大型轴流转桨式机组导叶和桨叶协联关系探讨

祁英明，刘兴胜，荣 红

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明650214；2.南瑞集团有限公司，江苏 南京211100）

0 引言

轴流转桨式水轮发电机组发电工况下，在不同的水头下，分别明确地存在导叶和桨叶的配合关系即协联关系；导叶和桨叶在该配合关系曲线上进行调节，可以高效率地实现功率增减。双调机组均存在导叶和桨叶协联关系，以寻求机组的最高效率和高效率区域。其数据源自主机厂的模型试验数据，其具体实现由调速器根据主机厂提供的协联曲线进行数据转换，预设到调速器内部而完成。合理的协联关系对提高机组运行的可靠性和经济性（高效率）有非常重要的作用。

发电下的协联关系是导叶和桨叶的配合关系的一种，在机组开机、停机和静止态等，同样需要两者的密切配合，以实现最佳的控制需求。

1 协联关系的实现及应用

1.1 协联关系的定义描述

轴流转桨式水轮机协联由导叶开度Y、桨叶转角Z、水头H三者组成，协联曲线是一个非线性的二元函数，即Z=f（Y，H），它描述了三者之间的关系[1]。为了获得轴流转桨式水轮机的最高效率和高效率区域，必须合理地选择协联关系，根据机组在各定桨工况下实测的效率特性曲线所绘出的包络线，找出相应的开度和转角之间的关系为实际协联关系。若采用二元函数差值逼近的方法（神经网络），可算出不同水头H和不同导叶开度Y时的协联函数值Z（即桨叶的转角）。

协联的实现分为机械协联装置（协联块）和电气协联装置。电气协联装置不仅可使调速器机械部分结构大为简化，而且模拟精度高，便于水头信号自动引入，还可按机组实际协联关系进行调整，随动误差也小，因而可提高协联精度和机组效率。

图1为里底水电站协联关系曲线。大部分协联曲线桨叶数据为转角，导叶为行程或转角。该曲线须要包括最小、额定和最大3个水头下的协联数据。一般调速器需要7条水头下的曲线，曲线如果较多，一般按照水头均匀的原则选择7条即可；如果曲线数量不足，则需差值拟合出其余曲线。

调速器一般不识别转角或不采用转角数据，需要转换成桨叶开度。协联曲线为图形语言，调速器无法识别，需要根据曲线转换成程序可以识别、计算的数据。表1为里底水电站转换后的调速器协联曲线数据表。

图1 里底水轮机导叶和桨叶协联曲线

我们可以根据主机厂提供的协联曲线表，选出7条水头对应曲线，除最大、最小和额定水头外，其余4条水头的挑选规则应尽量接近机组实际常用水头。以桨叶每变化5%为梯度，每条水头下取20个导叶开度点组成协联数据表。发电态桨叶根据导叶的开度值进行插值运算（不同水头下的协联插值、不同导叶开度下的桨叶插值），从而算出对应的桨叶给定。

这里值得注意的是，在发电态，一般是桨叶给定跟随导叶反馈，而非相反。这是因为导叶给定和导叶反馈在大调节过程中或导叶控制卡阻异常时，导叶给定和导叶反馈会存在偏差，这时，桨叶反馈和导叶反馈就会出现非协联现象。其实桨叶给定和桨叶反馈也不可能在调节过程中完全一致，即便跟随导叶反馈，在动态过程中，由于桨叶随动系统灵敏度并非很高，也会出现协联破坏现象。这种现象尤其是对一次调频、孤网调节等快速、小波动的调节，起到的是副作用，此时跟随导叶给定或保持不动反而利于调节。

1.2 导叶和桨叶关系的应用技巧

导叶和桨叶两个关系在发电态之外的开机、停机、空载、静止态也有不同的配合关系。

轴流转桨式机组和调速器处在静止态时，导叶全关，桨叶自动开启至启动角（启动开度）。不同的机组启动开度不同，数据源自主机厂。调速器接收到开机令，导叶根据预设的开机规律开启到空载开度，桨叶则从启动角关至0，或预留1%～3%的开度。此时启动角的及时关闭可以让机组快速升速，减少因低速而造成的机组磨损。机组和调速器在空载态时，调速器接收到停机令后导叶关闭到0，桨叶开到启动角。此时的桨叶打开至启动角，迅速形成泄流，减少水轮机出力，同时在转轮室内形成水阻力，可以让机组快速降速，也可以减少机组轴向升力从而尽可能避免抬机现象。

不同的机组桨叶启动角不同，国内多为50%以下，在苏联某些电站桨叶启动角高达100%。一般而言，桨叶启动角不宜设置太大，因为桨叶的开关动作耗油很大，在机组开停机大幅度调节过程中，导叶也存在很大用油，可能会导致油压过低、油泵长期启动现象。

表1 里底水电站水轮机调速器协联曲线数据表

在空载时，根据笔者经验，桨叶启动角可预留1个小开度。如果预留为0，一旦调速器桨叶传感器漂移，导致桨叶全关时传感器反馈数据比实际位置大时，这时调速器电柜上桨叶始终有个开度，为此调速器桨叶主配始终会试图关闭桨叶到0。但桨叶实际已全关，这样桨叶关闭腔通压力油，开启腔通回油。这时，如果一旦需要开启桨叶协联，桨叶主配瞬间开启，桨叶主配、管路会存在较大的“油锤”冲击、桨叶迟滞和过油噪音现象。这对机组和调速器都是不利的、不必要的、可以避免的。另外预留1个小开度，也减轻机组轴向受力，利于机组安全。

机组处在发电态，导叶为空载开度，桨叶为0或1个小开度。随着负荷需求的不断增加，导叶逐渐增加，增加到一定开度即协联开度时，桨叶开始跟随增加。轴流转桨机组常见的现象为受油器窜油导致的油泵打油频繁问题，打油频繁又带来油温过高、油粘度变小、内泄加大、泵油效率低下等恶性循环。根据笔者经验，一般油温高于45℃，若无人干预，温度会呈现发散现象。为此，调速器在桨叶控制环节、主配间隙配合上人为设置一些死区。比如，里底电站桨叶控制方面，设置了退出死区2%和进入死区1%。即，桨叶给定和反馈偏差超过2%时，桨叶开始调节，调节至1%以内时，桨叶输出为0V，不再电气控制输出，这时主配复中。在无外部调节指令下，可保持桨叶开度较长时间的稳定。

在机组手动控制时，若在发电态，只需将导叶切手动，桨叶自动。运维人员操作导叶增减，桨叶自动跟随协联变化。手动开机时，一般是一人操作，为了简单、不易出错，一般是首先手动将桨叶关闭至0或1个小开度，保持手动；然后手动开启导叶至额定转速即可。

在做过速试验时，尤其是大型轴流转桨机组，机组惯性大，转速不易提升。这时不仅仅只开启导叶，桨叶也需进行相应的操作。过速试验一般为一人操作完成，试验前需根据过速的目标和当前水头，大致计算出导叶和桨叶在哪个开度可以实现过速。比如导叶开至65%，桨叶50%。一般试验方法为：首先手动开机至额定转速（空转），待机组稳定后，将桨叶手动开启至50%；这时转速会下降，导叶适当调整到额定左右。然后，根据统一指令，开启导叶直至机组过速。如果此时桨叶关闭为0，转速是无法提升至65Hz以上，同时对机组伤害极大。

事实上，导叶开度在协联开度以内，桨叶越小越利于转速提升；但随着导叶开度超过协联开度，桨叶仍不开启，这时机组出力效率降低，不利于转速上升，需要及时将其开启。

做甩负荷试验，小型轴流转桨机组或贯流机，容易低频灭磁、抬机等。这固然由于机组特性关系，同样和桨叶关闭规律和关闭时间、开启时间有很大关系。桨叶关闭过快，容易抬机，如果桨叶关闭过慢，很长时间转速无法拉起，转速下压会很低。也有部分主机厂提出，在甩负荷的前段时间，桨叶保持不变甚至开启，待机组转速升至最高后，桨叶再依据主配的调整速率关闭。

2 协联关系的优化

一般水轮机的协联关系由制造厂家根据模型试验的成果制定，由调速器厂家通过程序自动协联，但是由于模型试验的偏差及安装和零部件加工的误差，其得到的协联关系往往与真机运行情况存在一定的差异，造成机组并非在最优协联关系下运行，影响水轮机的效率及运行稳定性[2]。协联曲线是否合理，主要看是否在一定水头范围内带满负荷，机组振动、摆动数据是否合格，如果满足，即简单认为曲线是正确的。但正确的曲线，并非是最优曲线。由于协联关系与水头密切相关，优化的第一个难度就是每段时间内很难满足各个水头的试验前提。第二是在每个水头下，需要做20个负荷点下的负荷变动，调度协调难度大，但事实上仍然可以做到。

协联曲线优化总的方法为：需要1台专业的机组振动摆动测试仪和各类振动、摆动传感器。首先进行各类传感器安装，完成后传感器采样校验、通道配置、录波标定。之后在机组并入电网运行，不同的水头下，依据原有的协联关系，进行导叶和桨叶开度调整，在机组水导振动和机组有功功率之间寻优，以确定最佳的协联关系。

优化方案为：试验前将试验水头调整至需试验水头，并在试验过程中保持机组功率因素为额定值。试验时，导叶开度分别稳定在空载开度至满负荷开度调节若干个开度，每个导叶开度工况点手动调节桨叶开度，在原协联点附近单向调节5～6个桨叶开度，每个工况点稳定3～5min时间。协联关系优化后，为进一步优化机组的运行情况，视机组振动摆度情况，可适当进行动平衡处理。

3 轴流转桨机组调速器部分控制技术

机组的开机停机中，导叶和桨叶的动作规律主要由调速器完成。主机厂一般只给出开关最大速度和启动角，具体的开机规律一般由调速器根据厂家自身经验决定。最佳的开机表现为：开机迅速（不是必须要求）、频率超调小、利于空载频率收敛和并网等。

图2为里底水电站开机规律：调速器接收到开机令，当频率＜40Hz，导叶开启到空载开度加10的开度，当40Hz＜频率＜47.5Hz，导叶开度减少到空载开度，当频率＞47.5Hz时，进入PID调节。调速器采用了2段开机，开启的开度和斜率都是不同的。第一段迅速开启，目的在于克服机组惯性，使机组旋转起来；待机组旋转后，导叶缓慢爬升至空载开限，这样可以降低叶片受力，转速上升平缓，待转速大于95%时，调速器由开机转入空载态。

图2 里底水电站调速器自动开机试验录波图

机组停机时，导叶关闭，桨叶开启，由于机组存在抬机现象，需要确定导叶自动关闭的斜率（非主配最快关闭时间，程序可设），以及桨叶何时开启。经过现场多次试验寻找，桨叶开启时的条件时候最好是在转速低于40%开启，这样最有利于减少抬机量。同时，导叶关闭斜率适当减小。

里底水电站一次调频试验，进行了桨叶在自动和手动，以及在自动时设置时区和不设置死区的各项对比测试；也进行了增强型和普通型一次调频，大频差阶跃下的功率反调、水压波动测试对比，获取了宝贵经验。由于水头对双调机组重要性影响，里底电站对水头的滤波、计算、赋值等方面做了很多研究，增强了可靠性、稳定性、精准性。不再一一论述。

4 结语

轴流转桨式机组不同于混流式机组的特点、难点，尤其是导叶和桨叶配合关系、协联关系，仍然还有很多工作值得深挖、改进。协联关系的优化如何，将直接影响到水轮机的效率和出力的发挥。新装机组的效率和出力是否能达到保证值要求之前，需提供最大条件来验证水轮机制造厂家提供的协联关系是否最优，然后才能以此为条件开展转桨式水轮机能量特性的测定工作。