張 飛，陳俊鋒，呂 剛，潘羅平

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161；2.松原市哈達山發(fā)電有限公司，吉林 松原 138000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

燈泡貫流式水輪機出力提升方案研究

張 飛1，陳俊鋒2，呂 剛2，潘羅平3

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京 100161；2.松原市哈達山發(fā)電有限公司，吉林 松原 138000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

為提高燈泡貫流式電站機組出力，采用試驗手段對原廠協(xié)聯(lián)關系曲線下的流道損失和水輪機效率進行測定，確定了影響機組穩(wěn)定性及效率的因素，指出模型協(xié)聯(lián)換算到原型協(xié)聯(lián)的不足和燈泡貫流式水輪機對工作水頭的敏感性。結合工程實際，采用合理技術方案對機組協(xié)聯(lián)關系曲線進行了優(yōu)化。同時在保證水輪機淹沒深度的前提下，對電站尾水擋墻進行了適當削低，降低了尾水位，提高了水輪機工作水頭，從而最終達到降低機組出力波動、提高單機效率和電站總出力的目的。

燈泡貫流式水輪機；出力提升；水力損失；協(xié)聯(lián)關系

1 研究背景

隨著我國低水頭燈泡貫流式機組的投運增多［1］，燈泡貫流式機組的效率及穩(wěn)定性參數(shù)逐漸引起人們的重視［2］。某水利樞紐工程裝機5×6.9 MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，水輪機額定水頭5m，額定出力7.19MW，額定流量為160.02m3/s。投運以來，發(fā)揮了巨大的經濟與社會效益。然而由于設計時考慮因素不完善，使得電站在5臺機組滿流量發(fā)電時不能發(fā)額定出力，且此時機組總出力與4臺機組滿流量時的總出力基本相當，造成機組耗水量大幅提升、電站容量效益降低。同時機組在不同負荷工況下，出力波動較大。為在不影響其社會經濟效益情況下，降低機組出力波動，進一步提高該電站的經濟效益，樞紐公司決定對燈泡貫流式機組的效率及穩(wěn)定性特性進行研究，探討影響燈泡貫流式機組的效率因素，通過合理的方案提升電站的經濟效益。

2 影響機組出力因素測定

水輪機效率ηT與引用發(fā)電流量Q、工作水頭H和水輪機出力有關，水輪機出力一般采用發(fā)電機出力PG考慮發(fā)電機效率ηG得到，見公式：

貫流式機組工作水頭變幅大，且對工作水頭敏感［3］。該電站設計情況下上游水位為140.5m，下游側采用尾水池設計方案，為避免大壩泄洪對機組的影響，尾水池兩側及下游側設置擋墻。為了解滿流量發(fā)電機組臺數(shù)與尾水位、流量、工作水頭以及水力損失之間的關系，分別在不同開機組合條件下對1#、3#和5#機組進行了試驗測定，測試結果見圖1所示。

由圖1可見，在上游水位不變的情況下，機組在滿流量發(fā)電時，隨著機組臺數(shù)的增多，尾水位逐漸提高，工作水頭直線減小，水力損失直線增大。受機組位置不同影響，當4臺機組滿流量發(fā)電時水輪機工作水頭有所不同，在5.10～5.47m之間，而5臺機組滿流量發(fā)電時水輪機工作水頭在4.75～4.95m之間。在上游水位基本恒定的情況下，當欲增大水輪機出力而增大導葉開度時，流量增大，流量增大進一步引起尾水水位提高和過流損失的增大，從而降低了水輪機工作水頭，造成惡性循環(huán)。因此5臺機組滿流量發(fā)電時，機組工作水頭并不能夠達到額定水頭，是導致機組總出力不能達到銘牌出力的主要原因。

圖1 不同機組臺數(shù)滿流量發(fā)電條件下實測參數(shù)

3 協(xié)聯(lián)關系調整

機組實際采用的協(xié)聯(lián)關系曲線為模型換算到原型的協(xié)聯(lián)關系曲線（以下簡稱原廠協(xié)聯(lián)），考慮到由于設計、制造及安裝過程中均有可能造成偏差，同時為提升機組穩(wěn)定性參數(shù)水平，不同水頭下采用定槳葉角度變導葉開度方法對機組協(xié)聯(lián)進行了重新測定。測試結果見圖2所示。

圖2 機組實測最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線與原廠協(xié)聯(lián)關系曲線對比

由圖2可見，隨著槳葉角度的增大水輪機最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線與原廠協(xié)聯(lián)曲線偏差逐漸增大。在額定水頭下最優(yōu)協(xié)聯(lián)與原廠協(xié)聯(lián)關系曲線存在近5度的差異。因此可以斷定，機組協(xié)聯(lián)關系曲線的非最優(yōu)化也是導致機組出力降低的原因。為此根據(jù)實測的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線對調速器參數(shù)進行了更改，并對改進前后的機組穩(wěn)定性參數(shù)和能量指標進行了對比分析。

根據(jù)設計規(guī)范要求，機組運行時的協(xié)聯(lián)相關水頭由各機組的水力監(jiān)測系統(tǒng)測壓裝置送到調速器［4］。試驗時，調速器設置A套主用和B套備用，其中在A套裝置中采用原廠協(xié)聯(lián)關系曲線，而在B套裝置中采用的是試驗確定的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線。當前水頭情況下，功率波動試驗對比時首先采用B套裝置作為主用，調整機組的出力到指定負荷點，兩分鐘后采集功率波形；然后，切換調速器為A套裝置為主用，調整機組的出力到指定負荷點，兩分鐘后采集功率波形。以上兩套裝置情況下各對功率波形進行100s錄波。數(shù)學上采用方差作為數(shù)據(jù)離散性的表示［5］。因此，錄波后統(tǒng)計功率波形的數(shù)據(jù)方差，數(shù)據(jù)結果見圖3所示。

圖3 機組協(xié)聯(lián)調整前后機組出力波動對比

圖3 （a）給出了在基本相同出力情況下，協(xié)聯(lián)調整前后的功率波動方差對比；圖3（b）分別為協(xié)聯(lián)調整前后在基本相同出力時的2個典型功率波形圖（3 000 kW和5 900 kW）。由圖3可見協(xié)聯(lián)調整后，采用試驗確定的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線，機組在基本相同出力的情況下，功率波動方差明顯減小。造成原出力波動大的主要原因可以解釋為：在原廠協(xié)聯(lián)情況下，導葉與槳葉配合并非處于最優(yōu)狀態(tài)，此時流道內部過流壓力波動較大，從而導致出力波動增大。協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，導葉與槳葉的配合處于最佳狀態(tài)，過流順暢，流道內部壓力脈動較小。試驗數(shù)據(jù)證實了這點，見圖4。

圖4 機組協(xié)聯(lián)調整前后壓力脈動混頻幅值對比

機組出力波動的減小，只是協(xié)聯(lián)優(yōu)化所產生的效果之一。最優(yōu)協(xié)聯(lián)的判據(jù)一般以高效率點作為判據(jù)，因此協(xié)聯(lián)調整后，機組效率也具有非常明顯的提升。圖5給出了協(xié)聯(lián)調整前后，機組指數(shù)效率試驗結果。由圖5可見，相同負荷工況下，試驗確定的最優(yōu)協(xié)聯(lián)在指定負荷點上的指數(shù)效率均較原廠協(xié)聯(lián)有較大幅度的提升，在3 000～6 000 kW范圍內，平均效率有所提升。

為合理評價協(xié)聯(lián)調整后機組效率提升，在上下游水位基本恒定的情況下，采用下式定義指定功率范圍內的效率提升：

圖5 協(xié)聯(lián)調整前后機組效率對比

式中：PMAX為指定的積分范圍最大值，kW，取PMAX=6 000kW；PMIN為指定的積分范圍最小值，kW，取PMIN=3 000kW；η1( ) P為當前上、下游水位情況下，最優(yōu)協(xié)聯(lián)關系曲線獲得的水輪機出力與效率關系曲線；η2( ) P為當前上、下游水位情況下，原廠協(xié)聯(lián)關系曲線確定的水輪機出力與效率關系曲線。

由于在實用計算過程中，實測的為若干個工況點，故采用辛普森公式進行積分，該積分定義為下式：

式中：h為積分步長；ΔQi為第i點的效率差，i=0，1，2，...，N。

在計算中采用三次樣條曲線在水輪機出力3 000～6 000 kW范圍內插值，并用式辛普森公式計算積分，求得該范圍內的機組的平均效率差值為4.61%。因此，在相同的水文條件下，協(xié)聯(lián)優(yōu)化后的機組有明顯的效率提升，有效降低了機組耗水率。電廠統(tǒng)計分析表明，2013年因協(xié)聯(lián)優(yōu)化后全年增發(fā)電量為（1 386.75～1 414.71）×104kW·h，按當?shù)厣暇W電價計算，增加經濟效益為485.36～495.15萬元。

4 尾水渠道疏浚實施

為避免電站泄洪對機組發(fā)電的影響，電站設計階段在尾水池設置了擋墻。改造前尾水出口流態(tài)見圖6（a）所示。

圖6 改造前、后尾水擋墻影響下的尾水跌落

由圖6（a）可見，在尾水擋墻的影響下，尾水池出口造成了一定的水流跌落，從而造成尾水池水位的自然雍高，導致水輪機工作水頭減小。因此為提高水輪機的工作水頭，在保證水輪機淹沒深度的前提下，擬對尾水擋墻進行適當?shù)南鞯凸ぷ?，從而提高水輪機工作水頭。尾水擋墻削低后的5臺機組滿流量發(fā)電出水流態(tài)見圖6（b）所示。由圖6（b）可見，適當削低后，尾水跌落有較大降低，有效減小了由于尾水雍高造成的水頭損失。

為合理評價拆除尾水擋墻對電站的經濟效益影響，對拆除前后水輪機的工作水頭和效率進行了再次測試。測試結果表明，5臺機組滿流量發(fā)電時，機組尾水位降低0.3～0.4m，此時各臺機組工作水頭均達到5 m，電站總出力達到設計出力5×6.9 MW，機組穩(wěn)定性參數(shù)滿足國標規(guī)定限值，處于良好的運行狀態(tài)。

5 結論

目前我國大多數(shù)燈泡貫流式水輪機均采用模型試驗確定的協(xié)聯(lián)關系曲線作為實際運行時的協(xié)聯(lián)關系曲線。由于模型比尺效應的影響，燈泡貫流式水輪機模型與原型協(xié)聯(lián)關系曲線相差較大，這一現(xiàn)象在很多燈泡式電站中并未引起足夠重視，再加上制造工藝上的誤差，可能導致燈泡貫流式水輪機普遍效率不高，機組振動、擺度及壓力脈動等穩(wěn)定性參數(shù)處于較高的水平上［6］。本次測試結果表明以優(yōu)化現(xiàn)有機組協(xié)聯(lián)關系曲線入手能夠顯著提高水輪機效率，降低耗水率，從而顯著提高燈泡貫流式電站的效益。同時對機組各個過流部件的水力損失的測定給未來該類型電站的設計提供了參考。對尾水擋墻引起的尾水位雍高，在保證淹沒深度的前提下，適當對尾水擋墻進行拆除，提高了水輪機工作水頭，使得電站總出力達到銘牌出力。本項工作在實施過程中取得了良好的經濟與社會效益，同時也為同類型的電站提供了良好的借鑒。

［1］ 梁章堂，胡斌超.貫流式水輪機的應用與技術發(fā)展探討［J］.中國農村水利水電，2005（6）：89-90.

［2］ 劉國選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機組運行與檢修［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］ 宋厚彬，李正貴.協(xié)聯(lián)曲線修改對燈泡式貫流式水輪機組的影響［J］.甘肅科學學報，2010（4）：145-149.

［4］ 哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1976.

［5］ 李潔明，祁新娥.統(tǒng)計學原理［M］.第5版.上海：復旦大學出版社，2012.

［6］ 林亞一.水輪機調節(jié)及輔助設備［M］.第2版.北京：中國水利水電出版社，1995.

Output power improvement research of bulb turbine

ZHANG Fei1，CHEN Junfeng2，LüGang1，PAN Luoping3
（1.Technology Center of State Grid Xinyuan Company Ltd.，Beijing 100161，China；2.Hadashan Electricity Generating Company，Ltd.，Songyuan 138000，China；3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

In order to improve unit power of bulb turbine，performance tests have been implemented to determine the hydraulic loss distribution and turbine efficiency.Factors influencing unit stability and efficiency were determined by test.The tests indicate that cam correlation transferring from model is not suitable for the actual imp lementation and the power output is susceptible to water head.Combining the engineering conditions，cam correlation has been optimized.By insuring a certain immerging depth，correction work was made on downstream barrier.Through above measures，downstream water level was lowered，turbine working head improved，ultimately the unit power pulsation decreased，turbine efficiency improved and the total power also improved.

bulb turbine；power improvement；hydraulic loss；cam correlation

TK730.7

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.010

1672-3031（2016）03-0219-05

（責任編輯：祁 偉）

2015-07-07

國家自然科學基金項目（51309258）

張飛（1983-），男，山東棗莊人，高級工程師，主要從事水電機組性能試驗技術研究。E-mail：15801361846@126.com