轴流转桨式水轮发电机组协联关系优化对效率的提升

华能甘肃水电开发有限公司 包启林 尚建斌

轴流转桨式水轮发电机组结构具有一定的复杂性，对安装要求也比较高，因此在性能和使用率上要比以往的混流式水轮机组要高的多，但在实际的使用过程中也会存在一定的问题，从而会给机组的安全运行造成影响[1]。

1 主要安装工艺和重点控制程序

大庄电站地处甘肃省碌曲县境内的洮河干流地区，于2009年5月1日投入使用，是洮河上游梯级开发的第四座小水电，为低坝无调节引水式电站，配备有2台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量为11MW。根据调节水位2951.6m～2935.1m 计算分析发现，大庄电站水库的日相对调节库容26万m3，由此可见，在机组经济运行过程之中协联关系的重要性不容忽视。

大庄水电站两台机组水轮型号分别是ZZN585-LH-250，发电机型号为SF5500-28/4250，单机额定容量为5.5MW 左右，结合机组多年来的运行情况以及检修情况进行调查，发现此类水轮发电机组的安全运行稳定性能以及运行效率和计设计制造，安装调试检修质量以及日常维护等存在一定的关联，除此之外，机组调节特性也影响着水轮发电机组的稳定运行以及运行效率，想要进一步的增强机组的稳定性并且保证发电效率，大庄水电站2021年优化了调速器协联关系，本文将大庄水电站#1、#2机组作为实际的实验对象，分析了轴流转浆式机组叶联关系优化工作的内容。

大庄电站需要在安装工艺以及部分重点程序做好严格的控制和质量把关，在施工过程中，一些隐蔽的工程关键工序必须要由监理带头，设计人员，施工人员等各方参与小组对本次轴流转桨式低机组的安装进行质量检验，主要的步骤如下：

验收准备阶段。负责本次轴流转桨式低水头机组安装的施工负责人要先提供“三检”合格证明以及检查的记录，并及时通知本电站的工作人员进行预验收，进而确定好验收的时间并通知参与此次轴流转桨式机组协联关系实验的工作者。

现场检验交流会。在将轴流转桨式低水头机组安装以及验收的标准（即设计要求、厂标、国标、部标等）明确以后，再进行自检记录的审核与检查，最终确定本次实验需要检验的项目以及使用的方法。

联合抽检。当上两个步骤完成后，就需要对测量(安装配合)、成果进行联合式的抽样分析，并在现场给出是否能够有序进行下一道工序的结论，相关工作人员也要做好详细的记录和整理，确保在这一环节毫无差错，进而为本次的实验做好准备。

2 机组运行工况及出力情况初步研究

在投运过程之中，大壮水电站两台水轮发电机组就存在着一些问题。其中发电机负荷能力较差，单机额定水头15.3、导叶开度为88%，电阻发电机组最大出力仅为5.56MW，两台发电机组同时运行时导叶开度在93%，此时机组最大出力仅为5.6MW，为了避免接力器动作过度，将导叶电器开线设定为95%在0.9～3.6MW 的负荷区间运行时，机组具有明显的震动，上到摆渡值的最大值为310μm 左右，非振动区运行的上的摆渡值超过了266μm。

想要进一步保障机组的稳定以及安全运行，大庄水电站2020年四月实现了对#2机组的c 级检修，并且次年四月对#1机组进行了必修检修，主要是对机组轴线导瓦间隙进行了科学的调控，并且确保其满足设计植保植需要，对桨叶操作内外油管的密封件进行了更换，实现对桨叶连接、法兰变形部位的修复以及合理处置。

然而，检修之后机组振动和摆渡以及出力问题仍未得到有效改善，从具体的测验数据分析显示，两台机组的各个部位振动，摆渡幅度值和励磁电压幅值的关系并不深入，由此可以看出，电气因素不是影响振幅摆动因素的重要原因，从上述内容分析可知，此次机组调速器导叶浆协联连关系曲线可能存在弱化的情况。

除此之外，受到水轮机模型试验偏差和零部件加工偏差的影响，可能会导致现场机组未能设定最优斜连关系曲线，即使根据相关厂商提供的叶联关系曲线进行调整，也会影响最有曲线的获取，在此过程之中需要在现场求取真机的最优斜连关系曲线，并且将这些关系曲线作为协联机构调整的重要内容，确保机组发电效率能够得到显著提升。基于此，2021年4月大庄水电站对两台机组叶连曲线进行了优化和升级处理。

3 试验方案

3.1 试验内容

根据各试验水头下，机组做定导叶工况运行对浆叶开度进行了改善，并且展开了若干的措施，以便于获取更多的参数值。此时发现，最高效率的工况点协联关系曲线，也是真机在水头下桨叶-导叶的最优协联关系曲线，根据不同导叶开度，可以实现对多个定导叶工况试验，并且从中获得部分水头下的最优叶连关系曲线。大庄水电站两台机组协联效率试验水头分别取最小利用水头13.2m、额定水头15.3m、最大利用水头为17.8m、加权平均水头16.1m，因此选取加权平均水头16.5m 为例来说明协联关系优化工作过程。

3.2 试验步骤

3.2.1 导叶参数整定

水轮发电机在停机备用状态下，关闭进水闸门（蝶阀）保持导叶、桨叶处在静水状态中，将调速器导叶、桨叶控制把手切至“自动”位置，按下调速器导叶电磁阀“紧停”按钮，保持水轮机导叶机械位置在0%“全关”位置，进入调速器液晶显示屏导叶参数整定页面，根据实测值X 设定测量零点值XO，测量零点值XO 小于实测值X2-4范围内；复归调速器导叶电磁阀“紧停”按钮，调速器导叶控制把手切至“手动”位置，手动将水轮机导叶机械位置开至99%“全开”，根据实测值X 设定测量增益值X1，测量增益值X1大于实测值X2-4范围内。

3.2.2 桨叶参数整定

水轮发电机在停机备用状态下，关闭进水闸门（蝶阀）保持导叶、桨叶处在静水状态中，调速器导叶控制把在“自动”位置，调速器桨叶控制把手切至“手动”位置，手动全关水轮机桨叶机械位置为0%，进入调速器液晶显示屏对调速器桨叶参数进行整定，根据实测值X 设定测量零点值XO，测量零点值XO 小于实测值X2-4范围内；手动将水轮机桨叶机械位置开至99%，根据实测值X 设定测量增益值X1，测量增益值X1大于实测值X2-4范围内。

3.2.3 定导叶工况试验

在导叶开度为35%时大庄水电机组进入协联，此时使用不同水头作为试验水头，机组并网，调速器切到现地控制，手动对导叶开度进行调节，将其稳定在35%～90%的负荷开度在附近共12个（根据5%递增）工况下，现场利用手动方式对调速器桨叶开度进行调解，在每个稳定导叶开度的协联桨叶开度附近变化五个桨叶开度点（桨叶调节开度时，根据从大到小或者反方向的方式展开单项调节测试），在额定水头额定流量下的机组发电效率情况，根据机组发电效率，选择最优的协联关系。

想要避免机械死区破坏测试的精准度，就可以在测试期间单方向调整导叶以及桨叶，如果在某个值调的过大、就需要返回上一级，然后从新调整，导叶开度调整的过程之中，对机组的运行状态和出力情况进行记录，包括震动值、摆渡值、机组的有功功率输出和温度变化，从机组运行稳定性和出力状况出发，确定基础的最佳斜连关系曲线，想要进一步实现对机组运行工况的优化保障，就需要从机组的稳定性出发，适当地进行平衡处置。

3.2.4 定水头运行试验

选取在大庄水电站额定水头15.3m、加权平均水头16.1m、最大利用水头为17.8m、最小利用水头13.2m 四个不同水头，机组在负载条件下，在设定好的导叶桨叶协联关系情况下只对调速器发电水头参数进行调整，根据现场试验结果得出，机组在加权平均水头16.1m 条件下负荷增加3MW，发电效率最高，机组运行稳定；在额定水头15.3m、最小利用水头13.2m 条件下机组负荷几乎维持不变；在最大利用水头为17.8m 条件下负荷增加1MW。

这样做的目的是可以确定机组在枯水期、汛期的运行方式，在1～4月份和11～12月份枯水期将调速器发电水头参数设定为最大利用水头17.8m，在相同发电流量条件下日负荷增加1MW，日发电量约增加0.24万千瓦时；在5～10月份讯期将调速器发电水头参数设定为加权平均水头16.1m，在相同发电流量条件下日负荷增加3MW，日发电量约增加0.72万千瓦时，仅此一项就能满足电站全年综合厂用电量，合理利用了水力资源，提高了发电机效率，也达到了节能降耗的目的[2]。

3.3 试验结果分析

对试验数据和现场运行实际进行分析后，得出大庄水电站两台机组在16.5m 加权平均水头附近条件下机组的最优协联关系曲线。曲线规律优化之后，和原协联关系曲线规律基本保持一致，根据同一导叶开度比较，显示优化后的桨叶开度较原本开度增加5%～9%，具体协联关系曲线优化对比情况如图1、图2、表1、表2。

图1 调整前后桨叶开度对比图

图2 调整前后负荷对比图

表1 调整前后桨叶开度对比表

表2 调整前后负荷对比表

协联曲线关系得到优化的同时，机组振动摆度情况得到了明显的改善，震动区内（35%以下导叶开度）进行的过程之中，机组最大震动以及摆动幅度值降低了26%左右，非振动区域内（40%以上导叶）开度进行过程中，机组保持着良好的运行状态，协联关系曲线优化升级后，机组出力在不同导叶开度下得到了明显提升。

6.25m 水头下，导叶开度在70%时优化后的机组出力较优化前增长了0.52MW，导叶开度在70%优化后的出力较优化前增长了0.74MW；导叶开度为75%，机组超过额定负荷5.5MW，运行水轮机指数效率提高了5%到7%，协联关系曲线得到优化，机组耗水率也因此下降，机组出力也能够满足设计的具体需要[3]。

4 结语

大庄水电站的两台轴流转浆式水轮发电机组利用协联关系曲线优化的方式，不仅促进了发电机发电效率的提升，满足了发电机额定出力的具体需求，并且了增强机组的稳定性能。目前，大庄水电站#2发电机组已持续运行超过了8033小时，实现了历史新高。

在此过程之中不难看出，调速器优化协联关系曲线的方式有效改善了轴流转浆式水轮发电机组运行工况，并且实现了协联关系曲线的优化升级，充分发挥了其对发电效率的作用。但是值得注意的是，轴流转浆式水轮机的协联关系曲线，不可以只从厂家规定的协联曲线进行调整，需要根据实际情况展开判断其是否为发电机的最优协联关系曲线，进一步提升机组的发电性能。