王向偉

（嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

大化水電站擴(kuò)建5號(hào)機(jī)組運(yùn)行特性優(yōu)化研究

王向偉

（嘉陵江亭子口水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

以大化水電站擴(kuò)建工程5號(hào)機(jī)組研究為例，通過(guò)測(cè)試機(jī)組在各種工況下的擺度、振動(dòng)、脈動(dòng)等相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相對(duì)效率試驗(yàn)，確定機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域，評(píng)價(jià)機(jī)組的效率性能和出力特性，研究與優(yōu)化水輪機(jī)的實(shí)際協(xié)聯(lián)關(guān)系，指導(dǎo)機(jī)組的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

軸流轉(zhuǎn)槳；協(xié)聯(lián)；相對(duì)效率；運(yùn)行特性；振動(dòng)擺度

大化水電站地處廣西壯族自治區(qū)河池市大化瑤族自治縣縣城境內(nèi)，距離南寧市110 km，于1975年10月動(dòng)工興建，1983年12月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，總裝機(jī)容量4臺(tái)114MW，年均發(fā)電量20億kW·h。大化水電站擴(kuò)建工程（5號(hào)機(jī)組）于2007年7月26日正式開(kāi)工建設(shè)，位于原大壩左岸，安裝1臺(tái)110MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，2009年7月投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組設(shè)計(jì)最大水頭29.0m，額定水頭19.0m，最小水頭8.0m。由于前期設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、機(jī)電安裝方面不完善等綜合原因，導(dǎo)致經(jīng)常存在協(xié)聯(lián)曲線與實(shí)際工況差異大、效率低、穩(wěn)定性差、機(jī)組運(yùn)行的特性不明了，以及穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、振動(dòng)區(qū)有偏差和各種水頭下機(jī)組的效率、耗水率數(shù)據(jù)不清楚等問(wèn)題。本文通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)、分析和研究，進(jìn)一步了解和分析機(jī)組的出力及效率特性，驗(yàn)證高效運(yùn)行區(qū)域和校核輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，最大可能地提高機(jī)組的出力，并保證機(jī)組能處于較好的穩(wěn)定性區(qū)域運(yùn)行，獲得水輪機(jī)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系。

1　主要研究?jī)?nèi)容

（1）研究不同上游水位、水頭的情況下機(jī)組的協(xié)聯(lián)曲線，確保機(jī)組在正確協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行。

（2）研究不同上游水位、水頭、不同負(fù)荷、不同槳葉開(kāi)度下，流道、其它機(jī)組尾水流態(tài)對(duì)5號(hào)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)（周期、波動(dòng)量、調(diào)節(jié)速度等）、機(jī)組振動(dòng)、最大出力、導(dǎo)葉開(kāi)度限制曲線的影響。

（3）研究5號(hào)機(jī)組的上游水位、下游水位、欄污柵壓差、蝸殼壓差、引水渠對(duì)機(jī)組水頭的損失、1～4號(hào)機(jī)組的尾水影響等，計(jì)算出機(jī)組在不同水頭不同開(kāi)度下的效率和耗水率，并繪制出5號(hào)機(jī)組的效率和耗水率曲線。

2　運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)域分析

根據(jù)近5年大化水電站擴(kuò)建5號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行水頭分析，找出最有代表性的、實(shí)際工況中運(yùn)行最頻繁的7個(gè)水頭進(jìn)行研究，主要有22m、23m、24m、25m、26m、27.4m、28.3m。由于每個(gè)水頭下的研究方法一致且論文篇幅限制，所以本文只列出22m水頭的研究分析過(guò)程，在最終結(jié)論中會(huì)對(duì)7個(gè)水頭結(jié)果進(jìn)行分析研究。

2.1機(jī)組22m水頭穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

2.1.1擺度幅值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)分析

從下頁(yè)圖1可以看出：

（1）上導(dǎo)擺度通頻峰峰值隨負(fù)荷的變化基本上保持不變，擺度通頻峰峰值比較小，峰峰值符合要求。

（2）下導(dǎo)擺度通頻峰峰值隨負(fù)荷的增大變化不是很明顯，擺度通頻峰峰值比較大，超出國(guó)標(biāo)要求范圍值。

（3）隨著負(fù)荷的增大，水導(dǎo)擺度的通頻峰峰值先增大后減小，負(fù)荷到達(dá)25MW時(shí)，水導(dǎo)Y向擺度通頻峰峰值最大為298mm；負(fù)荷越過(guò)25MW后，水導(dǎo)擺度通頻峰峰值迅速減小，通頻峰峰值比較小。

在最大負(fù)荷工況時(shí)，除了下導(dǎo)擺度通頻峰峰值超出國(guó)標(biāo)范圍值外，上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度通頻峰峰值都符合要求。

圖1　上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度隨負(fù)荷變化的變化

2.1.2振動(dòng)幅值隨負(fù)荷變化趨勢(shì)分析

圖2　上、下機(jī)架、定子基座、頂蓋振動(dòng)隨負(fù)荷變化的變化

從圖2可以看出：

（1）隨著負(fù)荷的增大，上機(jī)架振動(dòng)通頻峰峰值不斷減小，在25MW負(fù)荷工況時(shí)，通頻峰峰值最大；下機(jī)架水平振動(dòng)通頻峰峰值也很小，而下機(jī)架X向垂直振動(dòng)比較大，在30MW負(fù)荷工況時(shí)，通頻峰峰值最大，通頻峰峰值最大為116mm。

（2）定子基座水平振動(dòng)隨負(fù)荷變化通頻峰峰值基本上保持不變，振動(dòng)通頻峰峰值比較小。

（3）隨著負(fù)荷增到35MW工況時(shí)，頂蓋X向垂直振動(dòng)通頻峰峰值不斷增大，最大為70mm，隨后負(fù)荷通頻峰峰值迅速減小。頂蓋兩個(gè)方向的水平振動(dòng)隨負(fù)荷的變化基本保持不變，振動(dòng)通頻峰峰值很小。

在10MW至30MW負(fù)荷區(qū)間，機(jī)組振動(dòng)比較大，其它負(fù)荷工況下，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)通頻峰峰值比較小，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。

2.1.3頻譜分析

從下圖3～5可以看到，機(jī)組在25MW、55MW、110MW三個(gè)負(fù)荷工況下的振動(dòng)、擺度的頻譜分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）上下導(dǎo)擺度從頻譜上看，基本受到的是轉(zhuǎn)頻頻率影響，有少量的1.13倍轉(zhuǎn)頻成分，隨負(fù)荷的增加，1.13倍轉(zhuǎn)頻成分消失，主要以轉(zhuǎn)頻成分為主，而水導(dǎo)主要除了轉(zhuǎn)頻成分外，還有低頻成分和其他多倍高頻影響，這主要是水導(dǎo)接近導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，受到了水流渦帶渦流影響。

（2）上下機(jī)架水平方向的振動(dòng)主要是受到了轉(zhuǎn)頻的影響，振動(dòng)量不大。垂直振動(dòng)受到大量無(wú)規(guī)律的頻率成分影響，導(dǎo)致在振動(dòng)區(qū)域，垂直振動(dòng)比較大，主要是在振動(dòng)區(qū)域10～30MW之間。

（3）定子基座水平振動(dòng)在整個(gè)過(guò)程中通頻峰峰值都比較小，隨負(fù)荷的增大變化趨勢(shì)是不變的，頻率成分主要是受轉(zhuǎn)頻影響，定子基座水平振動(dòng)基本上不受電磁拉力的影響。

（4）頂蓋水平振動(dòng)主要是受到低頻振動(dòng)的影響，在整個(gè)變化過(guò)程中通頻峰峰值比較小，隨負(fù)荷的增大變化趨勢(shì)是不變的。而頂蓋垂直振動(dòng)頻率成分主要是低頻振動(dòng)和水流與轉(zhuǎn)輪的出水環(huán)量影響。在30MW的負(fù)荷區(qū)間時(shí)，振動(dòng)比較大，頂蓋垂直振動(dòng)的變化就代表了機(jī)組振動(dòng)變化的趨勢(shì)，是典型的渦流振動(dòng)區(qū)域。

圖3　25MW負(fù)荷工況頻譜圖

圖4　55MW負(fù)荷工況頻譜圖

圖5　110MW負(fù)荷工況頻譜圖

2.1.4該水頭試驗(yàn)結(jié)論與分析

根據(jù)在線監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在約22m水頭下，大化水電站5號(hào)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)大致可歸納如下結(jié)論與建議：

（1）在機(jī)組開(kāi)始帶上負(fù)荷的時(shí)候，由于機(jī)組在試驗(yàn)水頭下槳葉開(kāi)度未進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)開(kāi)度，受轉(zhuǎn)輪出水正環(huán)量水流的影響。在10MW至30MW負(fù)荷區(qū)間時(shí)，為機(jī)組不宜長(zhǎng)期運(yùn)行的低效率工況區(qū)，不建議在此區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行。特別在30MW負(fù)荷期間，建議應(yīng)避免在此區(qū)間運(yùn)行。

（2）在機(jī)組負(fù)荷越過(guò)渦帶工況后，機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度通頻峰峰值迅速減小，基本趨于平穩(wěn)，這是由于水流流態(tài)的明顯改善。在40MW至110MW負(fù)荷區(qū)間時(shí)，機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度通頻峰峰值均維持在本水頭下的最良好區(qū)域，同時(shí)也是機(jī)組運(yùn)行效率最好的區(qū)域。此區(qū)間為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，機(jī)組可長(zhǎng)期在此區(qū)間帶負(fù)荷運(yùn)行。

（3）在振動(dòng)工況區(qū)域，由于機(jī)組下機(jī)架垂直振動(dòng)和頂蓋垂直振動(dòng)都比較大，在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行情況，避免機(jī)組抬機(jī)量過(guò)高造成事故。

（4）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有些數(shù)據(jù)偏大，特別是下導(dǎo)擺度的數(shù)據(jù)，可能是通道或者傳感器有些問(wèn)題，建議在后續(xù)工作中將通道和傳感器進(jìn)行校驗(yàn)。

2.1.5多水頭試驗(yàn)結(jié)論與建議

由于論文篇幅限制，其他6個(gè)水頭的分析過(guò)程不再重述，根據(jù)各水頭下的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，綜合分析各水頭下的振動(dòng)、擺度情況，初步確定大化水電站5號(hào)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域，劃分?jǐn)?shù)據(jù)詳見(jiàn)表1和圖6。

第一個(gè)振動(dòng)區(qū)域?yàn)橄拗七\(yùn)行區(qū)，包含輪葉開(kāi)度較小或尚未進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)區(qū)時(shí)，機(jī)組產(chǎn)生低頻振動(dòng)或者效率低下的區(qū)域；還有振動(dòng)區(qū)與穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的過(guò)渡部分區(qū)域。其區(qū)間范圍為表1中的“限制運(yùn)行區(qū)1”和“限制運(yùn)行區(qū)2”。第二個(gè)振動(dòng)區(qū)域?yàn)椤敖惯\(yùn)行區(qū)”，即機(jī)組的振動(dòng)區(qū)，其區(qū)間范圍為表1中的“禁止運(yùn)行區(qū)”。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，確定大化水電站5號(hào)機(jī)組在目前情況下，機(jī)組運(yùn)行性能最好的一個(gè)區(qū)間，區(qū)間范圍為表1中的“穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)”。

日常運(yùn)行中，應(yīng)避開(kāi)禁止運(yùn)行區(qū)運(yùn)行，盡量減少限制運(yùn)行區(qū)的運(yùn)行時(shí)間。

表1　機(jī)組運(yùn)行區(qū)間表 單位：MW

圖6　機(jī)組運(yùn)行區(qū)域分布圖

3　相對(duì)效率試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)原理

由于水輪機(jī)絕對(duì)流量的測(cè)量須耗費(fèi)巨大的人力和財(cái)力，且常常由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，以致使測(cè)量結(jié)果達(dá)不到所希望的精度，所以測(cè)量水輪機(jī)相對(duì)效率就成為評(píng)價(jià)機(jī)組能量特性的一種行之有效和簡(jiǎn)便的方法。簡(jiǎn)言之，水輪機(jī)相對(duì)效率試驗(yàn)就是不去測(cè)定水輪機(jī)流量的實(shí)際值而只通過(guò)測(cè)定流量的相對(duì)值，從而求得水輪機(jī)相對(duì)效率的一種方法。

對(duì)于大化水電廠具有收縮管的流道而言，當(dāng)水輪機(jī)真實(shí)流量未知時(shí)，其收縮管流道的流量系數(shù)是無(wú)法求得的，此時(shí)測(cè)得的流量稱為指數(shù)流量。對(duì)于收縮管流道某兩個(gè)斷面而言，指數(shù)流量Q*可表示為：

式中K為收縮管流道的流量系數(shù)，h為兩個(gè)斷面之間的差壓值，故水輪機(jī)的指數(shù)效率η*可表示為：

式中γ為水的重度，H為機(jī)組的工作水頭，N為發(fā)電機(jī)功率，ηg為發(fā)電機(jī)效率。若全部試驗(yàn)工況點(diǎn)中的最高指數(shù)效率以η*max表示，則相對(duì)效率η′即為任一試驗(yàn)工況點(diǎn)的指數(shù)效率η*與η*max的比值，即：

這樣，未知的收縮管流道的流量系數(shù)K便可消去，從而求得各工況下的相對(duì)效率。式中：

N——任意試驗(yàn)工況點(diǎn)的發(fā)電機(jī)有功功率（kW）；

h——任意試驗(yàn)工況點(diǎn)的收縮管流道的差壓值（mm）；

H——任意試驗(yàn)工況點(diǎn)的機(jī)組工作水頭（m）；

Nm——最高指數(shù)效率工況點(diǎn)的發(fā)電機(jī)有功功率（kW）；

Hm——最高指數(shù)效率工況點(diǎn)的機(jī)組工作水頭（m）；

hm——最高指數(shù)效率工況點(diǎn)時(shí)收縮管流道差壓值（mm）。

由以上測(cè)試原理可知，相對(duì)效率曲線與絕對(duì)效率曲線在形狀上是相同的，區(qū)別只在于其坐標(biāo)位置的不同而已，故根據(jù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行定漿試驗(yàn)時(shí)在各漿葉角度下獲得的最高相對(duì)效率值或指數(shù)效率值，可確定其最優(yōu)協(xié)聯(lián)點(diǎn)。這里也需指出，由于各相對(duì)效率值是各指數(shù)效率值與全部試驗(yàn)工況點(diǎn)中的最高指數(shù)效率值相比而得到，K、ηg值此時(shí)可消去，故相對(duì)效率與指數(shù)效率相差只是一個(gè)常數(shù)倍值,因此指數(shù)效率與絕對(duì)效率曲線在形狀上也是相同的，由此也可利用指數(shù)效率確定最優(yōu)協(xié)聯(lián)點(diǎn)，在本試驗(yàn)中即采用此方法確定最優(yōu)協(xié)聯(lián)點(diǎn)。

根據(jù)ISBN 7-120-01844-2《水力機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手冊(cè)》、GB/T15613-1995《水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》及GB/T20043-2005《水輪機(jī)、蓄水泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》，本試驗(yàn)選定蝸殼45°斷面為測(cè)流斷面，如圖7所示。

圖7　測(cè)流斷面

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算及處理

3.2.1計(jì)算水頭Hdj[1]

在試驗(yàn)過(guò)程中隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的變化，由于流速的不同，水輪機(jī)的工作水頭是在不斷變化的，可將試驗(yàn)時(shí)在不同導(dǎo)葉開(kāi)度下測(cè)得的工作水頭取其平均值作為某次試驗(yàn)的計(jì)算水頭，即：

式中Hdj為某次試驗(yàn)的計(jì)算水頭，Hdi為各導(dǎo)葉開(kāi)度下實(shí)測(cè)的工作水頭，n為測(cè)取次數(shù)。

3.2.2計(jì)算流量Qi*[1]

在每個(gè)工況的試驗(yàn)中可測(cè)得此工況的測(cè)流斷面間壓差值△hi，據(jù)式（1），再考慮到在相對(duì)效率η′的計(jì)算中K值可消去，此時(shí)可將K取為1，故指數(shù)流量Qi*為：

根據(jù)相似理論流量的換算規(guī)則，每工況下的計(jì)算流量Qdi*為：

式中Hd為某次試驗(yàn)的計(jì)算水頭，Hi為試驗(yàn)時(shí)某工況的實(shí)測(cè)工作水頭。

3.2.3計(jì)算功率Nd[1]

根據(jù)水輪機(jī)相似理論，將各工況試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的功率Ni換算到計(jì)算水頭下，所得的機(jī)組有功功率即為計(jì)算功率，計(jì)算公式如下：

式中：Ndi——某試驗(yàn)工況下的計(jì)算功率（kW）；

Ni——某試驗(yàn)工況下的實(shí)測(cè)功率（kW）；

Hgi——某試驗(yàn)工況下的實(shí)測(cè)工作水頭（kW）；

Hdj——某次試驗(yàn)的計(jì)算水頭（m）。

3.2.4水輪機(jī)指數(shù)效率η*[1]

據(jù)式（2），可求得水輪機(jī)指數(shù)效率：

η*＝N/（γQ*H）ηg＝N/（γKh0.5H）ηg

3.2.5水輪機(jī)相對(duì)效率η′

據(jù)式（3），可求得水輪機(jī)相對(duì)效率η′。

3.2.6試驗(yàn)成果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)取參數(shù)，試驗(yàn)得到以下成果：

（1）表2：各試驗(yàn)水頭實(shí)測(cè)優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系。

（2）表3：協(xié)聯(lián)試驗(yàn)成果應(yīng)用表。

（3）圖8：各試驗(yàn)水頭協(xié)聯(lián)狀態(tài)下的“指數(shù)效率曲線”。

（4）圖9：各試驗(yàn)水頭協(xié)聯(lián)狀態(tài)下的“導(dǎo)葉開(kāi)度與機(jī)組出力關(guān)系曲線”。

（5）圖10：各試驗(yàn)水頭下的非協(xié)聯(lián)試驗(yàn)得到的“實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線”。

（6）圖11：插值計(jì)算“優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線”。

3.3分析及評(píng)價(jià)

3.3.1出力特性

從圖9可以看到，機(jī)組具有較好的出力特性，在主要運(yùn)行開(kāi)度及運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，機(jī)組出力特性較為平順，趨勢(shì)性較有規(guī)律，機(jī)組出力隨著運(yùn)行水頭的提高而逐步增大，符合出力變化規(guī)律。

3.3.2效率特性

從圖8可看出，23.16m水頭區(qū)域水輪機(jī)效率較高，各水頭區(qū)域下的效率曲線具有較為平順、寬闊的良好效率特性。在60～90MW負(fù)荷區(qū)間機(jī)組效率較高。

3.3.3協(xié)聯(lián)特性

在非協(xié)聯(lián)狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行水頭先確定水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系的水頭整定值，然后在此水頭整定值下進(jìn)行定導(dǎo)試驗(yàn)。在每個(gè)定導(dǎo)角度，可在其最高指數(shù)效率區(qū)（一般為相鄰的兩個(gè)槳葉開(kāi)度之間）獲得實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系的一組協(xié)聯(lián)點(diǎn)，由實(shí)測(cè)協(xié)聯(lián)點(diǎn)可得到各試驗(yàn)水頭下的實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線。由此可得到試驗(yàn)水頭23.16m、25.22m、26.13m、27.23m下的實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，詳見(jiàn)表2、表3。

表2　各試驗(yàn)水頭實(shí)測(cè)優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系 單位：%

表3　協(xié)聯(lián)試驗(yàn)成果應(yīng)用表 單位：%

圖8　指數(shù)效率曲線

圖9　導(dǎo)葉開(kāi)度與機(jī)組出力關(guān)系曲線

圖10　實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線

圖11　優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線

4　結(jié)語(yǔ)

本研究結(jié)論得出大化水電站擴(kuò)建5號(hào)機(jī)組各水頭運(yùn)行的振動(dòng)區(qū)域、推薦運(yùn)行區(qū)域和最優(yōu)運(yùn)行區(qū)域，為機(jī)組運(yùn)行中避開(kāi)振動(dòng)區(qū)域提供數(shù)據(jù)支撐，可改善運(yùn)行工況，減少機(jī)組振動(dòng)對(duì)其它設(shè)備的影響，延長(zhǎng)機(jī)組壽命；同時(shí)得到機(jī)組在各水頭下最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，測(cè)算應(yīng)用后可提高機(jī)組出力效率約3%，按年發(fā)電量5億kW·h計(jì)算，可直接增加發(fā)電量1500萬(wàn)kW·h/年，近400萬(wàn)元的效益，產(chǎn)出投入比非常高，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)該優(yōu)化研究方法可在類似工程中借鑒應(yīng)用。

[1]吳墑鋒，吳玉林，劉樹(shù)紅.軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)性能預(yù)測(cè)及運(yùn)行綜合特性曲線繪制[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008（04）.

TV737

A

1672-5387（2016）11-0001-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.001

2016-09-07

王向偉（1986-），男，工程師/技師，從事設(shè)備管理、安全管理方面的工作。