挂治水电厂22M水头下协联关系试验研究

马开科　许巍

摘 要：挂治水电厂采用轴流转桨式机组，该类型机组具有双重调节功能，机组自动运行时能够以一种协联关系同时调节导叶开度和桨叶开度，进而改变机组出力。本文主要讲述了挂治电厂研究轴流转桨式机组在22m水头下寻找最优协联曲线的过程，通过对轴流转桨式机组协联曲线的优化，提高了机组运行安全稳定性，最大限度发挥了机组的经济效益。

关键词：轴流转桨式；协联曲线；相对效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.136

1 电厂概况

挂治水电厂位于贵州省清水江中下游锦屏县境内。电站最大水头25.29 m，最小水头12.9 m，额定水头20.7 m，额定流量270.4 m?/s。电站总装机容量150MW，安装3台单机容量50MW的轴流转桨式机组，多年平均发电量4.021亿kW·h，具有很高的经济效益。

2 协联曲线优化的原因

挂治水电厂目前采用的协联曲线是机组制造厂商通过机组模型试验方法求得的。电厂发现在实际运行过程中，发现机组并未能始终运行在高效区，考虑到下游白市水电厂蓄水会造成挂治电厂尾水抬高，机组运行的水头会进一步降低，原有的协联曲线不能适合实际运行工况。协联关系不好，既降低了机组的出力，造成机组振动变大，影响了机组运行的稳定性；同时又使得发电耗水率增大，造成水能资源的浪费。为了进一步深挖电厂发电潜能，最大限度的发挥机组的经济效应，提高机组运行稳定性，电厂对22m水头下机组的协联曲线进行了研究，找出了机组在22m水头下的最优工况，为以后协联曲线的优化奠定了基础。

3 协联关系测量过程

3.1 布置测点

将振动、电涡流以及压力脉动传感器按照测试规程要求安装在机组各部位。现场测点实际布置情况见表1。

3.2 原协联关系测试

将试验水头调整至22.6m水头，机组自动并网至空载开度，调速器切现地控制方式，协联置自动状态，手动调节导叶开度，导叶开度分别稳定在27.10%、34.60%、41.00%、44.50%、48.70%、52.00%、55.10%、58.10%、61.30%、64.33%、67.40%、70.41%、73.40%、76.70%、80.23%，每个工况点稳定3分钟左右，记录各电测测点数据。试验数据见表2。

3.3 协联关系试验

将试验水头调整至22.6m水头，选定导叶开度为35%、45%、55%、65%、75%，各导叶开度下调整5个左右的桨叶开度，在各桨叶开度工况稳定3分钟左右，记录各电测测点和人工测点数据，并通过这些数据画出机组在该导叶开度下的综合运行状态图。图1至图5为机组在导叶试验开度下的综合运行状态图，X轴系为桨叶开度。

从图1可以看出当导叶开度在35%时，机组的相对效率先随着桨叶开度的增大而增大，当桨叶开度增加到16.48%时出现下降拐点，而此时水导摆度、顶盖及下机架振动、尾水及顶盖下压力脉动均是最低点，由此可见当导叶开度在35%时，桨叶开度的最优协联状态为16.48%。

从图2可以看出当导叶开度在45%时，虽然机组的相对效率随着桨叶开度的增大而增大，但同时机组的水导摆度、顶盖及下机架振动、尾水及顶盖下压力脉动等机组运行状态监测参数也随之增大，其中桨叶开度超过24.59%后这些参数随着桨叶开度的增加在急速增加，因此综合考虑机组相对效率和运行状态参数，我们找到了当导叶开度在45%时，桨叶开度的最优协联状态为22.48%。

从图3可以看出当导叶开度在55%时，机组的相对效率随着桨叶开度的增大先以较快的速度增加后逐渐趋于平缓，水导摆度先小幅波动后急速增加，顶盖振动先小幅度增大后急速增大，尾水及顶盖下压力脉动在整个试验过程基本无变化，综合考虑得出当导叶开度55%时，桨叶开度的最优协联状态为42.50%。

从图4可以看出当导叶开度在65%时，机组的相对效率随着桨叶开度的增大小幅增大，而机组的摆度和振动先小幅度增大后急速增大，顶盖及尾水压力脉动基本无变化，综合考虑机组效率增加和机组稳定性要求，找出了当导叶开度65%时，桨叶开度的最优协联状态为64.05%。

从图5可以看出当导叶开度在75%时，机组的相对效率先随着桨叶开度的增大而增大，当桨叶开度增加到81.96%时出现下降拐点，在整个试验过程中水导摆度、顶盖及下机架振动、尾水及顶盖下压力脉动变化幅度均较小，机组运行状态相对平稳，因此可见当导叶开度在75%时，桨叶开度的最优协联状态为81.96%。

经过上述分析可得出导叶在试验开度下的桨叶最优协联状态如下表3所示。

通过表3的试验结果，可以绘制出22.6m水头下，导叶与桨叶优化后的协联曲线，从该曲线上可以得到协联优化后每个导叶开度对应的桨叶开度，如图6和表4。

3.4 协联关系试验分析

3.4.1 协联曲线对比

优化前后协联关系对比如图7。

3.4.2 效率对比

对协联试验中，导叶開度为35%、45%、55%、65%、75%工况协联关系优化前后的相对效率进行了对比，对比结果如表5。通过协联优化机组效率有不同程度增加，在各试验点效率增幅为2.39%～14.48%，特别是当导叶开度在35%时，效率提升14.48%，可见在导叶小开度下效率增加尤为明显。

3.4.3 稳定性状况对比

对机组稳定性情况进行协联优化前后进行了对比，水导X/Y方向摆度优化后得到了改善，在导叶小开度下改善尤为明显；下机架振动、顶盖振动在导叶开度较小时得到了极大的改善，但随着导叶开度的增大下机架及顶盖振动有小幅上升的趋势；顶盖下水压及尾水进口压力脉动基本与协联曲线优化前基本一致。由此可见，通过优化机组的协联曲线，机组稳定性状况得到明显改善，机组稳定性状态优良。

4 结束语

挂治水电厂通过现场试验等手段成功完成了22m水头下的协联曲线研究，找出了该水头下的最优协联曲线。在新的协联曲线下，机组运行稳定性状态得到了改善，水轮机的效率得到了提高。但目前挂治电厂仅仅研究了22m水头下协联曲线，下一步还需研究其他水头下协联情况，不断完善机组的协联曲线。

参考文献：

[1]王辉斌.协联优化对轴流转桨式水轮发电机组运行稳定性的影响[M].北京：水力发电杂志社，2011（10）.

[2]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002（10）.

[3]GB/T 9652.2-2007，水轮机控制系统试验[M].北京：中国水利水电出版社，2008（02）.

[4]GB/T 17189-2007，水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动和脉动现场测试规程[M].北京：中国水利水电出版社，2008（05）.

[5]DL/T 556-1994，水轮发电机组振动监测装置设置导则[M].北京：中国水利水电出版社，2008（05）.