協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率的影響

周 有 寶

(沐川縣七星火谷水電開發(fā)有限公司火谷水電站，四川 樂山 614501)

火谷水電站2臺(tái)2×20 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組在初期投運(yùn)兩年的實(shí)際運(yùn)行過程中暴露出了一系列問題，如：機(jī)組在空載時(shí)上導(dǎo)振動(dòng)、擺度大；在0～7 MW低負(fù)荷區(qū)時(shí)振動(dòng)、擺度明顯加大；機(jī)組出力較差，在導(dǎo)葉開度達(dá)92%時(shí)機(jī)組出力最大只能達(dá)到19.8 MW(不能達(dá)到額定負(fù)荷的100%)。針對(duì)2臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，我站組織技術(shù)人員進(jìn)行了一系列的分析、探討、試驗(yàn)和研究。其中，在對(duì)機(jī)組做協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)，取得了較為理想的成果，在耗水率基本不變的前提下，很好地提高了機(jī)組的有功出力，降低了個(gè)別負(fù)荷區(qū)的振動(dòng)和擺度，使機(jī)組的運(yùn)行工況得到了較大改善。筆者以敘述我站協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化試驗(yàn)為主，進(jìn)而驗(yàn)證了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化對(duì)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響，尤其是對(duì)機(jī)組發(fā)電效率的影響。

火谷水電站位于四川省樂山市沐川縣利店鎮(zhèn)上游約3 km處，為馬邊河干流水電規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)中的第四座水電站， 裝設(shè)2臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量20 MW,設(shè)計(jì)水頭26 m。工程于2007年7月開始動(dòng)工，2012年1月投產(chǎn)發(fā)電。

1 機(jī)組運(yùn)行工況及出力情況初步分析

火谷水電站2臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)起即存在以下問題：(1)機(jī)組出力較差，在額定水頭26 m、導(dǎo)葉開度達(dá)到95%時(shí)機(jī)組最大出力只能達(dá)到19.8 MW(為防止接力器動(dòng)作過頭，導(dǎo)葉電氣開限 設(shè) 定 為95%)。(2)機(jī)組在0～7 MW低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)存在強(qiáng)烈振區(qū)，上導(dǎo)擺度最大達(dá)到400 μm左右；非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的上導(dǎo)擺度大部分工況超過300 μm。為確保機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我站于2013年年初對(duì)2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了C修。檢修的重點(diǎn)為：對(duì)機(jī)組軸線、導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行檢查并予以調(diào)整，使其達(dá)到設(shè)計(jì)值。但在檢修之后機(jī)組振動(dòng)、擺度及出力情況沒有太大的改善。根據(jù)對(duì)該機(jī)組勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，各部位振動(dòng)擺度幅值與勵(lì)磁電壓幅值的關(guān)系不明顯，因此，基本可以排除電氣因素。根據(jù)上述分析，不排除該機(jī)組存在調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)曲線不優(yōu)的情況。

另外，由于水輪機(jī)模型試驗(yàn)的偏差和有關(guān)零部件加工的誤差，可能會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組雖然按照廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線調(diào)整，但實(shí)際上卻不是最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，因此就需要在現(xiàn)場(chǎng)求取真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，并依此來進(jìn)行協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)的調(diào)整工作，使機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。

為此，火谷水電站于2013年7月對(duì)2臺(tái)機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)工作。

2 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)內(nèi)容。在各試驗(yàn)水頭下，機(jī)組做定導(dǎo)葉工況運(yùn)行，改變不同的槳葉開度進(jìn)行若干測(cè)試以測(cè)取若干參數(shù)，此時(shí)最高效率的工況點(diǎn)的協(xié)聯(lián)曲線就是真機(jī)在該水頭下槳葉～導(dǎo)葉的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線。對(duì)于不同的導(dǎo)葉開度，可作若干個(gè)定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)，以求取某個(gè)水頭下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線。

(2)試驗(yàn)步驟。

① 定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水情，兩臺(tái)機(jī)組各選定一個(gè)常用水頭作為試驗(yàn)水頭(如：#1機(jī)組26 m，#2機(jī)組27 m)?；鸸人娬緳C(jī)組的協(xié)聯(lián)曲線是導(dǎo)葉開度達(dá)到56%時(shí)進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)，把導(dǎo)葉固定在某一個(gè)既定的開度上(按原有協(xié)聯(lián)曲線開度)，調(diào)整不同的槳葉開度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)葉開度確定槳葉開度需要進(jìn)行7、8個(gè)工況試驗(yàn)。每個(gè)工況點(diǎn)的導(dǎo)葉開度調(diào)整次數(shù)是根據(jù)所求取最高效率指數(shù)的需要而定，一般需要5～7次。

② 為克服機(jī)械死區(qū)對(duì)測(cè)試精度的影響，在測(cè)試過程中，導(dǎo)葉和槳葉調(diào)整均為單方向調(diào)整。若在某個(gè)值調(diào)過頭，則需返回上一個(gè)值后再往前調(diào)。

③ 在調(diào)整導(dǎo)葉開度的過程中，記錄機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與出力情況，如振動(dòng)值、擺度值、機(jī)組的有功功率輸出、機(jī)組的溫度變化等。

④ 優(yōu)先根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性與出力情況最終確定機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線。為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行工況，視機(jī)組的穩(wěn)定性情況， 可適當(dāng)進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)(以#2機(jī)組試驗(yàn)為例)

(1)上游水位：高程456.9 m；尾水水位：高程430.2 m；水頭：26 m。

(2)#2機(jī)組定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)時(shí)機(jī)組運(yùn)行的部分參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 2#機(jī)組定導(dǎo)葉工況運(yùn)行機(jī)組部分參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出火谷水電站#2機(jī)組在26 m水頭下機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線。優(yōu)化后的曲線規(guī)律與原協(xié)聯(lián)曲線的規(guī)律基本一致：對(duì)同一導(dǎo)葉開度進(jìn)行了比較，優(yōu)化后的槳葉開度比原槳葉開度平均增加了約3%～7% 。其協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化前后對(duì)比情況見圖1。

圖1 協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化前后對(duì)比圖

(2)協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化后，在負(fù)荷段(導(dǎo)葉開度56%～80%)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)擺度有一定的改善作用，尤其是機(jī)組上導(dǎo)擺度有所減??；其余負(fù)荷段對(duì)振動(dòng)擺度沒有明顯影響。優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線前后機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度對(duì)比情況見圖2。

圖2 協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化前后振動(dòng)擺度對(duì)比圖

(3)協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化后，機(jī)組出力在不同導(dǎo)葉開度下均明顯得到了提高。在26 m水頭下、導(dǎo)葉開度為86%時(shí)，優(yōu)化前后的出力分別為17.8 MW和18.8 MW；導(dǎo)葉開度為92%時(shí)，優(yōu)化前后的出力分別為19.8 MW和20.1 MW；導(dǎo)葉開度為95%時(shí)，優(yōu)化前后的出力分別為20 MW和21 MW。協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化后，機(jī)組出力均能滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線前后機(jī)組有功出力對(duì)比情況見圖3。

圖3 協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后水輪機(jī)出力對(duì)比圖

(4)協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化后，水輪機(jī)的發(fā)電效率明顯得到了提高。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)得出發(fā)電效率平均提高4.73%。在26 m水頭下優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線前后機(jī)組發(fā)電效率提高情況見表2。

表2 優(yōu)化協(xié)聯(lián)曲線前后機(jī)組發(fā)電效率提高情況表

(5)按照上述相同的方法，進(jìn)行了#2機(jī)組在常用水頭(25 m、26 m、27 m)下的完整性水頭試驗(yàn)，最終得出#2機(jī)組調(diào)速器在常用水頭25 m、26 m、27 m下的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，具體情況見表3。

表3 25 m、26 m、27 m水頭下最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線表

(6)#1機(jī)組參照#2機(jī)組按相同的試驗(yàn)方案進(jìn)行了協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化，得出與#2機(jī)組基本一致的結(jié)果，在此不再詳細(xì)描述與分析。

5 試驗(yàn)結(jié)論及建議

5.1 結(jié) 論

(1)協(xié)聯(lián)曲線的優(yōu)化在負(fù)荷段(導(dǎo)葉開度56%～80%)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性有一定的改善，對(duì)于其余負(fù)荷段的機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性沒有明顯影響。

(2)協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化明顯提高了機(jī)組的出力及發(fā)電效率。

5.2 建 議

(1)處理后的機(jī)組在非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，上導(dǎo)擺度仍有約300 μm左右。 對(duì)此，我廠利用年底計(jì)劃A修的機(jī)會(huì)，對(duì)#2機(jī)組的軸線、各導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行了詳細(xì)檢查和調(diào)整(通過2013年年底#2機(jī)組A修，對(duì)#2機(jī)組的軸線、各導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行了檢查和盤車調(diào)整，現(xiàn)振動(dòng)和擺度值均在規(guī)程允許值范圍之內(nèi))。

(2)盡可能避開機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行(火谷水電站機(jī)組振動(dòng)區(qū)為0～7 MW)。

6 結(jié) 語

火谷水電站2臺(tái)機(jī)組通過協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化，明顯地提高了機(jī)組的發(fā)電效率，不僅滿足了機(jī)組額定出力要求，而且還改善了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。由此可見：采取協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化的手段，是改善軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況的重要措施。同時(shí)，也證實(shí)了協(xié)聯(lián)曲線的進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)提高機(jī)組的發(fā)電效率具有不可忽視的作用。但應(yīng)該注意的是：軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)曲線不能一味按照廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線整定，需經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證是否為真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線，從而使機(jī)組的發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。

作者簡介:

周有寶(1975-)，男，四川樂山人，廠長，工程師，從事水電廠技術(shù)與管理工作；