皮有春，楊小龍，徐進，嵇東雷，，陳學力

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葛洲壩3號機相對效率試驗結果分析

皮有春1，楊小龍1，徐進1，嵇東雷1，，陳學力2

（1. 中國長江電力股份有限公司，宜昌 443002；2. 華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074）

相對效率試驗是評價水輪機效率特性的重要手段。葛洲壩3F機為軸流轉漿式機組，本文介紹了葛洲壩3號機125-150MW改造增容后相對效率試驗的情況。對全水頭協(xié)聯(lián)試驗時相對效率曲線與及中低水頭時的出力余量進行了分析，比較了最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線，使用插值法比較了水輪機改造前后機組的效率,并對試驗過程中發(fā)現(xiàn)的異常噪聲進行了分析。結果表明：3號機高效區(qū)較寬，中低水頭時出力余量較大，能達到保證出力；通過提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度與及改善協(xié)聯(lián)關系能夠提高機組效率；水輪機改造后機組的效率在高水頭時得到了提高；試驗中發(fā)現(xiàn)的異常噪聲由卡門渦與葉片共振引起，葉片出水邊修型后，異常噪聲消失。

水輪機相對效率試驗；葛洲壩3號機；協(xié)聯(lián)關系；出力余量；異常噪聲

0 前言

水輪機效率是水輪機輸出功率與輸入水流功率的比值。水輪機效率公式為：

其中，為發(fā)電機有功功率，可從監(jiān)控系統(tǒng)直接讀取，、為常數(shù)，為水輪機過流流量，為水輪機工作水頭，η為發(fā)電機效率，可視為常數(shù)。水輪機流道截面較大，絕對流量較難測量。由于蝸殼中的流動符合等速度矩原理，因此蝸殼內、外緣兩點流速不同，內外緣存在壓力差，此壓力差的大小與水流流速有關，進而與過流流量相關。對于蝸殼給定過流面上給定兩點間的壓差，其與通過該過流面的流量之間存在以下關系如式（2）：

其中，為蝸殼流量系數(shù)，當壓差測點不變時，為常數(shù)。綜上綜述見公式（3）：

由于值未知，因此該效率值帶有比例值1/，無法計算出絕對效率，定義試驗中測得的所有點的效率的最大值為常數(shù)max(本文中取max=100%)，則可據(jù)此反推出值，由此便可計算出其余各點效率值，并將由此得到的效率稱為相對效率。本文中的相對效率即采用此種方法計算得到，使用該方法得到的效率是一個相對值，不能與機組模型試驗得到的絕對效率直接比較，但各相對效率值之間可進行直接比較。

葛洲壩電站共裝有21臺軸流轉槳式機組，三峽電站投入運行后，由于發(fā)電流量不匹配，葛洲壩在汛期被迫大量棄水。為充分利用汛期棄水，同時對舊設備進行改造換型，葛洲壩電站陸續(xù)對原有125MW機組改造增容至150MW。3號機為哈爾濱電機廠機組，其改造增容分兩步進行，2005~2006年度進行了發(fā)電機改造，改造時，保持發(fā)電機電壓等級13.8KV與及定子槽數(shù)792槽不變，更換了轉子磁極、定子鐵心與繞組。改造后進行了試驗，試驗表明機組的出力與穩(wěn)定性均得到了明顯提升[1]。2013~2014年度進行了水輪機改造，水輪機改造未改變蝸殼、轉輪室、尾水管等流道，僅更換了轉輪與錐體下環(huán)，水輪機標稱直徑不變，但輪轂比由0.44減小為0.415，過流能力得到提高。水輪機改造完成后，3號機于2014年7月至2015年3月進行了相對效率試驗。本文對此次試驗的結果進行了分析。

1 試驗參數(shù)與方案

1.1 水輪發(fā)電機組參數(shù)

最大水頭：27m；最小水頭：9.1m；額定水頭：18.6m；額定功率：150MW；水輪機型號：ZZA1156-LH-1020；輪轂比：0.415；額定流量：947.82m3/s；額定點比轉速：632.9 m·kW；葉片數(shù)：5片；葉片轉角范圍：-14～+18°。

1.2 試驗水頭

試驗水頭高度分別為：11.52m；14.05m；15.17m；16.35m；16.94m；17.59m；18.34m；20.22m；22.29m；23.94m；25.41m。

1.3 試驗方案

每個水頭下分別進行協(xié)聯(lián)試驗和定槳試驗：

協(xié)聯(lián)試驗：導輪葉協(xié)聯(lián)關系投入，進行由空載到最大負荷的變負荷試驗，每隔5-10MW為1個工況點，每個工況點錄波60s。

定槳試驗：將導輪葉協(xié)聯(lián)關系脫開，固定輪葉角度，調整導葉開度進行變負荷試驗。每隔3度輪葉角度進行一次定槳試驗，每次定槳試驗5~10個工況點。

1.4 水頭與流量的測量

試驗計算相對效率時使用的水頭值為攔污柵柵后水壓與尾水平臺支墩測點水壓的差值。試驗的兩個水壓傳感器安裝高程相同，兩個測點均位于水流的開放段，流速較小且差別不大，可忽略動壓的差別，因此上述計算方法可較真實地反映機組的實際工作水頭。本文將按上述方法計算得到的水頭稱為實測水頭。數(shù)據(jù)處理時，每個工況點都單獨計算一次實測水頭。

流量測量使用蝸殼差壓法，差壓測點分別布置在為蝸殼45度斷面頂部與側壁。

2 協(xié)聯(lián)關系下全水頭相對效率分析

每個水頭均進行了協(xié)聯(lián)關系下的變負荷試驗。高水頭時（20.22m、22.29m、23.94m、25.41m），由于受發(fā)電機額定出力限制，試驗最高只做到了150MW；低水頭時（11.52m、14.05m、16.35m、17.59m）,試驗從空載一直做到了導葉開度95%以上。定義協(xié)聯(lián)關系下全水頭全部工況點的最高效率為100%，則可依次計算出各水頭下各工況點的相對效率，繪制各水頭相對效率—有功功率曲線（圖1），分析圖1可知：

（1）各水頭下水輪機相對效率曲線較為光滑，高效區(qū)間較寬。

（2）高水頭時，水輪機相對效率曲線在中高負荷區(qū)較為平坦，在額定出力以下，水輪機效率隨著負荷的增加未出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。

（3）低水頭時，水輪機效率在大負荷區(qū)間有明顯下降，但直到導葉開度95%以上水輪機出力均未出現(xiàn)隨導葉開度增加而下降的現(xiàn)象。

圖1 協(xié)聯(lián)關系下全水頭相對效率曲線圖

3 最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線比較

協(xié)聯(lián)關系對水輪機的穩(wěn)定性、效率與出力有很大的影響[9,10]。做各定槳試驗效率曲線的外包絡線，將由之得到的曲線稱為該水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線，同時，將協(xié)聯(lián)試驗得到的相對效率曲線稱為現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線。通過比較最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線與現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線（分別定義各水頭最高效率為100%）可發(fā)現(xiàn)：最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線始終位于現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線上方；現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線與最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線高效區(qū)均較寬；低水頭時，在出力限制線附近，隨著負荷的增加，最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線效率下降的較現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線慢，且最大出力也比現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率曲線要大?，F(xiàn)有的協(xié)聯(lián)關系有進一步改善的空間。

現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)電調柜內給定的協(xié)聯(lián)控制水頭與機組的實測水頭存在一定的偏差，這將會使得導輪葉協(xié)聯(lián)關系的選擇存在一定的偏差，這應是造成機組現(xiàn)有協(xié)聯(lián)效率低于最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率的一個原因。電調柜內的協(xié)聯(lián)控制水頭取自梯調中心兩小時給出的一次全廠平均凈水頭，未考慮各臺機組攔污柵壓差的不同與及2小時內水頭的波動值，因此機組的協(xié)聯(lián)控制水頭與實測水頭總會存在一定的差值，表1為3號機各次試驗時機組實測水頭與電調柜協(xié)聯(lián)控制水頭的比較。

由表可知，兩者的偏差最大達到了1.31m，這會造成機組的協(xié)聯(lián)關系選取不當，從而使機組的穩(wěn)定性、效率與出力受到一定的影響。實際上，葛洲壩機組有時候會出現(xiàn)個別機組因水頭偏差過大而造成穩(wěn)定性突然變差或者出力達不到給定值的情況，這時運行人員會根據(jù)上下游水位與攔污柵壓差單獨調整該機組的協(xié)聯(lián)控制水頭。葛洲壩6號機在水頭22.5m時做過效率試驗，試驗表明當將協(xié)聯(lián)控制水頭設置為21m時，機組效率平均提高了1.0%以上，其中125MW時提高了1.6%[2]，這表明試驗時22.5m的協(xié)聯(lián)控制水頭是偏高的，這會使得機組并未工作在最佳協(xié)聯(lián)關系上，這與前面的分析是吻合的。

綜上所述，3號機通過改善協(xié)聯(lián)關系與及提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度可使機組效率得到一定程度的提高。

表1 實測水頭與電調柜協(xié)聯(lián)控制水頭比較

4 出力余量

額定水頭以上時，由于受發(fā)電機出力限制線限制，試驗未做到水輪機最大出力工況，額定水頭以下，在11.52m、14.05m、16.35m、17.59m時定槳與協(xié)聯(lián)試驗均做到接近水輪機最大出力點。取定槳試驗得到的最優(yōu)協(xié)聯(lián)效率曲線上效率與穩(wěn)定性均未明顯下降的最大出力點的出力值作為該水頭下的最大出力，由于效率與穩(wěn)定性均未發(fā)生明顯下降，因此可認為該點并未發(fā)生空化。比較以上四個水頭時上述最大出力與模型試驗給出的出力限制值可知：最大出力與出力限制值平均相差約9MW，機組出力余量較大，中低水頭時能達到保證出力。

表2 機組最大出力與出力限制值比較

注: 以上出力均為發(fā)電機有功功率

5 水輪機改造前后效率比較

3號機125~150MW改造增容共分兩步進行，其中2005~2006年度進行了發(fā)電機改造，2013~2014年度進行了水輪機改造，水輪機改造前于2011年進行了一次全水頭相對效率試驗。2011年的試驗與此次試驗流量測量均采用蝸殼差壓法，且測點相同。由于2013~2014年度水輪機改造時只更換了轉輪與錐體下環(huán)，其他導水部件均未變動，因此可認為兩次相對效率試驗時蝸殼流量系數(shù)未發(fā)生變化，兩次試驗得到的相對效率數(shù)據(jù)可進行比較。

由于兩次試驗的試驗水頭不完全相同，無法直接進行比較，因此數(shù)據(jù)處理時，將此次試驗得到的數(shù)據(jù)使用matlab進行插值，將水頭插值到與2011年試驗時相同，這樣兩次試驗的數(shù)據(jù)便可直接比較，圖3分別是低水頭、額定水頭附近、高水頭時水輪機改造前后的此兩次試驗相對效率的比較。由圖3可知：

（1）低水頭（12.05m）和額定水頭附近（17.98m），改造前后效率差別不大，改造后機組在大負荷區(qū)效率略有上升，在小負荷區(qū)，效率略有下降。

（2）高水頭（23.72m）時，機組在中高負荷區(qū)內，效率較改造前有明顯提高。

低水頭一般發(fā)生在汛期，葛洲壩電站汛期棄水量較大，此時機組發(fā)電量主要受出力限制線的限制，對效率的提升要求不是很高；高水頭一般發(fā)生在枯水期，此時效率的提升將帶來顯著的發(fā)電量提升。因此從效率上看，3號機2013~2014年度的水輪機改造是成功的。

6 異常噪聲信號

試驗時發(fā)現(xiàn)3號機運行在110MW以下時，現(xiàn)場能聽到明顯的嗡鳴聲，該聲音在錐管門處最為明顯。通過頻譜分析可知，錐管門噪聲信號中存在顯著的頻率為265Hz左右的信號成分，該信號強度的變化趨勢與現(xiàn)場噪聲的變化趨勢相同，為噪聲的主頻，且在各水頭下均出現(xiàn)。蝸殼水壓、支持蓋水平振動中亦可發(fā)現(xiàn)該頻率成分。圖3為15.17m水頭協(xié)聯(lián)試驗時錐管門噪聲與蝸殼水壓脈動的三維頻譜圖，從圖中可看出265Hz左右頻率成分十分明顯，下面以15.17m水頭時的協(xié)聯(lián)試驗為例，對該高頻信號進行分析。

表3給出了該265Hz左右頻率信號的幅值隨導輪葉開度的變化關系，由表中數(shù)據(jù)可知，該異常噪聲信號的強度與導葉開度關系不大，與輪葉角度負相關。綜合該信號出現(xiàn)的部位與變化規(guī)律，推斷認為：該高頻信號來源為轉輪附近，由水力因素引起，應為葉片出口卡門渦與葉片共振造成。該異常噪聲在0~110MW左右的負荷區(qū)間內均出現(xiàn)，該負荷區(qū)間內流量變化較大，流量變化會導致卡門渦的頻率發(fā)生變化，但葉片出水邊速度分布不均勻，流量變化時葉片出水邊總存在一個區(qū)域的速度能夠產(chǎn)生265Hz卡門渦，該卡門渦與葉片的某一固有頻率發(fā)生一定程度的共振，從而產(chǎn)生噪聲與水壓脈動。

圖4 15.17m協(xié)聯(lián)試驗錐管門噪聲與蝸殼水壓脈動三維頻譜圖

表3 錐管門265Hz頻率信號幅值-導輪葉開度表 （15.17m水頭）

卡門渦的頻率與葉片出水邊夾角有很大關系[12]，對葉片出水邊進行修型可很大程度上解決卡門渦共振問題[13,14]。葛洲壩3號、10號機為哈爾濱電機廠同一年改造的機組，10號機在改造后也存在中低負荷時出現(xiàn)異常噪聲的問題，后在哈電技術人員的指導下對10號機葉片出水邊進行了修型處理，處理后進行了試驗，結果顯示10號機異常噪聲信號消失。鑒于10號機葉片處理取得了良好效果，葛洲壩電廠于2015年12月對3號機進行了停機檢查，并對葉片出水邊進行了同樣的修型處理，處理完后開機時110MW以下異常噪聲現(xiàn)象消失。這進一步證實了該異常噪聲信號與葉片出水邊有關系，應為卡門渦與葉片共振引起。

7 結論

（1）3號機相對效率曲線較為光滑，高效區(qū)間較寬。

（2）3號機通過改善協(xié)聯(lián)關系與及提高協(xié)聯(lián)控制水頭的精度可使機組效率得到一定程度的提高。

（3）3號機改造后在中低水頭時出力余量較大，能達到機組保證出力。

（4）低水頭與及額定水頭附近，3號機效率在水輪機改造前后區(qū)別不大；高水頭時，3號機改造后的效率在中高負荷區(qū)較改造前有明顯提高。

（5）試驗過程中發(fā)現(xiàn)3號機存在265Hz左右頻率成分的異常噪聲，該異常噪聲應由葉片出水邊卡門渦與葉片共振引起，葉片出水邊修型后，噪聲消失。

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Analysis on the Relative Efficiency Experiments Results of the No.3 Nnit of Gezhouba Hydropower Station

PI Youchun1, YANG Xiaolong1, XU Jin1, JI Donglei1, CHEN Xueli2

(1. China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443002, China;2. Institute of Energy&Power, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The relative efficiency experiment is an important method of evaluating the efficiency characteristics of turbine.The No.3 unit of GeZhouBa Hydropower station is a type of Kaplan turbine unit.This paper focuses on the relative efficiency experiments of the No.3 unit of GeZhouBa Hydropower station after its renewal project which enlarged the maximum output power from 125MW to 150MW. Detailed information about the efficiency curves of eleven different heads has been acquired and the optimal combination curves of the field tests have been compared with those of the model from the point of view of efficiency. In order to compare with the old runner ,interpolation method was adopted to compare the efficiency characteristics of the new and old runner and the output power allowance was analyzed at the low head region. The experiments results showed that the No.3 unit has a wide high working efficiency area and can reach the guaranteed load. The No.3 unit has big output remaining at the low and middle heads and can reach higher efficiency at high heads. Also the experiments results revealed that the efficiency could be further increased by improving the combination curves and the accuracy of working heads. Moreover, root cause analysis of the abnormal noise occurred at 0-110MW output region was also conducted in this investigation. The blades resonance induced by Karman-vortex caused the abnormal noise which was disappeared after the blades trailing edge trimming .

turbine relative efficiency experiment; Gezhouba No.3 unit; combination relationship; output power allowance; abnormal noise

TK730.2

A

1000-3983(2017)06-0056-06

2016-10-10

皮有春（1991-），2013年畢業(yè)于華中科技大學熱能與動力工程專業(yè)，本科，現(xiàn)從事大型水電站檢修技術工作。