軸流轉槳式水輪發電機組協聯關系優化對效率的提升

華能甘肅水電開發有限公司 包啟林 尚建斌

軸流轉槳式水輪發電機組結構具有一定的復雜性，對安裝要求也比較高，因此在性能和使用率上要比以往的混流式水輪機組要高的多，但在實際的使用過程中也會存在一定的問題，從而會給機組的安全運行造成影響[1]。

1 主要安裝工藝和重點控制程序

大莊電站地處甘肅省碌曲縣境內的洮河干流地區，于2009年5月1日投入使用，是洮河上游梯級開發的第四座小水電，為低壩無調節引水式電站，配備有2臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量為11MW。根據調節水位2951.6m～2935.1m 計算分析發現，大莊電站水庫的日相對調節庫容26萬m3，由此可見，在機組經濟運行過程之中協聯關系的重要性不容忽視。

大莊水電站兩臺機組水輪型號分別是ZZN585-LH-250，發電機型號為SF5500-28/4250，單機額定容量為5.5MW 左右，結合機組多年來的運行情況以及檢修情況進行調查，發現此類水輪發電機組的安全運行穩定性能以及運行效率和計設計制造，安裝調試檢修質量以及日常維護等存在一定的關聯，除此之外，機組調節特性也影響著水輪發電機組的穩定運行以及運行效率，想要進一步的增強機組的穩定性并且保證發電效率，大莊水電站2021年優化了調速器協聯關系，本文將大莊水電站#1、#2機組作為實際的實驗對象，分析了軸流轉漿式機組葉聯關系優化工作的內容。

大莊電站需要在安裝工藝以及部分重點程序做好嚴格的控制和質量把關，在施工過程中，一些隱蔽的工程關鍵工序必須要由監理帶頭，設計人員，施工人員等各方參與小組對本次軸流轉槳式低機組的安裝進行質量檢驗，主要的步驟如下：

驗收準備階段。負責本次軸流轉槳式低水頭機組安裝的施工負責人要先提供“三檢”合格證明以及檢查的記錄，并及時通知本電站的工作人員進行預驗收，進而確定好驗收的時間并通知參與此次軸流轉槳式機組協聯關系實驗的工作者。

現場檢驗交流會。在將軸流轉槳式低水頭機組安裝以及驗收的標準（即設計要求、廠標、國標、部標等）明確以后，再進行自檢記錄的審核與檢查，最終確定本次實驗需要檢驗的項目以及使用的方法。

聯合抽檢。當上兩個步驟完成后，就需要對測量(安裝配合)、成果進行聯合式的抽樣分析，并在現場給出是否能夠有序進行下一道工序的結論，相關工作人員也要做好詳細的記錄和整理，確保在這一環節毫無差錯，進而為本次的實驗做好準備。

2 機組運行工況及出力情況初步研究

在投運過程之中，大壯水電站兩臺水輪發電機組就存在著一些問題。其中發電機負荷能力較差，單機額定水頭15.3、導葉開度為88%，電阻發電機組最大出力僅為5.56MW，兩臺發電機組同時運行時導葉開度在93%，此時機組最大出力僅為5.6MW，為了避免接力器動作過度，將導葉電器開線設定為95%在0.9～3.6MW 的負荷區間運行時，機組具有明顯的震動，上到擺渡值的最大值為310μm 左右，非振動區運行的上的擺渡值超過了266μm。

想要進一步保障機組的穩定以及安全運行，大莊水電站2020年四月實現了對#2機組的c 級檢修，并且次年四月對#1機組進行了必修檢修，主要是對機組軸線導瓦間隙進行了科學的調控，并且確保其滿足設計植保植需要，對槳葉操作內外油管的密封件進行了更換，實現對槳葉連接、法蘭變形部位的修復以及合理處置。

然而，檢修之后機組振動和擺渡以及出力問題仍未得到有效改善，從具體的測驗數據分析顯示，兩臺機組的各個部位振動，擺渡幅度值和勵磁電壓幅值的關系并不深入，由此可以看出，電氣因素不是影響振幅擺動因素的重要原因，從上述內容分析可知，此次機組調速器導葉漿協聯連關系曲線可能存在弱化的情況。

除此之外，受到水輪機模型試驗偏差和零部件加工偏差的影響，可能會導致現場機組未能設定最優斜連關系曲線，即使根據相關廠商提供的葉聯關系曲線進行調整，也會影響最有曲線的獲取，在此過程之中需要在現場求取真機的最優斜連關系曲線，并且將這些關系曲線作為協聯機構調整的重要內容，確保機組發電效率能夠得到顯著提升。基于此，2021年4月大莊水電站對兩臺機組葉連曲線進行了優化和升級處理。

3 試驗方案

3.1 試驗內容

根據各試驗水頭下，機組做定導葉工況運行對漿葉開度進行了改善，并且展開了若干的措施，以便于獲取更多的參數值。此時發現，最高效率的工況點協聯關系曲線，也是真機在水頭下槳葉-導葉的最優協聯關系曲線，根據不同導葉開度，可以實現對多個定導葉工況試驗，并且從中獲得部分水頭下的最優葉連關系曲線。大莊水電站兩臺機組協聯效率試驗水頭分別取最小利用水頭13.2m、額定水頭15.3m、最大利用水頭為17.8m、加權平均水頭16.1m，因此選取加權平均水頭16.5m 為例來說明協聯關系優化工作過程。

3.2 試驗步驟

3.2.1 導葉參數整定

水輪發電機在停機備用狀態下，關閉進水閘門（蝶閥）保持導葉、槳葉處在靜水狀態中，將調速器導葉、槳葉控制把手切至“自動”位置，按下調速器導葉電磁閥“緊停”按鈕，保持水輪機導葉機械位置在0%“全關”位置，進入調速器液晶顯示屏導葉參數整定頁面，根據實測值X 設定測量零點值XO，測量零點值XO 小于實測值X2-4范圍內；復歸調速器導葉電磁閥“緊停”按鈕，調速器導葉控制把手切至“手動”位置，手動將水輪機導葉機械位置開至99%“全開”，根據實測值X 設定測量增益值X1，測量增益值X1大于實測值X2-4范圍內。

3.2.2 槳葉參數整定

水輪發電機在停機備用狀態下，關閉進水閘門（蝶閥）保持導葉、槳葉處在靜水狀態中，調速器導葉控制把在“自動”位置，調速器槳葉控制把手切至“手動”位置，手動全關水輪機槳葉機械位置為0%，進入調速器液晶顯示屏對調速器槳葉參數進行整定，根據實測值X 設定測量零點值XO，測量零點值XO 小于實測值X2-4范圍內；手動將水輪機槳葉機械位置開至99%，根據實測值X 設定測量增益值X1，測量增益值X1大于實測值X2-4范圍內。

3.2.3 定導葉工況試驗

在導葉開度為35%時大莊水電機組進入協聯，此時使用不同水頭作為試驗水頭，機組并網，調速器切到現地控制，手動對導葉開度進行調節，將其穩定在35%～90%的負荷開度在附近共12個（根據5%遞增）工況下，現場利用手動方式對調速器槳葉開度進行調解，在每個穩定導葉開度的協聯槳葉開度附近變化五個槳葉開度點（槳葉調節開度時，根據從大到小或者反方向的方式展開單項調節測試），在額定水頭額定流量下的機組發電效率情況，根據機組發電效率，選擇最優的協聯關系。

想要避免機械死區破壞測試的精準度，就可以在測試期間單方向調整導葉以及槳葉，如果在某個值調的過大、就需要返回上一級，然后從新調整，導葉開度調整的過程之中，對機組的運行狀態和出力情況進行記錄，包括震動值、擺渡值、機組的有功功率輸出和溫度變化，從機組運行穩定性和出力狀況出發，確定基礎的最佳斜連關系曲線，想要進一步實現對機組運行工況的優化保障，就需要從機組的穩定性出發，適當地進行平衡處置。

3.2.4 定水頭運行試驗

選取在大莊水電站額定水頭15.3m、加權平均水頭16.1m、最大利用水頭為17.8m、最小利用水頭13.2m 四個不同水頭，機組在負載條件下，在設定好的導葉槳葉協聯關系情況下只對調速器發電水頭參數進行調整，根據現場試驗結果得出，機組在加權平均水頭16.1m 條件下負荷增加3MW，發電效率最高，機組運行穩定；在額定水頭15.3m、最小利用水頭13.2m 條件下機組負荷幾乎維持不變；在最大利用水頭為17.8m 條件下負荷增加1MW。

這樣做的目的是可以確定機組在枯水期、汛期的運行方式，在1～4月份和11～12月份枯水期將調速器發電水頭參數設定為最大利用水頭17.8m，在相同發電流量條件下日負荷增加1MW，日發電量約增加0.24萬千瓦時；在5～10月份訊期將調速器發電水頭參數設定為加權平均水頭16.1m，在相同發電流量條件下日負荷增加3MW，日發電量約增加0.72萬千瓦時，僅此一項就能滿足電站全年綜合廠用電量，合理利用了水力資源，提高了發電機效率，也達到了節能降耗的目的[2]。

3.3 試驗結果分析

對試驗數據和現場運行實際進行分析后，得出大莊水電站兩臺機組在16.5m 加權平均水頭附近條件下機組的最優協聯關系曲線。曲線規律優化之后，和原協聯關系曲線規律基本保持一致，根據同一導葉開度比較，顯示優化后的槳葉開度較原本開度增加5%～9%，具體協聯關系曲線優化對比情況如圖1、圖2、表1、表2。

圖1 調整前后槳葉開度對比圖

圖2 調整前后負荷對比圖

表1 調整前后槳葉開度對比表

表2 調整前后負荷對比表

協聯曲線關系得到優化的同時，機組振動擺度情況得到了明顯的改善，震動區內（35%以下導葉開度）進行的過程之中，機組最大震動以及擺動幅度值降低了26%左右，非振動區域內（40%以上導葉）開度進行過程中，機組保持著良好的運行狀態，協聯關系曲線優化升級后，機組出力在不同導葉開度下得到了明顯提升。

6.25m 水頭下，導葉開度在70%時優化后的機組出力較優化前增長了0.52MW，導葉開度在70%優化后的出力較優化前增長了0.74MW；導葉開度為75%，機組超過額定負荷5.5MW，運行水輪機指數效率提高了5%到7%，協聯關系曲線得到優化，機組耗水率也因此下降，機組出力也能夠滿足設計的具體需要[3]。

4 結語

大莊水電站的兩臺軸流轉漿式水輪發電機組利用協聯關系曲線優化的方式，不僅促進了發電機發電效率的提升，滿足了發電機額定出力的具體需求，并且了增強機組的穩定性能。目前，大莊水電站#2發電機組已持續運行超過了8033小時，實現了歷史新高。

在此過程之中不難看出，調速器優化協聯關系曲線的方式有效改善了軸流轉漿式水輪發電機組運行工況，并且實現了協聯關系曲線的優化升級，充分發揮了其對發電效率的作用。但是值得注意的是，軸流轉漿式水輪機的協聯關系曲線，不可以只從廠家規定的協聯曲線進行調整，需要根據實際情況展開判斷其是否為發電機的最優協聯關系曲線，進一步提升機組的發電性能。