燈泡貫流式機組低負(fù)荷協(xié)聯(lián)優(yōu)化與實踐

湖南五凌電力科技有限公司 時志能 五凌電力有限公司 姚佳軒 劉立平

1 前言

某電站由右岸廠房、船閘、溢洪道等樞紐建筑物組成，工程以發(fā)電為主，兼顧航運等綜合效益。廠房內(nèi)安裝有4臺18.5MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為74MW，水庫正常蓄水位87.5m，死水位86.5m，水輪機額定出力19.07MW，最大水頭9.5m、最小水頭3.5m、額定水頭6.1m，額定轉(zhuǎn)速93.75r/min，額定流量351.5m3/s。

電廠自投運以來，機組水導(dǎo)軸承振動超標(biāo)問題尤為突出，尤其當(dāng)機組運行在高水頭、導(dǎo)槳葉小開度的低負(fù)荷工況，具體表現(xiàn)在：協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線缺少40%以內(nèi)導(dǎo)葉開度的相關(guān)數(shù)據(jù)，直接造成低負(fù)荷工況下水輪機因協(xié)聯(lián)關(guān)系不佳、機組穩(wěn)定性狀況差，隨著運行時間的推移，轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)固定螺栓斷裂、轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)漏水等問題日益凸顯；因流域性枯水期的周期長、下游生態(tài)流量要求，機組經(jīng)常處于高水頭低負(fù)荷運行工況，運行條件短期內(nèi)無法更改，其安全運行受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，常規(guī)運維工作逐漸增多，間接影響到電廠的綜合效益。

2 機組低負(fù)荷振動原因分析

水力干擾、機械干擾和電磁干擾是引發(fā)水電機組振動超標(biāo)的主要原因[1]，根據(jù)振動產(chǎn)生的特性，機械干擾主要由振動部分的質(zhì)量不平衡力產(chǎn)生，一般可通過機組變轉(zhuǎn)速測試進(jìn)行判定，常表現(xiàn)為軸線不對中、質(zhì)量不平衡等；電磁干擾則主要由不平衡的磁拉力產(chǎn)生，一般可通過機組變勵磁測試查找原因，常表現(xiàn)在定轉(zhuǎn)子間隙不均勻、圓度不達(dá)標(biāo)等方面；水力干擾是目前困擾水電機組穩(wěn)定運行的主要因素，常見的如尾水管低頻渦帶、過流部件的不均勻流動、卡門渦列等。

從變轉(zhuǎn)速和變勵磁的測試結(jié)果來看，機組主要部件的振動、擺度增幅不明顯，造成機組不穩(wěn)定運行的主要原因為水力干擾。結(jié)合電廠實際運行情況，當(dāng)機組處于高水頭、低負(fù)荷運行區(qū)時，主要振動測點的頻率為一倍轉(zhuǎn)頻，而卡門渦多引發(fā)高頻振動、尾水管渦帶多引發(fā)1/6～1/3轉(zhuǎn)頻的低頻壓力脈動，基本可排除卡門渦列、尾水管渦帶是誘發(fā)的機組振動超標(biāo)的主要因素。

貫流式水輪機因其槳葉可根據(jù)導(dǎo)葉出流角的變化變換角度，使水輪機盡可能的處于高效運行區(qū)域，當(dāng)水輪機的協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞或設(shè)置不合理時，常會惡化機組的運行狀況[2]，如：某貫流式機組因協(xié)聯(lián)曲線不正確導(dǎo)致水導(dǎo)振動超過標(biāo)準(zhǔn)要求的4倍；某軸流轉(zhuǎn)槳式機組因槳葉操作結(jié)構(gòu)部分失靈，協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞導(dǎo)致其主要振動、擺度峰峰值超過歷史記錄平均值的2倍，最終被迫采用定槳運行方式度過主汛期，不僅限制了電廠當(dāng)年度的發(fā)電效益，也縮短了機組的大修周期[3]。

3 協(xié)聯(lián)優(yōu)化評價策略

模型試驗確定的協(xié)聯(lián)關(guān)系主要考慮水輪機的能量特性[4-5]，工程實踐表明，機組在實際運行過程中往往存在著穩(wěn)定性與出力相互矛盾的現(xiàn)象，如經(jīng)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，機組出力可能明顯提升，但其穩(wěn)定性卻進(jìn)一步惡化；機組穩(wěn)定性得以改善，但其出力、效率下降明顯。鑒于此，因機組振動超標(biāo)主要集中在高水頭的低負(fù)荷運行區(qū)域，此時上游的流域來水相對有限，在兼顧效率、出力和穩(wěn)定性的同時，優(yōu)先考慮機組的穩(wěn)定性。

4 水輪機協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化實踐

4.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系對比

“原始”曲線為主機廠根據(jù)模型試驗結(jié)果提供的數(shù)據(jù)，“投運”曲線為電廠運行人員根據(jù)經(jīng)驗修正后的實際運行曲線，“實測”曲線為機組運行工況下的試驗測試數(shù)據(jù)。由圖1可知，實測8m水頭下協(xié)聯(lián)曲線與其“投運”協(xié)聯(lián)曲線趨勢基本一致，但在給定導(dǎo)葉開度下，其槳葉開度之間存在明顯差異，實測槳葉開度明顯大于當(dāng)前投運協(xié)聯(lián)曲線數(shù)值。由圖2可知，實測9m水頭下協(xié)聯(lián)曲線與其“投運”協(xié)聯(lián)曲線趨勢基本一致，給定導(dǎo)葉開度下槳葉開度之間誤差較小，考慮調(diào)速器的死區(qū)等固有特性，兩者數(shù)據(jù)基本吻合。

圖1 水頭8m聯(lián)數(shù)據(jù)對比

圖2 水頭9m協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)對比

4.2 優(yōu)化前、后協(xié)聯(lián)關(guān)系分析

由圖3和圖4可知，優(yōu)化后8.22m水頭下的協(xié)聯(lián)曲線在導(dǎo)葉開度＜35%區(qū)域、65%＜導(dǎo)葉開度＜90%區(qū)域，相對于“投運”數(shù)據(jù)均有所減小；在35%＜導(dǎo)葉開度＜65%區(qū)域，相對于“投運”數(shù)據(jù)有所增大，且優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)曲線更為平順。優(yōu)化后9.13m水頭下的協(xié)聯(lián)曲線與“投運”曲線基本相同，與“投運”數(shù)據(jù)相比，優(yōu)化后的協(xié)聯(lián)曲線在0%～50%區(qū)域、50%～80%導(dǎo)葉開度區(qū)域，其槳葉開度均略有減小。

圖3 水頭8m優(yōu)化前、后協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)對比

圖4 水頭9m優(yōu)化前、后協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)對比

4.3 主要振動點數(shù)據(jù)分析

由表1可知，8m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前，其低負(fù)荷區(qū)域（功率＜6MW）時，燈泡頭水平振動、組合軸承徑向水平振動、水導(dǎo)軸承徑向水平振動峰峰值隨著負(fù)荷降低而增大；協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，各測點的振動情況得以改善，均在規(guī)范允許值的范圍內(nèi)，特別是水導(dǎo)軸承徑向水平的振動幅值由129μm降至64μm左右。

表1 水頭8m和9m優(yōu)化前、后的主要振動點數(shù)據(jù)對比

9m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前，其主要振動測點隨負(fù)荷增加先增后降，在6MW附近存在極大值；協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，機組各主要振動點峰峰值均有不同程度的降低，燈泡頭水平振動由64降低到47μm，水導(dǎo)軸承水平振動由145μm降低到88μm，且均滿足規(guī)范的允許要求。此外，針對9m水頭的中低負(fù)荷工況（導(dǎo)葉開度30%～50%），通過優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系，在近似導(dǎo)葉開度工況下，機組有功得到顯著提高，在30%工況下有功提升約0.58倍，最大功率提升約0.85倍。

5 結(jié)語

從轉(zhuǎn)槳式水輪機的運行特性來講，電廠高水頭一般出現(xiàn)在枯水期，此時機組為了滿足下游航運、用水、生態(tài)流量的要求，常要求機組在低負(fù)荷區(qū)域運行，本文通過兩個水頭的協(xié)聯(lián)測試、優(yōu)化，不僅改善了主要振動測點的振動狀況，也使部分工況下的機組出力達(dá)到最優(yōu)狀況，有效地增加了電廠枯水期的綜合效益。在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，后期可同步考慮其它幾臺機組的協(xié)聯(lián)優(yōu)化測試，通過若干臺機組數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ龋糁饕駝訙y點、機組出力的反饋趨勢類似，則可根據(jù)各臺機組的實際狀況，對現(xiàn)有協(xié)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。由于水輪機協(xié)聯(lián)測試需要采集燈泡頭前端、固定導(dǎo)葉（管型座）的差壓數(shù)據(jù)，建議電廠結(jié)合每年的年度檢修對測壓管路進(jìn)行疏通，為后續(xù)開展類似的機組性能研究提供條件。