燈泡貫流式電站機(jī)組多水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化與負(fù)荷尋優(yōu)

時(shí)志能，趙 彪，曾輝斌，劉 宇

（1.湖南五凌哈電能效科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽(yáng) 421200）

0 引言

燈泡貫流式機(jī)組具有水頭低、流量大的特點(diǎn)[1]，運(yùn)行中導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。工程實(shí)際中，由于模型試驗(yàn)偏差、水頭測(cè)量或給定不準(zhǔn)確、真機(jī)制造偏差及流道差壓等原因，造成機(jī)組并非在最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行，影響水輪機(jī)的效率及運(yùn)行穩(wěn)定性[2]，如：原型水輪機(jī)與模型水輪機(jī)存在相似性偏差，導(dǎo)葉及槳葉加工及安裝存在偏差等，機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線仍存在修正、調(diào)整的空間。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)置不合理的情況下，水輪機(jī)效率可降低2%～8%，A 級(jí)檢修間隔縮短2～3 年，部分機(jī)組甚至出現(xiàn)額定水頭及以上無(wú)法滿(mǎn)足額定出力要求的現(xiàn)象[3，4]。

某燈泡貫流式電站裝設(shè)3 臺(tái)機(jī)組，額定水頭6.8 m，水頭運(yùn)行范圍3.0～10.0 m，額定轉(zhuǎn)速75.0 r/min，額定流量361 m3/s，額定功率21.06 MW。受流域水資源分布極不均勻的影響，電站機(jī)組長(zhǎng)期在中高水頭、低水頭運(yùn)行工況來(lái)回穿越，同時(shí)下游電站投運(yùn)后，機(jī)組高水頭運(yùn)行時(shí)間明顯減少，為此有必要驗(yàn)證并嘗試優(yōu)化中高水頭段的協(xié)聯(lián)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全穩(wěn)定性指標(biāo)可控、電站發(fā)電量最大化目標(biāo)。

1 機(jī)組協(xié)聯(lián)優(yōu)化測(cè)試方法及評(píng)價(jià)策略

1.1 試驗(yàn)水頭選取

從2010～2022 年各水頭段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看水頭8.0～10.0 m 占比約為46%，7.5～8.0 m 占比約為30%，7.0～7.5 m 占比約為10%，電站在高水頭的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)86%。自2016 年下游電站投運(yùn)后，8.5 m及以上毛水頭未再出現(xiàn)，機(jī)組主要運(yùn)行在6.5～8.5 m毛水頭段區(qū)間，2017～2022 年在該區(qū)間的平均占比達(dá)90.67%，且在7.0～8.0 m 毛水頭段區(qū)間的平均占比為88%，為此，協(xié)聯(lián)優(yōu)化水頭選取為7.0 m、7.5 m、8.0 m。

1.2 協(xié)聯(lián)優(yōu)化測(cè)試方法

真機(jī)協(xié)聯(lián)優(yōu)化實(shí)踐中，一般采用相對(duì)效率試驗(yàn)對(duì)模型換算的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化[5]，以調(diào)速器采集水頭、機(jī)組有功、主要部件的振動(dòng)和擺動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，在兼顧效率和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上予以修正。具體方法為：①將運(yùn)行水頭調(diào)整至試驗(yàn)所需水頭，并在測(cè)試過(guò)程中盡可能的保持發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為額定值或接近1；②調(diào)速器切現(xiàn)地控制，通過(guò)固定導(dǎo)葉開(kāi)度，在一定范圍內(nèi)改變槳葉開(kāi)度的方式獲取相對(duì)效率和振擺測(cè)試結(jié)果，以確定不同水頭、各導(dǎo)葉開(kāi)度下的最優(yōu)槳葉開(kāi)度。

本文采用基于功率特性、效率特性、振動(dòng)特性的多目標(biāo)協(xié)聯(lián)優(yōu)化尋優(yōu)方式來(lái)確定水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)關(guān)系，即：在主要振動(dòng)和擺度測(cè)點(diǎn)（以水導(dǎo)X 水頭振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為主）峰峰值無(wú)較大變化的前提下，綜合考慮水輪機(jī)流量和效率對(duì)機(jī)組功率的聯(lián)合影響，7.0 m 水頭時(shí)以機(jī)組功率最大為判定依據(jù)、7.5 m 和8.0 m 水頭時(shí)以機(jī)組效率最優(yōu)為判定依據(jù)，確定最終的協(xié)聯(lián)關(guān)系。

1.3 調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)化

調(diào)速器的導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系為離散數(shù)據(jù)，水頭一般為取整或水輪機(jī)特征水頭，導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度一般間隔5%～10%，由于槳葉開(kāi)度均隨動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度，已知任一水頭及導(dǎo)葉開(kāi)度，均可按式（1）～式（3）、圖1進(jìn)行槳葉開(kāi)度的線性離散計(jì)算。

圖1 水輪機(jī)導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系換算

其中：GV為導(dǎo)葉開(kāi)度，BO為槳葉開(kāi)度，H為水頭。

2 機(jī)組協(xié)聯(lián)優(yōu)化分析

以2 號(hào)機(jī)組為試驗(yàn)對(duì)象，3 個(gè)水頭的協(xié)聯(lián)優(yōu)化關(guān)系曲線如圖2 所示，從效率最優(yōu)方面考慮，水輪機(jī)導(dǎo)葉在小開(kāi)度工況，槳葉需往開(kāi)的方向優(yōu)化；在大開(kāi)度工況，槳葉需往關(guān)方向優(yōu)化。在主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化不大及現(xiàn)有導(dǎo)葉開(kāi)限不變的前提下，為追求機(jī)組功率及效率最大化，相比原協(xié)聯(lián)關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：

圖2 3 個(gè)水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化前、后對(duì)比

（1）7.0 m 水頭時(shí)電站處于臨界棄水狀態(tài)，此時(shí)電站來(lái)水充裕，導(dǎo)葉開(kāi)度大于80%以上工況，機(jī)組相對(duì)效率適當(dāng)減少，最大降幅為0.56%，槳葉開(kāi)度增加后，功率增加0～0.37 MW。導(dǎo)葉開(kāi)度75%以下工況，槳葉開(kāi)度增加后，機(jī)組相對(duì)效率和功率同步增加，其中相對(duì)效率最大增幅為1.97%，功率最大增加值為0.36 MW。協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，燈泡體X 向水平振動(dòng)、組合軸承、水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)峰峰值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)；槳葉開(kāi)度增加后，除轉(zhuǎn)輪室軸向振動(dòng)總體呈下降趨勢(shì)外（最大降幅為68 μm），主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)峰峰值總體呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，且變化值均在±15 μm 以?xún)?nèi)，機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)未見(jiàn)明顯變化。

（2）7.5 m 水頭時(shí)電站為非持續(xù)滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)葉開(kāi)度75%以上工況，槳葉開(kāi)度最大降幅為5.12%，相對(duì)效率提升為0.09%～2.04%。導(dǎo)葉開(kāi)度70%以下工況，槳葉開(kāi)度與機(jī)組相對(duì)效率同步增加，槳葉最大增幅為7.09%，在7～10 MW 工況范圍內(nèi)，機(jī)組功率提升值為0.35 MW。協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，燈泡體X 向水平振動(dòng)、組合軸承、水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)峰峰值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)；槳葉增加或減小后，主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)峰峰值有增有減，機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)未見(jiàn)明顯變化，其中水導(dǎo)軸承X 向振動(dòng)總體呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)變化值均在±25 μm 以?xún)?nèi)。

（3）8.0 m 水頭時(shí)電站為非持續(xù)滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，導(dǎo)葉開(kāi)度70%以上工況，槳葉開(kāi)度最大降幅為3.12%，相對(duì)效率提升0～0.95%。導(dǎo)葉開(kāi)度65%以下工況，槳葉增加后，機(jī)組相對(duì)效率同步增加，在7～11.5 MW工況范圍內(nèi)，機(jī)組功率提升值約為0.28～0.36 MW。協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，燈泡體X 向水平振動(dòng)、組合軸承、水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)峰峰值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，槳葉開(kāi)度增加或減小后，主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)峰峰值有增有減，總體而言，機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)未見(jiàn)明顯變化。其中轉(zhuǎn)輪室Y 向振動(dòng)峰峰值在導(dǎo)葉開(kāi)度59.73%工況下最大降幅為51 μm，組合軸承Y 向振動(dòng)在導(dǎo)葉開(kāi)度54.8%工況下最大降幅44 μm，其余測(cè)點(diǎn)波動(dòng)變化值均在±20 μm 以?xún)?nèi)。

根據(jù)近5 年2 號(hào)機(jī)組在各水頭下的出力范圍占比，水輪機(jī)經(jīng)協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，年平均可實(shí)現(xiàn)增發(fā)電量約為17.7 萬(wàn)kW·h。

針對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式或燈泡貫流式水輪機(jī)，根據(jù)水輪機(jī)模型特性曲線的單向變化特征，不同水頭對(duì)應(yīng)的導(dǎo)槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系均不存在交叉點(diǎn)，而水頭差值式（1）和式（2）、開(kāi)度差值式（3）的分母均為正值，故交叉類(lèi)型的協(xié)聯(lián)關(guān)系不會(huì)引起調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系計(jì)算的邏輯錯(cuò)誤，同時(shí)在滿(mǎn)足機(jī)組穩(wěn)定性的前提下，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步大開(kāi)度調(diào)整導(dǎo)葉和槳葉的優(yōu)化關(guān)系，達(dá)到實(shí)現(xiàn)電站發(fā)電量最大的目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)組穩(wěn)定性無(wú)明顯突變的前提下，從機(jī)組效率及功率最大化方面考慮，7.0 m 時(shí)電站處于臨界棄水狀態(tài)，以追求功率最大化優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系，槳葉開(kāi)度主要以增加為主；受來(lái)水及庫(kù)容影響，7.5 m、8 m 時(shí)電站無(wú)法持續(xù)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，主要以?xún)?yōu)化效率為主，低負(fù)荷工況下槳葉開(kāi)度增加后相對(duì)效率同步提升，高負(fù)荷工況則降低槳葉開(kāi)度以提升相對(duì)效率。協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，主要振動(dòng)測(cè)點(diǎn)峰峰值有增有減且均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)未見(jiàn)明顯變化。