葛洲坝3号机相对效率试验结果分析

皮有春，杨小龙，徐进，嵇东雷，，陈学力



葛洲坝3号机相对效率试验结果分析

皮有春1，杨小龙1，徐进1，嵇东雷1，，陈学力2

（1. 中国长江电力股份有限公司，宜昌 443002；2. 华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074）

相对效率试验是评价水轮机效率特性的重要手段。葛洲坝3F机为轴流转浆式机组，本文介绍了葛洲坝3号机125-150MW改造增容后相对效率试验的情况。对全水头协联试验时相对效率曲线与及中低水头时的出力余量进行了分析，比较了最优协联效率曲线与现有协联效率曲线，使用插值法比较了水轮机改造前后机组的效率,并对试验过程中发现的异常噪声进行了分析。结果表明：3号机高效区较宽，中低水头时出力余量较大，能达到保证出力；通过提高协联控制水头的精度与及改善协联关系能够提高机组效率；水轮机改造后机组的效率在高水头时得到了提高；试验中发现的异常噪声由卡门涡与叶片共振引起，叶片出水边修型后，异常噪声消失。

水轮机相对效率试验；葛洲坝3号机；协联关系；出力余量；异常噪声

0 前言

水轮机效率是水轮机输出功率与输入水流功率的比值。水轮机效率公式为：

其中，为发电机有功功率，可从监控系统直接读取，、为常数，为水轮机过流流量，为水轮机工作水头，η为发电机效率，可视为常数。水轮机流道截面较大，绝对流量较难测量。由于蜗壳中的流动符合等速度矩原理，因此蜗壳内、外缘两点流速不同，内外缘存在压力差，此压力差的大小与水流流速有关，进而与过流流量相关。对于蜗壳给定过流面上给定两点间的压差，其与通过该过流面的流量之间存在以下关系如式（2）：

其中，为蜗壳流量系数，当压差测点不变时，为常数。综上综述见公式（3）：

由于值未知，因此该效率值带有比例值1/，无法计算出绝对效率，定义试验中测得的所有点的效率的最大值为常数max(本文中取max=100%)，则可据此反推出值，由此便可计算出其余各点效率值，并将由此得到的效率称为相对效率。本文中的相对效率即采用此种方法计算得到，使用该方法得到的效率是一个相对值，不能与机组模型试验得到的绝对效率直接比较，但各相对效率值之间可进行直接比较。

葛洲坝电站共装有21台轴流转桨式机组，三峡电站投入运行后，由于发电流量不匹配，葛洲坝在汛期被迫大量弃水。为充分利用汛期弃水，同时对旧设备进行改造换型，葛洲坝电站陆续对原有125MW机组改造增容至150MW。3号机为哈尔滨电机厂机组，其改造增容分两步进行，2005~2006年度进行了发电机改造，改造时，保持发电机电压等级13.8KV与及定子槽数792槽不变，更换了转子磁极、定子铁心与绕组。改造后进行了试验，试验表明机组的出力与稳定性均得到了明显提升[1]。2013~2014年度进行了水轮机改造，水轮机改造未改变蜗壳、转轮室、尾水管等流道，仅更换了转轮与锥体下环，水轮机标称直径不变，但轮毂比由0.44减小为0.415，过流能力得到提高。水轮机改造完成后，3号机于2014年7月至2015年3月进行了相对效率试验。本文对此次试验的结果进行了分析。

1 试验参数与方案

1.1 水轮发电机组参数

最大水头：27m；最小水头：9.1m；额定水头：18.6m；额定功率：150MW；水轮机型号：ZZA1156-LH-1020；轮毂比：0.415；额定流量：947.82m3/s；额定点比转速：632.9 m·kW；叶片数：5片；叶片转角范围：-14～+18°。

1.2 试验水头

试验水头高度分别为：11.52m；14.05m；15.17m；16.35m；16.94m；17.59m；18.34m；20.22m；22.29m；23.94m；25.41m。

1.3 试验方案

每个水头下分别进行协联试验和定桨试验：

协联试验：导轮叶协联关系投入，进行由空载到最大负荷的变负荷试验，每隔5-10MW为1个工况点，每个工况点录波60s。

定桨试验：将导轮叶协联关系脱开，固定轮叶角度，调整导叶开度进行变负荷试验。每隔3度轮叶角度进行一次定桨试验，每次定桨试验5~10个工况点。

1.4 水头与流量的测量

试验计算相对效率时使用的水头值为拦污栅栅后水压与尾水平台支墩测点水压的差值。试验的两个水压传感器安装高程相同，两个测点均位于水流的开放段，流速较小且差别不大，可忽略动压的差别，因此上述计算方法可较真实地反映机组的实际工作水头。本文将按上述方法计算得到的水头称为实测水头。数据处理时，每个工况点都单独计算一次实测水头。

流量测量使用蜗壳差压法，差压测点分别布置在为蜗壳45度断面顶部与侧壁。

2 协联关系下全水头相对效率分析

每个水头均进行了协联关系下的变负荷试验。高水头时（20.22m、22.29m、23.94m、25.41m），由于受发电机额定出力限制，试验最高只做到了150MW；低水头时（11.52m、14.05m、16.35m、17.59m）,试验从空载一直做到了导叶开度95%以上。定义协联关系下全水头全部工况点的最高效率为100%，则可依次计算出各水头下各工况点的相对效率，绘制各水头相对效率—有功功率曲线（图1），分析图1可知：

（1）各水头下水轮机相对效率曲线较为光滑，高效区间较宽。

（2）高水头时，水轮机相对效率曲线在中高负荷区较为平坦，在额定出力以下，水轮机效率随着负荷的增加未出现明显下降的现象。

（3）低水头时，水轮机效率在大负荷区间有明显下降，但直到导叶开度95%以上水轮机出力均未出现随导叶开度增加而下降的现象。

图1 协联关系下全水头相对效率曲线图

3 最优协联效率曲线与现有协联效率曲线比较

协联关系对水轮机的稳定性、效率与出力有很大的影响[9,10]。做各定桨试验效率曲线的外包络线，将由之得到的曲线称为该水头下的最优协联效率曲线，同时，将协联试验得到的相对效率曲线称为现有协联效率曲线。通过比较最优协联效率曲线与现有协联效率曲线（分别定义各水头最高效率为100%）可发现：最优协联效率曲线始终位于现有协联效率曲线上方；现有协联效率曲线与最优协联效率曲线高效区均较宽；低水头时，在出力限制线附近，随着负荷的增加，最优协联效率曲线效率下降的较现有协联效率曲线慢，且最大出力也比现有协联效率曲线要大。现有的协联关系有进一步改善的空间。

现场试验发现电调柜内给定的协联控制水头与机组的实测水头存在一定的偏差，这将会使得导轮叶协联关系的选择存在一定的偏差，这应是造成机组现有协联效率低于最优协联效率的一个原因。电调柜内的协联控制水头取自梯调中心两小时给出的一次全厂平均净水头，未考虑各台机组拦污栅压差的不同与及2小时内水头的波动值，因此机组的协联控制水头与实测水头总会存在一定的差值，表1为3号机各次试验时机组实测水头与电调柜协联控制水头的比较。

由表可知，两者的偏差最大达到了1.31m，这会造成机组的协联关系选取不当，从而使机组的稳定性、效率与出力受到一定的影响。实际上，葛洲坝机组有时候会出现个别机组因水头偏差过大而造成稳定性突然变差或者出力达不到给定值的情况，这时运行人员会根据上下游水位与拦污栅压差单独调整该机组的协联控制水头。葛洲坝6号机在水头22.5m时做过效率试验，试验表明当将协联控制水头设置为21m时，机组效率平均提高了1.0%以上，其中125MW时提高了1.6%[2]，这表明试验时22.5m的协联控制水头是偏高的，这会使得机组并未工作在最佳协联关系上，这与前面的分析是吻合的。

综上所述，3号机通过改善协联关系与及提高协联控制水头的精度可使机组效率得到一定程度的提高。

表1 实测水头与电调柜协联控制水头比较

4 出力余量

额定水头以上时，由于受发电机出力限制线限制，试验未做到水轮机最大出力工况，额定水头以下，在11.52m、14.05m、16.35m、17.59m时定桨与协联试验均做到接近水轮机最大出力点。取定桨试验得到的最优协联效率曲线上效率与稳定性均未明显下降的最大出力点的出力值作为该水头下的最大出力，由于效率与稳定性均未发生明显下降，因此可认为该点并未发生空化。比较以上四个水头时上述最大出力与模型试验给出的出力限制值可知：最大出力与出力限制值平均相差约9MW，机组出力余量较大，中低水头时能达到保证出力。

表2 机组最大出力与出力限制值比较

注: 以上出力均为发电机有功功率

5 水轮机改造前后效率比较

3号机125~150MW改造增容共分两步进行，其中2005~2006年度进行了发电机改造，2013~2014年度进行了水轮机改造，水轮机改造前于2011年进行了一次全水头相对效率试验。2011年的试验与此次试验流量测量均采用蜗壳差压法，且测点相同。由于2013~2014年度水轮机改造时只更换了转轮与锥体下环，其他导水部件均未变动，因此可认为两次相对效率试验时蜗壳流量系数未发生变化，两次试验得到的相对效率数据可进行比较。

由于两次试验的试验水头不完全相同，无法直接进行比较，因此数据处理时，将此次试验得到的数据使用matlab进行插值，将水头插值到与2011年试验时相同，这样两次试验的数据便可直接比较，图3分别是低水头、额定水头附近、高水头时水轮机改造前后的此两次试验相对效率的比较。由图3可知：

（1）低水头（12.05m）和额定水头附近（17.98m），改造前后效率差别不大，改造后机组在大负荷区效率略有上升，在小负荷区，效率略有下降。

（2）高水头（23.72m）时，机组在中高负荷区内，效率较改造前有明显提高。

低水头一般发生在汛期，葛洲坝电站汛期弃水量较大，此时机组发电量主要受出力限制线的限制，对效率的提升要求不是很高；高水头一般发生在枯水期，此时效率的提升将带来显著的发电量提升。因此从效率上看，3号机2013~2014年度的水轮机改造是成功的。

6 异常噪声信号

试验时发现3号机运行在110MW以下时，现场能听到明显的嗡鸣声，该声音在锥管门处最为明显。通过频谱分析可知，锥管门噪声信号中存在显著的频率为265Hz左右的信号成分，该信号强度的变化趋势与现场噪声的变化趋势相同，为噪声的主频，且在各水头下均出现。蜗壳水压、支持盖水平振动中亦可发现该频率成分。图3为15.17m水头协联试验时锥管门噪声与蜗壳水压脉动的三维频谱图，从图中可看出265Hz左右频率成分十分明显，下面以15.17m水头时的协联试验为例，对该高频信号进行分析。

表3给出了该265Hz左右频率信号的幅值随导轮叶开度的变化关系，由表中数据可知，该异常噪声信号的强度与导叶开度关系不大，与轮叶角度负相关。综合该信号出现的部位与变化规律，推断认为：该高频信号来源为转轮附近，由水力因素引起，应为叶片出口卡门涡与叶片共振造成。该异常噪声在0~110MW左右的负荷区间内均出现，该负荷区间内流量变化较大，流量变化会导致卡门涡的频率发生变化，但叶片出水边速度分布不均匀，流量变化时叶片出水边总存在一个区域的速度能够产生265Hz卡门涡，该卡门涡与叶片的某一固有频率发生一定程度的共振，从而产生噪声与水压脉动。

图4 15.17m协联试验锥管门噪声与蜗壳水压脉动三维频谱图

表3 锥管门265Hz频率信号幅值-导轮叶开度表 （15.17m水头）

卡门涡的频率与叶片出水边夹角有很大关系[12]，对叶片出水边进行修型可很大程度上解决卡门涡共振问题[13,14]。葛洲坝3号、10号机为哈尔滨电机厂同一年改造的机组，10号机在改造后也存在中低负荷时出现异常噪声的问题，后在哈电技术人员的指导下对10号机叶片出水边进行了修型处理，处理后进行了试验，结果显示10号机异常噪声信号消失。鉴于10号机叶片处理取得了良好效果，葛洲坝电厂于2015年12月对3号机进行了停机检查，并对叶片出水边进行了同样的修型处理，处理完后开机时110MW以下异常噪声现象消失。这进一步证实了该异常噪声信号与叶片出水边有关系，应为卡门涡与叶片共振引起。

7 结论

（1）3号机相对效率曲线较为光滑，高效区间较宽。

（2）3号机通过改善协联关系与及提高协联控制水头的精度可使机组效率得到一定程度的提高。

（3）3号机改造后在中低水头时出力余量较大，能达到机组保证出力。

（4）低水头与及额定水头附近，3号机效率在水轮机改造前后区别不大；高水头时，3号机改造后的效率在中高负荷区较改造前有明显提高。

（5）试验过程中发现3号机存在265Hz左右频率成分的异常噪声，该异常噪声应由叶片出水边卡门涡与叶片共振引起，叶片出水边修型后，噪声消失。

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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年毕业于华中科技大学热能与动力工程专业，本科，现从事大型水电站检修技术工作。