燈泡貫流式水輪機導葉與槳葉協聯關系探討

熊建平，陳燕新，陳梁年

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

保持導葉開度與槳葉開度協聯關系是燈泡貫流式水輪機運行的基本要求，直接關系到水輪機運行的效率、機組的穩定性及使用壽命。燈泡貫流式水輪機水頭低，水頭波動相對水頭所占百分比較大，容易引起機組負荷的較大波動，也可能產生異常的振動和噪聲。

實際工程中，燈泡貫流式水輪機應注意保證在合同規定的水頭及功率限制范圍內運行，并盡可能使運行工況為協聯工況或接近協聯工況，以充分利用水能，避免異常的振動和噪聲，滿足水輪機空化性能要求。有的水電站由于運行人員對協聯工況的理解存在偏差，機組運行經常嚴重偏離協聯工況，導致水輪機出現異常的振動、噪音及空化現象，嚴重危害電站的安全穩定運行。

下面將從多個方面對燈泡貫流式水輪機導葉與槳葉協聯關系相關問題進行探討。

2 導葉與槳葉協聯關系含義

導葉與槳葉協聯關系可根據電站所用水輪機模型綜合特性曲線來進行相似換算確定。

2.1 根據GB相關標準理解導葉與槳葉協聯關系的含義

GB/T 15468-2006《水輪機基本技術條件》中對導葉與槳葉的協聯關系沒有明確定義，但在該規范的3.10.4款中對水輪機模型綜合特性曲線定義時，明確綜合特性曲線“繪在以單位轉速和單位流量為縱坐標系統內，表示模型水輪機效率等性能的等值曲線，對于特定電站應表示出運行范圍。”，并且“對于導葉和槳葉雙調節的水輪機還應表示出協聯工況下導葉開度、葉片轉角和空化系數的等值線”。

據此，燈泡貫流式水輪機導葉與槳葉的協聯關系可理解為水輪機模型綜合特性曲線中某一單位轉速n11（對應電站某一水頭）下水輪機具有某一效率時所對應的導葉開度、槳葉開度。如圖1所示，實際上，在水輪機模型綜合特性曲線范圍內任何一點的導葉開度α、槳葉開度β都是協聯關系工況點，該工況對應的是某一單位轉速n11、單位流量Q11、水輪機效率值η、空化系數σ等，這些值可從曲線中插值得到，并可換算為原型水輪機相關參數。

2.2 根據綜合特性曲線繪制方法理解導葉與槳葉協聯關系的含義

我們從水輪機相關教科書中可以清楚地知道水輪機模型導葉與槳葉的協聯曲線是如何繪制在綜合特性曲線中的。下面以圖2示例作簡要說明。

圖2 某一單位轉速時試驗測量確定導葉與槳葉協聯關系示例

模型試驗時，針對某一單位轉速n11（對應電站某一水頭），在每個槳葉開度β時進行不同導葉開度α的模型效率試驗，所得的數據可繪制圖2所示水輪機效率η包絡線，該線上任何一點所對應著一個協聯工況點，該協聯點所對應的水輪機效率η、導葉開度α、槳葉開度β、水輪機單位流量Q11等可以通過數據插值得到。

圖2僅示意了3個槳葉開度。為了繪制出準確的、完整的效率包絡線，應在數量足夠的不同的槳葉開度下進行不同導葉開度工況點試驗，采集足夠的模型試驗數據點，以確保能利用計算機編程實現曲線的精準繪制及得到可靠的數據插值。

同樣在不同的單位轉速（對應電站不同的水頭）重復進行上述試驗測量，可得到對應的效率包絡線，利用這些效率包絡線及插值得到的協聯工況點數據，可繪制出圖1所示水輪機模型綜合曲線，包括等效率曲線、等導葉開度線、等槳葉開度線等。

從圖2所示效率包絡線中b點及f點的效率示意，可以清楚地表明，在槳葉開度為小開度或大開度時水輪機協聯工況時協聯工況點的效率并不一定是該槳葉開度下的最高效率，但均接近最高效率。這也為電站現場進行協聯試驗尋找協聯工況點提供了依據。協聯試驗時可在某一水頭下，不同槳葉開度時依據模型綜合特性曲線換算得到的原型導葉開度附近進行不同導葉開度下的相關試驗。

2.3 水輪機運轉綜合特性曲線中的導葉與槳葉協聯關系

電站水輪機運轉特性曲線是根據其模型水輪機綜合特性曲線進行換算而繪制的，如圖3所示，其中也包括了對應的導葉與槳葉的協聯關系。圖中可以直觀地找到某一水頭下水輪機不同功率的工況點（也即協聯工況點）對應的導葉開度、槳葉開度。運轉特性曲線中的導葉開度、槳葉開度表示方式一般與水輪機模型綜合特性曲線中的表示方式一致，如：圖3采用角度表示，也可用開口值表示。

圖3 某電站水輪機運轉特性曲線示例

2.4 水輪機導葉與槳葉協聯曲線繪制及理論延展優化

將水輪機運轉特性曲線中的導葉開度、槳葉開度協聯關系分別換算成電站導葉相對開度與槳葉相對開度的協聯關系曲線，如圖4所示。圖中導葉相對開度是指水輪機的導葉開度換算到導葉接力器行程并除以導葉接力器總行程的百分比、槳葉相對開度是指槳葉開度換算到槳葉接力器行程并除以槳葉接力器總行程的百分比。

圖4 電站水輪機導葉與槳葉協聯關系曲線及理論延展優化示例

圖4中的橢圓虛線框內包括的部分是協聯曲線優化延展，即把導葉相對開度及槳葉相對開度均延展到0開度（導葉、槳葉全關位置），實際上這增加的部分是沒有進行模型試驗的，不能從模型綜合特性曲線中得到。這樣做的好處是便于調速器從導葉及槳葉全關開度至協聯工況開度的平穩過渡，不會突然從全關位置跳轉到較大的導葉開度及槳葉開度，避免機組在這些過渡工況產生劇烈振動。

要注意的是，協聯曲線中一般標有水輪機最小功率限制線、額定功率限制線、最大功率限制線。對于水輪機最大功率與額定功率相同的機組，高于額定水頭的最大功率限制線與額定功率限制線重合。機組應禁止在最大功率限制線（額定功率限制線）外運行，同時盡量避免長時間在最小功率限制線以下運行。實際機組運行時以給定不同水頭下機組功率（發電機功率）范圍的方式來限定（注：機組功率Nf=水輪機功率Nr×發電機效率ηf）。

3 協聯關系曲線中水頭的正確理解

在清楚上述導葉開度與槳葉開度的協聯關系含義后，只有正確理解導葉與槳葉協聯關系曲線中水頭的含義，才能較準確地給定調速器所用協聯數據對應的水頭，使機組運行時能處于協聯運行工況或接近協聯運行工況。

3.1 協聯關系對應的水輪機水頭的含義

GB/T 15468-2006《水輪機基本技術條件》中對水輪機水頭的定義是：“水輪機做功用的有效水頭，為水輪機進、出口斷面的總單位能量差”。我們常將這一有效水頭俗稱為凈水頭。

水輪機凈水頭是水輪機進口和出口的比能差。從原理上來說包括三個方面，進出口測量面壓力勢能差（即差壓變送器測量值）、進出口測量面相對于基準面高程差和進出口測量面動能差。

在模型試驗時，采用電磁流量計精確測量機組各工況下的流量，在精確計算進出口斷面面積的基礎上，計算得到進出口斷面流速，因此可精確計算水輪機凈水頭。而水輪機模型綜合特性曲線上的單位轉速即是由此凈水頭換算得到的。

圖4中導葉與槳葉協聯關系曲線中的水頭是水輪機凈水頭，如果電站水頭給定與協聯曲線中的水頭不能對應，則按圖4給定的協聯關系，實際上是不可能在協聯工況下運行的。

有的技術文件中把電站水輪機的進出口斷面的壓力差的差壓變送器描述為“測量水輪機凈水頭的差壓變送器”，這本身并不能算錯，但如果直接把它測量得到的壓力差等同于水輪機協聯關系曲線中的水頭則是有偏差的、不適合的。該壓力差是壓力勢能差，并未考慮動能方面的影響因素。如果要將此值引入調速器當作凈水頭使用，則需要根據凈水頭含義結合其他測量參數進行相關換算才可能。

另外，差壓測量數值受測壓管長度、彎頭數量、殘留氣體雜質、測壓座是否堵塞及水壓波動等因素影響，與實際數值可能存在較大偏差，并且對于同一電站的不同機組在同一時刻所得到的壓差值也可能各不相同，難以采信，一般僅作為進出口壓力變動的參考值，建議不要使用。

3.2 燈泡貫流式水輪機凈水頭的常用給定方式

從燈泡貫流式機組實際運行來說，水輪機運行水頭（凈水頭）通常可采用“凈水頭=毛水頭-進出口水力損失”來給定，即“凈水頭=上游水位H1-下游水位H2-水頭損失ΔH”。這里的水頭損失是指上游水位到機組進口測壓斷面之間、尾水管出口測壓斷面至尾水下游水位之間由于流道的原因引起的額外水力損失，主要是指機組進口攔污柵至進口測壓斷面之間的水力損失，尾水管出口閘門處引起的水力損失也可適當考慮。

根據貫流式水輪機電站現場協聯調試經驗，一般水頭損失ΔH可取一個定常值，由于電站實際不同及各機組安裝位置不同，可給定的水頭損失可略有差異，這主要是由于電站的各臺機組安裝位置不同而可能引起的實際尾水位存在差異所致，具體給定水頭損失值可最終根據水輪機現場協聯調試試驗來確定。

通常一段時間內，上、下游水位是相對穩定的數值，水位測量的變送器裝在水位相對平穩的位置，能實時反映電站上、下游水位的變化，上、下游水位差送去一個恒定的水力損失，得到的“凈水頭”值是較穩定值，接近水輪機真實凈水頭。

要注意的是當進口攔污柵阻塞嚴重，攔污柵前后水壓差超出一定值時，應及時進行清理，否則給定的水頭將偏差真實凈水頭較大，也即導致水輪機運行工況與協聯運行工況偏差較大。

4 現場協聯調試及優化方法

燈泡貫流式水輪機應按廠家給定的導葉與槳葉協聯關系運行，并且水頭采用廠家認可的方式給定，以便水輪機實際運行盡可能接近協聯工況。由于大中型燈泡貫流式水輪機大多進行全流道模擬的模型試驗，原型水輪機協聯關系是通過模型換算（包括進行導葉接力器行程與導葉開度換算、槳葉接力器行程與槳葉開度換算）得到的，精度非常高，理論上可不進行優化調整。

工程實際中，由于水頭測量或給定不準確、水輪機制造偏差及流道差異等其他原因，如：原型水輪機與模型水輪機存在相似性偏差、導葉及槳葉加工及安裝存在偏差等。一般還是建議電站進行協聯優化調整試驗，對協聯曲線進行修正 。

燈泡貫流式水輪機現場協聯試驗一般采用固定槳葉開度，改變導葉開度的方式進行（方法1），也可以采用固定導葉開度、改變槳葉開度的方式進行（方法2），方法1是模型試驗時常用方式，方法2用在大導葉開度時比較方便。下面僅對方法1調試試驗及相關要求進行簡單說明。

4.1 協聯調試基本條件及要求

協聯調試前應進行必要的準備和檢查：

（1）電站水頭及上、下游水位滿足機組規定的運行范圍要求；

（2）機組及相關設備工作正常，用于試驗的所有表計應標定合格；

（3）調速器工作正常，無異常抽動現象；水輪機凈水頭信號引入調速器后就能夠按廠家給定的協聯曲線運行；

（4）停機狀態下進行復核檢查，確認調速器中保存的協聯數據與制造廠提供的協聯曲線或數據一致；

（5）機組協聯試驗時其他機組宜停機或帶部分負荷運行，以避免上、下游水位的波動偏大，滿足水頭的波動應不超過平均值的±1%要求；

（6）試驗應具備充分的安全措施。

4.2 協聯關系優化前驗證試驗

協聯調試試驗前應進行必要的協聯驗證試驗：

（1）調速器協聯自動，開機并網，帶負荷，從導葉、槳葉小開度到大開度，選擇數個合適點驗證，記下每個驗證點的上下游水位、導葉開度、槳葉開度、機組負荷。

（2）根據機組負荷、振動和噪聲情況，綜合分析，確認是否需要優化協聯關系。

4.3 協聯調試及協聯優化

協聯調試試驗及協聯優化的步驟：

（1）根據電站上、下游水位，給定水頭（水頭H=上游水位－下游水位－ΔH）對照廠家給出的協聯曲線進行調試，ΔH由廠前事先預給定，試驗后可進行必要調整。

（2）調速器在給定水頭下自動協聯。打開導葉，槳葉隨動至指定的槳葉相對開度后，改現地手動操作，保持槳葉相對開度不變，在此時的導葉相對開度的附近可通過手動緩慢開啟或關閉導葉，調整導葉相對開度，仔細尋找機組負荷較大、振動最小、噪聲最輕的工況點，并記錄該點上下游水位、導葉開度、槳葉開度、機組負荷、導軸承（包括發導和水導）水平及垂直振動、合同規定測試位置的噪音等。

（3）協聯改自動。打開導葉，槳葉隨動至下一個指定槳葉相對開度后，再改手動，保持槳葉相對開度不變，開啟或關閉導葉，按（1）～（2）的步驟尋找該點最佳協聯數據。

（4）要注意的是調試時應優先考慮機組運行的穩定情況。結合協聯關系曲線中給定的水輪機功率限制線，注意保證機組功率不得超出電站機組規定的最大功率，防止意外損害水輪發電機組。

（5）根據協聯調試數據，進行計算分析，作成圖5所示試驗曲線，確定各槳葉開度下協聯關系的導葉開度。從圖5可以清楚地看出，在某一槳葉開度β時調節導葉開度，其中協聯的效率曲線上的效率點不一定是該槳葉開度時的最高效率點，但至少是接近最高效率點。

圖5 某水頭下水輪機效率與功率關系協聯試驗示圖

（6）將（5）中得到的協聯關系繪制到廠家給出的協聯曲線中進行對比，以確定協聯關系調整的趨勢。

（7）根據多個水頭下協聯優化的規律，對廠家給出的原協聯關系各水頭下曲線進行優化，并輸入調速器中。

5 協聯關系相關問題研討

5.1 調速器輸入水頭選取誤區

調速器輸入的水頭應與廠家給出的水頭定義相當。如果電站水頭給定不準確，則按廠家給出的協聯曲線運行顯然是達不到協聯運行的要求的，甚至運行在振動較大、噪音異常、空化嚴重的工況。因此，需要重視并避免水頭給定的誤區，如：把機組進出口斷面壓差直接當作電站凈水頭的方式。

實際上，我們通過同一時刻觀察、記錄電站多臺機組進出口斷面的變送器壓差可能看到，各臺機組壓差可能都存在較大的差異，這是由于測量管路安裝、測差頭是否堵塞等多種因素的差異造成的。另外，機組運行一段時間后若測壓管路出現局部堵塞情況也將導致變送器壓差出現誤差。可見，從多方面來分析，均不應當把進出口斷面壓差直接當作低水頭的貫流機水頭輸入調速器。

5.2 調速器自動水頭輸入及自動協聯可行性

調速器水頭按照“H=上游水位-下游水位-ΔH（給定某一恒定值）”給定，ΔH一般由廠家預給定，按此方式接入水頭信號，調速器按此得到的水頭在廠家給出的協聯關系曲線上采用計算機計算插值的方法運行在導葉開度與槳葉開度匹配的各協聯工況點。

考慮到上下游水位的實時波動，調速器可設定水頭波動在某一范圍內時不進行調節，避免導葉、槳葉的不停抽動，實際上可理解為在上、下游水位小波動范圍內為近似協聯運行，這樣也便于運行工況的相對穩定。

目前，國內調速器廠家大多能達到上述水輪機水頭輸入給定要求。調速器采用自動采集輸入的方式是可行的。這樣可以減小電站運行操作人員手動給定水頭的工作量，如果手動給定水頭，則必須要求電站運行操作經常關注水頭的變化情況，以保證機組盡可能運行在接近協聯運行的工況。

5.3 同一電站不同機組協聯關系中水頭損失設置差異

由于上、下游水位測量的變送器設置在水位波動較小、方便安裝的位置，又由于同一電站各臺機運行時下游尾水管實際尾水位受到邊岸、擋水墻等的影響而有所不同，各機組實際運行水頭可能是有差異的，所以可采用不同的ΔH取值來進行調整。ΔH的實際取值，可通過電站現場協聯調試試驗來最終給定。

5.4 機組各運行水頭下功率限制的嚴格控制

機組在不同水頭下運行時，特別需要注意的是，電站應充分考慮機組運行功率限制線，包括各水頭下最大功率及最小功率，并有效地進行實際運行控制。例如：在低于額定水頭又與額定水頭相差不多的水頭運行時，加大導葉開度、槳葉開度，可能仍然達到額定功率的，但這時可能空化情況嚴重，機組振動、噪音也可能明顯增大，也可能由于該處效率變化大、工況不穩而導致機組負荷周期性出現較大的波動，這將縮短機組壽命，甚至危害電站安全穩定運行。避免在此類工況運行的方法是充分考慮該水頭下的功率限制、適當減少負荷運行。

5.5 機組負荷周期性波動原因分析

電站在某些工況下運行時，機組負荷可能產生明顯的周期性波動，個別電站有某種工況下可能出現波動較大的情況。現對其原因分析如下：

機組負荷的基本計算公式為：

Nf=Nr×ηf=γ×H×Q×ηt×ηf

其中，Nf— 機組功率（kW）；

Nt—水輪機功率（kW）；

ηf—發電機效率；

ηt—水輪機效率；

γ—水的比重（9.81 kN/m3）；

H—水頭（m）；

Q—流量（m3/s）。

從上述公式中可見，機組負荷在某一時段內周期性波動較大的原因無非是水頭H、流量Q、水輪機效率的變化較大造成的（在機組某一功率附近，可把發電機效率當作一恒定參數來對待）：

（1）協聯關系的不斷調整：上、下游水位波動較大，調速器為了機組發某一預定功率而發出指令，頻繁調整導葉開度、槳葉開度，導致實際水頭（壓差）變化較大、流量變化較大，導致負荷的周期性變化；

（2）工況水力不穩定，周期性變化較大：水頭給定不準確、水輪機偏離協聯工況運行、機組在機組運行范圍外運行（包括在水輪機功率限制線外運行），均可能導致運行工況不穩定，從而使負荷周期性變化較大；

（3）進水口攔污柵影響：由于機組長時間運行后攔污柵沒能得到及時處理，水頭測量與實際水頭偏差較大，或者堵塞物使進口水流發生周期性變化，這都可能導致水頭變化或水輪機嚴重偏離協聯工況運行，使機組負荷產生周期性變化；

（4）尾水出口建筑物設置或障礙物影響：由于機組尾水管出口建筑物或障礙物對水流的影響，導致尾水管出口水流壓力周期性波動，使實際水頭周期性變化。如：某電站在尾水閘門后上側設置了魚道，經觀察，在某工種工況下，魚道橫梁對尾水出流產生了周期性阻礙，可以看到此時水浪周期性反沖魚道橫梁，導致尾水出口壓力產生了較大的波動，此時，機組負荷波動非常明顯。

5.6 機組異常振動噪音相關分析及改善

從可查閱到的目前國內外燈泡貫流式機組的相關論文以及我公司一些電站機組協聯調試經驗來看，機組協聯與振動、噪音存在一定的關系，協聯工況運行時機組振動、噪音相對較小，但偏離協聯工況較多運行時往往振動、噪音較大，甚至異常增大。因此，電站應盡可能使機組協聯或接近協聯運行。另外，在水輪機合同規定運行范圍外或是電站上游蓄水位還未達到合同要求時，機組運行也可能導致異常的振動和噪音，此時導葉與槳葉的開度也可能不能直接從水輪機模型綜合曲線中得出，因此也無所謂導葉與槳葉協聯工況運行，此時對導葉與槳葉開度進行適當的調整是必要的。

電站機組如果出現異常振動、噪音，其改善對策需要進行針對性的檢查、試驗研究才能確定。可能的檢查、改善措施如下：

（1）檢查確認機組在合同規定的運行范圍內運行，并且機組在協聯或接近協聯的工況運行。另外，應確認機組運行時電站上、下游水位是否在合同規定的范圍內。注意運行工況應嚴格控制在機組功率的限制范圍內，并協聯運行，既充分發揮水輪機的水力性能，又有效降低機組的振動、噪音，保證機組的使用壽命。

（2）導葉和槳葉不宜頻繁調節，運行工況應保持相對穩定，避免機組流態紊亂，機組負荷波動較大。對于燈泡貫流式水輪機，水頭變化相對水頭占較大比重，如果水頭產生了較小的變化，就進行水輪機導葉、槳葉的調整，以達到某一給定的功率，則機組可能需要頻繁調節，此時，應給定水頭變化達到一定值（需考慮協聯影響，由廠家給定）時再發出導葉、槳葉調節指令的類似調節方案，避免頻繁調節。

（3）檢查確認機組進、出口流道是否對水流有異常阻礙，以排除流道原因產生的異常情況。

（4）機組正常運行做負荷調節時，導葉的開關速率可以適當降低，以配合槳葉的開關速率讓機組負荷變化過程中盡可能都很好的協聯運行，避免機組負荷大波動調整時，出現失協聯振動以及逆功率調節現象。

（5）如果同一電站多臺機組中僅某臺機組出現了異常振動及噪音，則還需要對轉輪各槳葉的制造組裝角度的一致性進行復查，確保符合設計要求。如：國內某高水頭燈泡貫流式電站曾經出現一臺機因為各槳葉組裝角度不一致的原因產生水力不平衡導致的異常振動、噪音。

6 結語

燈泡貫流式水輪機導葉開度與槳葉開度保持協聯關系是電站機組運行的基本要求，協聯關系的正確理解、協聯使用水頭的正確設定是關鍵。本文從模型水輪機及原型水輪機的導葉與槳葉協聯關系的含義進行了較詳細說明，對現場協聯調試及優化方法進行了介紹，同時對協聯關系相關問題進行了研討，供貫流式水輪機設計、運行相關人員參考。