灯泡贯流式水轮机出力提升方案研究

张 飞，陈俊锋，吕 刚，潘罗平

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2.松原市哈达山发电有限公司，吉林 松原 138000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

灯泡贯流式水轮机出力提升方案研究

张 飞1，陈俊锋2，吕 刚2，潘罗平3

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2.松原市哈达山发电有限公司，吉林 松原 138000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

为提高灯泡贯流式电站机组出力，采用试验手段对原厂协联关系曲线下的流道损失和水轮机效率进行测定，确定了影响机组稳定性及效率的因素，指出模型协联换算到原型协联的不足和灯泡贯流式水轮机对工作水头的敏感性。结合工程实际，采用合理技术方案对机组协联关系曲线进行了优化。同时在保证水轮机淹没深度的前提下，对电站尾水挡墙进行了适当削低，降低了尾水位，提高了水轮机工作水头，从而最终达到降低机组出力波动、提高单机效率和电站总出力的目的。

灯泡贯流式水轮机；出力提升；水力损失；协联关系

1 研究背景

随着我国低水头灯泡贯流式机组的投运增多［1］，灯泡贯流式机组的效率及稳定性参数逐渐引起人们的重视［2］。某水利枢纽工程装机5×6.9 MW灯泡贯流式水轮发电机组，水轮机额定水头5m，额定出力7.19MW，额定流量为160.02m3/s。投运以来，发挥了巨大的经济与社会效益。然而由于设计时考虑因素不完善，使得电站在5台机组满流量发电时不能发额定出力，且此时机组总出力与4台机组满流量时的总出力基本相当，造成机组耗水量大幅提升、电站容量效益降低。同时机组在不同负荷工况下，出力波动较大。为在不影响其社会经济效益情况下，降低机组出力波动，进一步提高该电站的经济效益，枢纽公司决定对灯泡贯流式机组的效率及稳定性特性进行研究，探讨影响灯泡贯流式机组的效率因素，通过合理的方案提升电站的经济效益。

2 影响机组出力因素测定

水轮机效率ηT与引用发电流量Q、工作水头H和水轮机出力有关，水轮机出力一般采用发电机出力PG考虑发电机效率ηG得到，见公式：

贯流式机组工作水头变幅大，且对工作水头敏感［3］。该电站设计情况下上游水位为140.5m，下游侧采用尾水池设计方案，为避免大坝泄洪对机组的影响，尾水池两侧及下游侧设置挡墙。为了解满流量发电机组台数与尾水位、流量、工作水头以及水力损失之间的关系，分别在不同开机组合条件下对1#、3#和5#机组进行了试验测定，测试结果见图1所示。

由图1可见，在上游水位不变的情况下，机组在满流量发电时，随着机组台数的增多，尾水位逐渐提高，工作水头直线减小，水力损失直线增大。受机组位置不同影响，当4台机组满流量发电时水轮机工作水头有所不同，在5.10～5.47m之间，而5台机组满流量发电时水轮机工作水头在4.75～4.95m之间。在上游水位基本恒定的情况下，当欲增大水轮机出力而增大导叶开度时，流量增大，流量增大进一步引起尾水水位提高和过流损失的增大，从而降低了水轮机工作水头，造成恶性循环。因此5台机组满流量发电时，机组工作水头并不能够达到额定水头，是导致机组总出力不能达到铭牌出力的主要原因。

图1 不同机组台数满流量发电条件下实测参数

3 协联关系调整

机组实际采用的协联关系曲线为模型换算到原型的协联关系曲线（以下简称原厂协联），考虑到由于设计、制造及安装过程中均有可能造成偏差，同时为提升机组稳定性参数水平，不同水头下采用定桨叶角度变导叶开度方法对机组协联进行了重新测定。测试结果见图2所示。

图2 机组实测最优协联关系曲线与原厂协联关系曲线对比

由图2可见，随着桨叶角度的增大水轮机最优协联关系曲线与原厂协联曲线偏差逐渐增大。在额定水头下最优协联与原厂协联关系曲线存在近5度的差异。因此可以断定，机组协联关系曲线的非最优化也是导致机组出力降低的原因。为此根据实测的最优协联关系曲线对调速器参数进行了更改，并对改进前后的机组稳定性参数和能量指标进行了对比分析。

根据设计规范要求，机组运行时的协联相关水头由各机组的水力监测系统测压装置送到调速器［4］。试验时，调速器设置A套主用和B套备用，其中在A套装置中采用原厂协联关系曲线，而在B套装置中采用的是试验确定的最优协联关系曲线。当前水头情况下，功率波动试验对比时首先采用B套装置作为主用，调整机组的出力到指定负荷点，两分钟后采集功率波形；然后，切换调速器为A套装置为主用，调整机组的出力到指定负荷点，两分钟后采集功率波形。以上两套装置情况下各对功率波形进行100s录波。数学上采用方差作为数据离散性的表示［5］。因此，录波后统计功率波形的数据方差，数据结果见图3所示。

图3 机组协联调整前后机组出力波动对比

图3 （a）给出了在基本相同出力情况下，协联调整前后的功率波动方差对比；图3（b）分别为协联调整前后在基本相同出力时的2个典型功率波形图（3 000 kW和5 900 kW）。由图3可见协联调整后，采用试验确定的最优协联关系曲线，机组在基本相同出力的情况下，功率波动方差明显减小。造成原出力波动大的主要原因可以解释为：在原厂协联情况下，导叶与桨叶配合并非处于最优状态，此时流道内部过流压力波动较大，从而导致出力波动增大。协联优化后，导叶与桨叶的配合处于最佳状态，过流顺畅，流道内部压力脉动较小。试验数据证实了这点，见图4。

图4 机组协联调整前后压力脉动混频幅值对比

机组出力波动的减小，只是协联优化所产生的效果之一。最优协联的判据一般以高效率点作为判据，因此协联调整后，机组效率也具有非常明显的提升。图5给出了协联调整前后，机组指数效率试验结果。由图5可见，相同负荷工况下，试验确定的最优协联在指定负荷点上的指数效率均较原厂协联有较大幅度的提升，在3 000～6 000 kW范围内，平均效率有所提升。

为合理评价协联调整后机组效率提升，在上下游水位基本恒定的情况下，采用下式定义指定功率范围内的效率提升：

图5 协联调整前后机组效率对比

式中：PMAX为指定的积分范围最大值，kW，取PMAX=6 000kW；PMIN为指定的积分范围最小值，kW，取PMIN=3 000kW；η1( ) P为当前上、下游水位情况下，最优协联关系曲线获得的水轮机出力与效率关系曲线；η2( ) P为当前上、下游水位情况下，原厂协联关系曲线确定的水轮机出力与效率关系曲线。

由于在实用计算过程中，实测的为若干个工况点，故采用辛普森公式进行积分，该积分定义为下式：

式中：h为积分步长；ΔQi为第i点的效率差，i=0，1，2，...，N。

在计算中采用三次样条曲线在水轮机出力3 000～6 000 kW范围内插值，并用式辛普森公式计算积分，求得该范围内的机组的平均效率差值为4.61%。因此，在相同的水文条件下，协联优化后的机组有明显的效率提升，有效降低了机组耗水率。电厂统计分析表明，2013年因协联优化后全年增发电量为（1 386.75～1 414.71）×104kW·h，按当地上网电价计算，增加经济效益为485.36～495.15万元。

4 尾水渠道疏浚实施

为避免电站泄洪对机组发电的影响，电站设计阶段在尾水池设置了挡墙。改造前尾水出口流态见图6（a）所示。

图6 改造前、后尾水挡墙影响下的尾水跌落

由图6（a）可见，在尾水挡墙的影响下，尾水池出口造成了一定的水流跌落，从而造成尾水池水位的自然雍高，导致水轮机工作水头减小。因此为提高水轮机的工作水头，在保证水轮机淹没深度的前提下，拟对尾水挡墙进行适当的削低工作，从而提高水轮机工作水头。尾水挡墙削低后的5台机组满流量发电出水流态见图6（b）所示。由图6（b）可见，适当削低后，尾水跌落有较大降低，有效减小了由于尾水雍高造成的水头损失。

为合理评价拆除尾水挡墙对电站的经济效益影响，对拆除前后水轮机的工作水头和效率进行了再次测试。测试结果表明，5台机组满流量发电时，机组尾水位降低0.3～0.4m，此时各台机组工作水头均达到5 m，电站总出力达到设计出力5×6.9 MW，机组稳定性参数满足国标规定限值，处于良好的运行状态。

5 结论

目前我国大多数灯泡贯流式水轮机均采用模型试验确定的协联关系曲线作为实际运行时的协联关系曲线。由于模型比尺效应的影响，灯泡贯流式水轮机模型与原型协联关系曲线相差较大，这一现象在很多灯泡式电站中并未引起足够重视，再加上制造工艺上的误差，可能导致灯泡贯流式水轮机普遍效率不高，机组振动、摆度及压力脉动等稳定性参数处于较高的水平上［6］。本次测试结果表明以优化现有机组协联关系曲线入手能够显著提高水轮机效率，降低耗水率，从而显著提高灯泡贯流式电站的效益。同时对机组各个过流部件的水力损失的测定给未来该类型电站的设计提供了参考。对尾水挡墙引起的尾水位雍高，在保证淹没深度的前提下，适当对尾水挡墙进行拆除，提高了水轮机工作水头，使得电站总出力达到铭牌出力。本项工作在实施过程中取得了良好的经济与社会效益，同时也为同类型的电站提供了良好的借鉴。

［1］ 梁章堂，胡斌超.贯流式水轮机的应用与技术发展探讨［J］.中国农村水利水电，2005（6）：89-90.

［2］ 刘国选.灯泡贯流式水轮发电机组运行与检修［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］ 宋厚彬，李正贵.协联曲线修改对灯泡式贯流式水轮机组的影响［J］.甘肃科学学报，2010（4）：145-149.

［4］ 哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1976.

［5］ 李洁明，祁新娥.统计学原理［M］.第5版.上海：复旦大学出版社，2012.

［6］ 林亚一.水轮机调节及辅助设备［M］.第2版.北京：中国水利水电出版社，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

（责任编辑：祁 伟）

2015-07-07

国家自然科学基金项目（51309258）

张飞（1983-），男，山东枣庄人，高级工程师，主要从事水电机组性能试验技术研究。E-mail：15801361846@126.com