大型軸流轉槳式機組導葉和槳葉協聯關系探討

祁英明，劉興勝，榮 紅

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京211100）

0 引言

軸流轉槳式水輪發電機組發電工況下，在不同的水頭下，分別明確地存在導葉和槳葉的配合關系即協聯關系；導葉和槳葉在該配合關系曲線上進行調節，可以高效率地實現功率增減。雙調機組均存在導葉和槳葉協聯關系，以尋求機組的最高效率和高效率區域。其數據源自主機廠的模型試驗數據，其具體實現由調速器根據主機廠提供的協聯曲線進行數據轉換，預設到調速器內部而完成。合理的協聯關系對提高機組運行的可靠性和經濟性（高效率）有非常重要的作用。

發電下的協聯關系是導葉和槳葉的配合關系的一種，在機組開機、停機和靜止態等，同樣需要兩者的密切配合，以實現最佳的控制需求。

1 協聯關系的實現及應用

1.1 協聯關系的定義描述

軸流轉槳式水輪機協聯由導葉開度Y、槳葉轉角Z、水頭H三者組成，協聯曲線是一個非線性的二元函數，即Z=f（Y，H），它描述了三者之間的關系[1]。為了獲得軸流轉槳式水輪機的最高效率和高效率區域，必須合理地選擇協聯關系，根據機組在各定槳工況下實測的效率特性曲線所繪出的包絡線，找出相應的開度和轉角之間的關系為實際協聯關系。若采用二元函數差值逼近的方法（神經網絡），可算出不同水頭H和不同導葉開度Y時的協聯函數值Z（即槳葉的轉角）。

協聯的實現分為機械協聯裝置（協聯塊）和電氣協聯裝置。電氣協聯裝置不僅可使調速器機械部分結構大為簡化，而且模擬精度高，便于水頭信號自動引入，還可按機組實際協聯關系進行調整，隨動誤差也小，因而可提高協聯精度和機組效率。

圖1為里底水電站協聯關系曲線。大部分協聯曲線槳葉數據為轉角，導葉為行程或轉角。該曲線須要包括最小、額定和最大3個水頭下的協聯數據。一般調速器需要7條水頭下的曲線，曲線如果較多，一般按照水頭均勻的原則選擇7條即可；如果曲線數量不足，則需差值擬合出其余曲線。

調速器一般不識別轉角或不采用轉角數據，需要轉換成槳葉開度。協聯曲線為圖形語言，調速器無法識別，需要根據曲線轉換成程序可以識別、計算的數據。表1為里底水電站轉換后的調速器協聯曲線數據表。

圖1 里底水輪機導葉和槳葉協聯曲線

我們可以根據主機廠提供的協聯曲線表，選出7條水頭對應曲線，除最大、最小和額定水頭外，其余4條水頭的挑選規則應盡量接近機組實際常用水頭。以槳葉每變化5%為梯度，每條水頭下取20個導葉開度點組成協聯數據表。發電態槳葉根據導葉的開度值進行插值運算（不同水頭下的協聯插值、不同導葉開度下的槳葉插值），從而算出對應的槳葉給定。

這里值得注意的是，在發電態，一般是槳葉給定跟隨導葉反饋，而非相反。這是因為導葉給定和導葉反饋在大調節過程中或導葉控制卡阻異常時，導葉給定和導葉反饋會存在偏差，這時，槳葉反饋和導葉反饋就會出現非協聯現象。其實槳葉給定和槳葉反饋也不可能在調節過程中完全一致，即便跟隨導葉反饋，在動態過程中，由于槳葉隨動系統靈敏度并非很高，也會出現協聯破壞現象。這種現象尤其是對一次調頻、孤網調節等快速、小波動的調節，起到的是副作用，此時跟隨導葉給定或保持不動反而利于調節。

1.2 導葉和槳葉關系的應用技巧

導葉和槳葉兩個關系在發電態之外的開機、停機、空載、靜止態也有不同的配合關系。

軸流轉槳式機組和調速器處在靜止態時，導葉全關，槳葉自動開啟至啟動角（啟動開度）。不同的機組啟動開度不同，數據源自主機廠。調速器接收到開機令，導葉根據預設的開機規律開啟到空載開度，槳葉則從啟動角關至0，或預留1%～3%的開度。此時啟動角的及時關閉可以讓機組快速升速，減少因低速而造成的機組磨損。機組和調速器在空載態時，調速器接收到停機令后導葉關閉到0，槳葉開到啟動角。此時的槳葉打開至啟動角，迅速形成泄流，減少水輪機出力，同時在轉輪室內形成水阻力，可以讓機組快速降速，也可以減少機組軸向升力從而盡可能避免抬機現象。

不同的機組槳葉啟動角不同，國內多為50%以下，在蘇聯某些電站槳葉啟動角高達100%。一般而言，槳葉啟動角不宜設置太大，因為槳葉的開關動作耗油很大，在機組開停機大幅度調節過程中，導葉也存在很大用油，可能會導致油壓過低、油泵長期啟動現象。

表1 里底水電站水輪機調速器協聯曲線數據表

在空載時，根據筆者經驗，槳葉啟動角可預留1個小開度。如果預留為0，一旦調速器槳葉傳感器漂移，導致槳葉全關時傳感器反饋數據比實際位置大時，這時調速器電柜上槳葉始終有個開度，為此調速器槳葉主配始終會試圖關閉槳葉到0。但槳葉實際已全關，這樣槳葉關閉腔通壓力油，開啟腔通回油。這時，如果一旦需要開啟槳葉協聯，槳葉主配瞬間開啟，槳葉主配、管路會存在較大的“油錘”沖擊、槳葉遲滯和過油噪音現象。這對機組和調速器都是不利的、不必要的、可以避免的。另外預留1個小開度，也減輕機組軸向受力，利于機組安全。

機組處在發電態，導葉為空載開度，槳葉為0或1個小開度。隨著負荷需求的不斷增加，導葉逐漸增加，增加到一定開度即協聯開度時，槳葉開始跟隨增加。軸流轉槳機組常見的現象為受油器竄油導致的油泵打油頻繁問題，打油頻繁又帶來油溫過高、油粘度變小、內泄加大、泵油效率低下等惡性循環。根據筆者經驗，一般油溫高于45℃，若無人干預，溫度會呈現發散現象。為此，調速器在槳葉控制環節、主配間隙配合上人為設置一些死區。比如，里底電站槳葉控制方面，設置了退出死區2%和進入死區1%。即，槳葉給定和反饋偏差超過2%時，槳葉開始調節，調節至1%以內時，槳葉輸出為0V，不再電氣控制輸出，這時主配復中。在無外部調節指令下，可保持槳葉開度較長時間的穩定。

在機組手動控制時，若在發電態，只需將導葉切手動，槳葉自動。運維人員操作導葉增減，槳葉自動跟隨協聯變化。手動開機時，一般是一人操作，為了簡單、不易出錯，一般是首先手動將槳葉關閉至0或1個小開度，保持手動；然后手動開啟導葉至額定轉速即可。

在做過速試驗時，尤其是大型軸流轉槳機組，機組慣性大，轉速不易提升。這時不僅僅只開啟導葉，槳葉也需進行相應的操作。過速試驗一般為一人操作完成，試驗前需根據過速的目標和當前水頭，大致計算出導葉和槳葉在哪個開度可以實現過速。比如導葉開至65%，槳葉50%。一般試驗方法為：首先手動開機至額定轉速（空轉），待機組穩定后，將槳葉手動開啟至50%；這時轉速會下降，導葉適當調整到額定左右。然后，根據統一指令，開啟導葉直至機組過速。如果此時槳葉關閉為0，轉速是無法提升至65Hz以上，同時對機組傷害極大。

事實上，導葉開度在協聯開度以內，槳葉越小越利于轉速提升；但隨著導葉開度超過協聯開度，槳葉仍不開啟，這時機組出力效率降低，不利于轉速上升，需要及時將其開啟。

做甩負荷試驗，小型軸流轉槳機組或貫流機，容易低頻滅磁、抬機等。這固然由于機組特性關系，同樣和槳葉關閉規律和關閉時間、開啟時間有很大關系。槳葉關閉過快，容易抬機，如果槳葉關閉過慢，很長時間轉速無法拉起，轉速下壓會很低。也有部分主機廠提出，在甩負荷的前段時間，槳葉保持不變甚至開啟，待機組轉速升至最高后，槳葉再依據主配的調整速率關閉。

2 協聯關系的優化

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，由調速器廠家通過程序自動協聯，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，影響水輪機的效率及運行穩定性[2]。協聯曲線是否合理，主要看是否在一定水頭范圍內帶滿負荷，機組振動、擺動數據是否合格，如果滿足，即簡單認為曲線是正確的。但正確的曲線，并非是最優曲線。由于協聯關系與水頭密切相關，優化的第一個難度就是每段時間內很難滿足各個水頭的試驗前提。第二是在每個水頭下，需要做20個負荷點下的負荷變動，調度協調難度大，但事實上仍然可以做到。

協聯曲線優化總的方法為：需要1臺專業的機組振動擺動測試儀和各類振動、擺動傳感器。首先進行各類傳感器安裝，完成后傳感器采樣校驗、通道配置、錄波標定。之后在機組并入電網運行，不同的水頭下，依據原有的協聯關系，進行導葉和槳葉開度調整，在機組水導振動和機組有功功率之間尋優，以確定最佳的協聯關系。

優化方案為：試驗前將試驗水頭調整至需試驗水頭，并在試驗過程中保持機組功率因素為額定值。試驗時，導葉開度分別穩定在空載開度至滿負荷開度調節若干個開度，每個導葉開度工況點手動調節槳葉開度，在原協聯點附近單向調節5～6個槳葉開度，每個工況點穩定3～5min時間。協聯關系優化后，為進一步優化機組的運行情況，視機組振動擺度情況，可適當進行動平衡處理。

3 軸流轉槳機組調速器部分控制技術

機組的開機停機中，導葉和槳葉的動作規律主要由調速器完成。主機廠一般只給出開關最大速度和啟動角，具體的開機規律一般由調速器根據廠家自身經驗決定。最佳的開機表現為：開機迅速（不是必須要求）、頻率超調小、利于空載頻率收斂和并網等。

圖2為里底水電站開機規律：調速器接收到開機令，當頻率＜40Hz，導葉開啟到空載開度加10的開度，當40Hz＜頻率＜47.5Hz，導葉開度減少到空載開度，當頻率＞47.5Hz時，進入PID調節。調速器采用了2段開機，開啟的開度和斜率都是不同的。第一段迅速開啟，目的在于克服機組慣性，使機組旋轉起來；待機組旋轉后，導葉緩慢爬升至空載開限，這樣可以降低葉片受力，轉速上升平緩，待轉速大于95%時，調速器由開機轉入空載態。

圖2 里底水電站調速器自動開機試驗錄波圖

機組停機時，導葉關閉，槳葉開啟，由于機組存在抬機現象，需要確定導葉自動關閉的斜率（非主配最快關閉時間，程序可設），以及槳葉何時開啟。經過現場多次試驗尋找，槳葉開啟時的條件時候最好是在轉速低于40%開啟，這樣最有利于減少抬機量。同時，導葉關閉斜率適當減小。

里底水電站一次調頻試驗，進行了槳葉在自動和手動，以及在自動時設置時區和不設置死區的各項對比測試；也進行了增強型和普通型一次調頻，大頻差階躍下的功率反調、水壓波動測試對比，獲取了寶貴經驗。由于水頭對雙調機組重要性影響，里底電站對水頭的濾波、計算、賦值等方面做了很多研究，增強了可靠性、穩定性、精準性。不再一一論述。

4 結語

軸流轉槳式機組不同于混流式機組的特點、難點，尤其是導葉和槳葉配合關系、協聯關系，仍然還有很多工作值得深挖、改進。協聯關系的優化如何，將直接影響到水輪機的效率和出力的發揮。新裝機組的效率和出力是否能達到保證值要求之前，需提供最大條件來驗證水輪機制造廠家提供的協聯關系是否最優，然后才能以此為條件開展轉槳式水輪機能量特性的測定工作。