分析协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响

摘 要：针对目前应用越来越广泛的灯泡贯流式水轮机组，在简述机组调节系统协联关系原理和特点的基础上，结合某电站实际情况，提出手动破坏和水头修改两种调整方式，并对调整后机组的实际运行情况进行试验、总结，得出通过对协联曲线的合理修改，能保证机组安全、可靠运行，使各个运行参数都满足实际要求的结论，为该机组的进一步兴建和使用奠定良好基础。

关键词：灯泡贯流式水轮机组；机组运行；协联曲线；曲线修改

中图分类号：TK733.8 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）36-0093-02

前 言

近几年，我国很多江河都在新建灯泡贯流式水轮机组，这种机组具有的大流量与低水头等特征，使机组调节系统难以稳定运行，而且河道区段中的水流不断变化，水头容易损失，使机组实际运行情况受到影响，危及机组运行的稳定性与安全性。因此，怎样找到正确切入点，有效解决上述实际问题，保证机组良好运行，是相关技术人员必须尽早攻克的难题。

1 系统协联关系

机组导叶和轮叶之间的关系具备一定协联特性，即当导叶的角度达到某值后，效率曲线中高效区变窄，机组的轮叶为可调，各轮叶均有和之良好配合的角度，各轮叶角度对应高效区，也有与之相对应的开度，导叶和轮叶之间保持协联关系，当水头发生变化时，轮叶角度和导叶开度间将有不同协联。其中，协联关系即为对各种水头条件下不同协联组合进行的真实反映，可用曲线的形式表达[1]。

水轮调节系统当中，桨叶和导叶之间的协联关系可用程序予以实现。通常，协联曲线主要由厂家来提供，运行过程中是否达到最优，还要在现场进行不断探索与总结。

考虑到导叶接力器占据主导地位，所以可先通过运算确定调速器对应的导叶开度，然后根据运行水头，确定桨叶开度，由于协联曲线相对平台，所以在急剧变化段，需要缩短接点间距离，实际运行过程中，为达到理想效果，应充分考虑实际情况，校正协联曲线。

机组导叶和桨叶保持的协联关系，于设计过程中通常要按照现有手册进行，原则上初步设计成最佳的运行模式。实际运行过程中，采用程序运算之后，根据平滑曲线，水轮机在各种水头条件下的协联曲线如图1所示。

机组运行时，因汛期流量及其变化具有不确定性，且机组进口部位有大量杂物堆积，所以会发生水头损失，调节系统于原定协联关系进行运行，考虑到水头的损失在各电站及江河水系有很大不同，设计过程中难以顾及，使机组运行于非协联情况，此时机组的摆度与振动将明显增大，也会产生异响，且出力明显降低。上述问题均为该机组常见问题。

2 协联曲线修改试验与应用

从电站角度讲，机组实现并网发电以后，设计想要达到的性能及效果将开始受到测试。怎样通过对可调参数的合理改变，来保证机组进入最佳运行状态，是全体技术人员必须面对和解决的问题。基于现有条件，对机组声音、出力、振动及摆度和流态等实施初步分析，并在每改变一次参数后进行试验，以此确定最佳的运行工况[2]。

2.1 手动破坏协联关系

此协联关系即调速器所用运行方式从自动改成手动，再执行定导叶和变桨叶，确定导叶有限高效区对应的最佳开度。该试验同时也是对机组最佳运行方式进行的测试，能对厂试验确定的数据予以修订或校核。以某电站为例，其在14d内，每日在流量保持在700m3/s的情况下，使坝前水位处于1550.83～1550.93m范围内，而尾水位处于1541.15～1541.25m范围内，使导叶保持不变，仅改变桨叶的角度。在这种流量、水位、水头及开度均保持不变，仅增加桨叶开度实际情况下，人为将与8m相对应的曲线沿水平方向移动5°，所得曲线见图2。机组出力在试验过程中明显提高，而且机组其它性能也得以一定程度的改善，包括声音、振动和摆度。

2.2 协联水头改变

根据现行设计规范具体要求，协联水头主要由水力检测系统中的侧压装置送到控制部分，再按照预设协联关系进行自动调节，以其它流域机组运行经验为依据，设置并采用自动调节装置对导叶和桨叶进行协联。

其主要存在以下几个问题：

（1）水力特点的存在会使流动时频繁产生水击，导致流道中出现正负水锤，导致调速系统无法保持稳定，产生停机或大波动，使机组和用户都面临很大损失。

（2）在水力监测过程中，沉淀与泥沙对压差表造成堵塞，这是一个始终未能有效解决的问题，并且在处理时必须停机和排水，少则数时，多则数日，经济性极差[3]。

（3）因一年中水质持续变化，并且还有伴随环境发生变化的特点，根据压差传感得出的水头，其偏差变化范围难以达到调速器基本要求。

由于存在上述实际问题，使很多机组采用协联水头进行自动协联很难得到应用。水站建于干流之上，在汛期水质很差，所以装置暂时无法投入实际运行。对此，现采用人为调节的方法对机组实际运行工况予以改变，从而达到预期的性能。在14d内，每日在流量保持在600m3/s的情况下，使坝前水位处于1550.91～1551.01m范围内，而尾水位处于1541.52～1541.62m范围内，对系统设定的水头进行改变。

在运行过程中，最大和最小净水头分别为8.33m、7.70m，均值7.84m。由此可知，毛水头和净水头之间有一定偏差，产生损失的现象，所以在相同时段中进行水头改变，也就是将曲线中的水头值采用人为的方法抬高，对导叶和桨叶之间的协联关系进行平移，运行点从a移至b，如图3所示。在试验过程中发现，机组出力明显增加，而且其它效果也都较为明显。

事实上，以上两种方式能发挥出相同的效果，均可理解成对机组调节系统对应的协联曲线进行修改。基于此，根据试验结果，对应用效果作如下分析：

（1）在发电量方面：从上述试验的结果可以看出，水情和运行工况均保持不变的情况下，机组的出力从额定值86.74%增加到88.77%，根据4台机组一整年运行数据可知，能增加近1.152千万kW·h的实际发电量。

（2）在振动和摆度方面：从上述试验的结果可以看出，在试验前和试验后，机组中关键部分产生的振动减少可达49μm，根据机组振动及相关分级标准表，能减少近16%的运行振动；而径向轴承减少约35μm，换算后，能减少11%左右的振动。此外，其它部分发生的振动也有所减小，在改善实际运行工况的基础上，延长机组使用寿命。

（3）在机组运行声音方面：对协联水头进行适当改变后，机组实际运行过程中的声音状况得以显著改善，满足相同类别机组实际要求[4]。

3 结束语

对于灯泡贯流式谁轮机组，它在我国出现的时间还很短，而这一机组用于干流的时间则更短，此类机组的结构功能设计、安装和运行都处在摸索及完善阶段。该机组具有大流量和低水头等特征，可在多数河段上进行建设和运行，但这样也使机组本身对水头发生的损失及流态发生的变化较为敏感，导致机组运行过程中容易产生振动、异响，并使出力降低，此即为相同类型机组普遍难题。实际使用这种机组的电站，在运行过程中也频频发生以上问题，相关技术人员开始着手研究分析，经观察分析后，确定将改变调节系统与设定合适的协联水作为改进切入点，开展试验、摸索与整定，保证机组实际运行工况得以有效改善，提高机组运行效率，起到显著的效果。目前这一方面在当前已经取得显著进展，为干流上此类机组实际运行奠定了良好基础，进而获得了极好的综合效益。

参考文献

[1]张 飞，陈俊锋.灯泡贯流式水轮机出力提升方案研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2016，14（3）：219～223.

[2]王 培，岳青松，杨立勇.优化低负荷段协联参数改善灯泡贯流式水电机组性能[J].四川水力发电，2017（6）：103～106.

[3]许惠敏.灯泡贯流式水轮机导叶、桨叶协联变化的关系和消除振动方法[J].西北水电，2012（6）：67～69.

[4]杨熙光，李正贵.基于PLC控制系统贯流式水轮机协联曲线应用[J].甘肃科学学报，2015，27（4）：110～113.

收稿日期：2018-11-17

作者简介：余 翀（1985-），男，助理工程师，本科，主要从事水电厂发电运行及维护工作。