　協聯試驗成果應用表 單位：%

圖8　指數效率曲線

圖9　導葉開度與機組出力關系曲線

圖10　實測最優協聯曲線

圖11　優化協聯曲線

4　結語

本研究結論得出大化水電站擴建5號機組各水頭運行的振動區域、推薦運行區域和最優運行區域，為機組運行中避開振動區域提供數據支撐，可改善運行工況，減少機組振動對其它設備的影響，延長機組壽命；同時得到機組在各水頭下最優協聯曲線，測算應用后可提高機組出力效率約3%，按年發電量5億kW·h計算，可直接增加發電量1500萬kW·h/年，近400萬元的效益，產出投入比非常高，直接經濟效益顯著，同時該優化研究方法可在類似工程中借鑒應用。

[1]吳墑鋒，吳玉林，劉樹紅.軸流轉槳式水輪機性能預測及運行綜合特性曲線繪制[J].水力發電學報，2008（04）.

TV737

A

1672-5387（2016）11-0001-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.001

2016-09-07

王向偉（1986-），男，工程師/技師，從事設備管理、安全管理方面的工作。