華能甘肅水電開(kāi)發(fā)有限公司 包啟林 尚建斌

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，對(duì)安裝要求也比較高，因此在性能和使用率上要比以往的混流式水輪機(jī)組要高的多，但在實(shí)際的使用過(guò)程中也會(huì)存在一定的問(wèn)題，從而會(huì)給機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響[1]。

1 主要安裝工藝和重點(diǎn)控制程序

大莊電站地處甘肅省碌曲縣境內(nèi)的洮河干流地區(qū)，于2009年5月1日投入使用，是洮河上游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第四座小水電，為低壩無(wú)調(diào)節(jié)引水式電站，配備有2臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為11MW。根據(jù)調(diào)節(jié)水位2951.6m～2935.1m 計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，大莊電站水庫(kù)的日相對(duì)調(diào)節(jié)庫(kù)容26萬(wàn)m3，由此可見(jiàn)，在機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過(guò)程之中協(xié)聯(lián)關(guān)系的重要性不容忽視。

大莊水電站兩臺(tái)機(jī)組水輪型號(hào)分別是ZZN585-LH-250，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF5500-28/4250，單機(jī)額定容量為5.5MW 左右，結(jié)合機(jī)組多年來(lái)的運(yùn)行情況以及檢修情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行穩(wěn)定性能以及運(yùn)行效率和計(jì)設(shè)計(jì)制造，安裝調(diào)試檢修質(zhì)量以及日常維護(hù)等存在一定的關(guān)聯(lián)，除此之外，機(jī)組調(diào)節(jié)特性也影響著水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行以及運(yùn)行效率，想要進(jìn)一步的增強(qiáng)機(jī)組的穩(wěn)定性并且保證發(fā)電效率，大莊水電站2021年優(yōu)化了調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系，本文將大莊水電站#1、#2機(jī)組作為實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析了軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組葉聯(lián)關(guān)系優(yōu)化工作的內(nèi)容。

大莊電站需要在安裝工藝以及部分重點(diǎn)程序做好嚴(yán)格的控制和質(zhì)量把關(guān)，在施工過(guò)程中，一些隱蔽的工程關(guān)鍵工序必須要由監(jiān)理帶頭，設(shè)計(jì)人員，施工人員等各方參與小組對(duì)本次軸流轉(zhuǎn)槳式低機(jī)組的安裝進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，主要的步驟如下：

驗(yàn)收準(zhǔn)備階段。負(fù)責(zé)本次軸流轉(zhuǎn)槳式低水頭機(jī)組安裝的施工負(fù)責(zé)人要先提供“三檢”合格證明以及檢查的記錄，并及時(shí)通知本電站的工作人員進(jìn)行預(yù)驗(yàn)收，進(jìn)而確定好驗(yàn)收的時(shí)間并通知參與此次軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系實(shí)驗(yàn)的工作者。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)交流會(huì)。在將軸流轉(zhuǎn)槳式低水頭機(jī)組安裝以及驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)（即設(shè)計(jì)要求、廠標(biāo)、國(guó)標(biāo)、部標(biāo)等）明確以后，再進(jìn)行自檢記錄的審核與檢查，最終確定本次實(shí)驗(yàn)需要檢驗(yàn)的項(xiàng)目以及使用的方法。

聯(lián)合抽檢。當(dāng)上兩個(gè)步驟完成后，就需要對(duì)測(cè)量(安裝配合)、成果進(jìn)行聯(lián)合式的抽樣分析，并在現(xiàn)場(chǎng)給出是否能夠有序進(jìn)行下一道工序的結(jié)論，相關(guān)工作人員也要做好詳細(xì)的記錄和整理，確保在這一環(huán)節(jié)毫無(wú)差錯(cuò)，進(jìn)而為本次的實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

2 機(jī)組運(yùn)行工況及出力情況初步研究

在投運(yùn)過(guò)程之中，大壯水電站兩臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組就存在著一些問(wèn)題。其中發(fā)電機(jī)負(fù)荷能力較差，單機(jī)額定水頭15.3、導(dǎo)葉開(kāi)度為88%，電阻發(fā)電機(jī)組最大出力僅為5.56MW，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度在93%，此時(shí)機(jī)組最大出力僅為5.6MW，為了避免接力器動(dòng)作過(guò)度，將導(dǎo)葉電器開(kāi)線設(shè)定為95%在0.9～3.6MW 的負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)，機(jī)組具有明顯的震動(dòng)，上到擺渡值的最大值為310μm 左右，非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的上的擺渡值超過(guò)了266μm。

想要進(jìn)一步保障機(jī)組的穩(wěn)定以及安全運(yùn)行，大莊水電站2020年四月實(shí)現(xiàn)了對(duì)#2機(jī)組的c 級(jí)檢修，并且次年四月對(duì)#1機(jī)組進(jìn)行了必修檢修，主要是對(duì)機(jī)組軸線導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行了科學(xué)的調(diào)控，并且確保其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)植保植需要，對(duì)槳葉操作內(nèi)外油管的密封件進(jìn)行了更換，實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉連接、法蘭變形部位的修復(fù)以及合理處置。

然而，檢修之后機(jī)組振動(dòng)和擺渡以及出力問(wèn)題仍未得到有效改善，從具體的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，兩臺(tái)機(jī)組的各個(gè)部位振動(dòng)，擺渡幅度值和勵(lì)磁電壓幅值的關(guān)系并不深入，由此可以看出，電氣因素不是影響振幅擺動(dòng)因素的重要原因，從上述內(nèi)容分析可知，此次機(jī)組調(diào)速器導(dǎo)葉漿協(xié)聯(lián)連關(guān)系曲線可能存在弱化的情況。

除此之外，受到水輪機(jī)模型試驗(yàn)偏差和零部件加工偏差的影響，可能會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組未能設(shè)定最優(yōu)斜連關(guān)系曲線，即使根據(jù)相關(guān)廠商提供的葉聯(lián)關(guān)系曲線進(jìn)行調(diào)整，也會(huì)影響最有曲線的獲取，在此過(guò)程之中需要在現(xiàn)場(chǎng)求取真機(jī)的最優(yōu)斜連關(guān)系曲線，并且將這些關(guān)系曲線作為協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容，確保機(jī)組發(fā)電效率能夠得到顯著提升?；诖?，2021年4月大莊水電站對(duì)兩臺(tái)機(jī)組葉連曲線進(jìn)行了優(yōu)化和升級(jí)處理。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)各試驗(yàn)水頭下，機(jī)組做定導(dǎo)葉工況運(yùn)行對(duì)漿葉開(kāi)度進(jìn)行了改善，并且展開(kāi)了若干的措施，以便于獲取更多的參數(shù)值。此時(shí)發(fā)現(xiàn)，最高效率的工況點(diǎn)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，也是真機(jī)在水頭下槳葉-導(dǎo)葉的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，根據(jù)不同導(dǎo)葉開(kāi)度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)，并且從中獲得部分水頭下的最優(yōu)葉連關(guān)系曲線。大莊水電站兩臺(tái)機(jī)組協(xié)聯(lián)效率試驗(yàn)水頭分別取最小利用水頭13.2m、額定水頭15.3m、最大利用水頭為17.8m、加權(quán)平均水頭16.1m，因此選取加權(quán)平均水頭16.5m 為例來(lái)說(shuō)明協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化工作過(guò)程。

3.2 試驗(yàn)步驟

3.2.1 導(dǎo)葉參數(shù)整定

水輪發(fā)電機(jī)在停機(jī)備用狀態(tài)下，關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)（蝶閥）保持導(dǎo)葉、槳葉處在靜水狀態(tài)中，將調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉控制把手切至“自動(dòng)”位置，按下調(diào)速器導(dǎo)葉電磁閥“緊停”按鈕，保持水輪機(jī)導(dǎo)葉機(jī)械位置在0%“全關(guān)”位置，進(jìn)入調(diào)速器液晶顯示屏導(dǎo)葉參數(shù)整定頁(yè)面，根據(jù)實(shí)測(cè)值X 設(shè)定測(cè)量零點(diǎn)值XO，測(cè)量零點(diǎn)值XO 小于實(shí)測(cè)值X2-4范圍內(nèi)；復(fù)歸調(diào)速器導(dǎo)葉電磁閥“緊?！卑粹o，調(diào)速器導(dǎo)葉控制把手切至“手動(dòng)”位置，手動(dòng)將水輪機(jī)導(dǎo)葉機(jī)械位置開(kāi)至99%“全開(kāi)”，根據(jù)實(shí)測(cè)值X 設(shè)定測(cè)量增益值X1，測(cè)量增益值X1大于實(shí)測(cè)值X2-4范圍內(nèi)。

3.2.2 槳葉參數(shù)整定

水輪發(fā)電機(jī)在停機(jī)備用狀態(tài)下，關(guān)閉進(jìn)水閘門(mén)（蝶閥）保持導(dǎo)葉、槳葉處在靜水狀態(tài)中，調(diào)速器導(dǎo)葉控制把在“自動(dòng)”位置，調(diào)速器槳葉控制把手切至“手動(dòng)”位置，手動(dòng)全關(guān)水輪機(jī)槳葉機(jī)械位置為0%，進(jìn)入調(diào)速器液晶顯示屏對(duì)調(diào)速器槳葉參數(shù)進(jìn)行整定，根據(jù)實(shí)測(cè)值X 設(shè)定測(cè)量零點(diǎn)值XO，測(cè)量零點(diǎn)值XO 小于實(shí)測(cè)值X2-4范圍內(nèi)；手動(dòng)將水輪機(jī)槳葉機(jī)械位置開(kāi)至99%，根據(jù)實(shí)測(cè)值X 設(shè)定測(cè)量增益值X1，測(cè)量增益值X1大于實(shí)測(cè)值X2-4范圍內(nèi)。

3.2.3 定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)

在導(dǎo)葉開(kāi)度為35%時(shí)大莊水電機(jī)組進(jìn)入?yún)f(xié)聯(lián)，此時(shí)使用不同水頭作為試驗(yàn)水頭，機(jī)組并網(wǎng)，調(diào)速器切到現(xiàn)地控制，手動(dòng)對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其穩(wěn)定在35%～90%的負(fù)荷開(kāi)度在附近共12個(gè)（根據(jù)5%遞增）工況下，現(xiàn)場(chǎng)利用手動(dòng)方式對(duì)調(diào)速器槳葉開(kāi)度進(jìn)行調(diào)解，在每個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)葉開(kāi)度的協(xié)聯(lián)槳葉開(kāi)度附近變化五個(gè)槳葉開(kāi)度點(diǎn)（槳葉調(diào)節(jié)開(kāi)度時(shí)，根據(jù)從大到小或者反方向的方式展開(kāi)單項(xiàng)調(diào)節(jié)測(cè)試），在額定水頭額定流量下的機(jī)組發(fā)電效率情況，根據(jù)機(jī)組發(fā)電效率，選擇最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系。

想要避免機(jī)械死區(qū)破壞測(cè)試的精準(zhǔn)度，就可以在測(cè)試期間單方向調(diào)整導(dǎo)葉以及槳葉，如果在某個(gè)值調(diào)的過(guò)大、就需要返回上一級(jí)，然后從新調(diào)整，導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)整的過(guò)程之中，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和出力情況進(jìn)行記錄，包括震動(dòng)值、擺渡值、機(jī)組的有功功率輸出和溫度變化，從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和出力狀況出發(fā)，確定基礎(chǔ)的最佳斜連關(guān)系曲線，想要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的優(yōu)化保障，就需要從機(jī)組的穩(wěn)定性出發(fā)，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行平衡處置。

3.2.4 定水頭運(yùn)行試驗(yàn)

選取在大莊水電站額定水頭15.3m、加權(quán)平均水頭16.1m、最大利用水頭為17.8m、最小利用水頭13.2m 四個(gè)不同水頭，機(jī)組在負(fù)載條件下，在設(shè)定好的導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系情況下只對(duì)調(diào)速器發(fā)電水頭參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果得出，機(jī)組在加權(quán)平均水頭16.1m 條件下負(fù)荷增加3MW，發(fā)電效率最高，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；在額定水頭15.3m、最小利用水頭13.2m 條件下機(jī)組負(fù)荷幾乎維持不變；在最大利用水頭為17.8m 條件下負(fù)荷增加1MW。

這樣做的目的是可以確定機(jī)組在枯水期、汛期的運(yùn)行方式，在1～4月份和11～12月份枯水期將調(diào)速器發(fā)電水頭參數(shù)設(shè)定為最大利用水頭17.8m，在相同發(fā)電流量條件下日負(fù)荷增加1MW，日發(fā)電量約增加0.24萬(wàn)千瓦時(shí)；在5～10月份訊期將調(diào)速器發(fā)電水頭參數(shù)設(shè)定為加權(quán)平均水頭16.1m，在相同發(fā)電流量條件下日負(fù)荷增加3MW，日發(fā)電量約增加0.72萬(wàn)千瓦時(shí)，僅此一項(xiàng)就能滿(mǎn)足電站全年綜合廠用電量，合理利用了水力資源，提高了發(fā)電機(jī)效率，也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的[2]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行分析后，得出大莊水電站兩臺(tái)機(jī)組在16.5m 加權(quán)平均水頭附近條件下機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。曲線規(guī)律優(yōu)化之后，和原協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線規(guī)律基本保持一致，根據(jù)同一導(dǎo)葉開(kāi)度比較，顯示優(yōu)化后的槳葉開(kāi)度較原本開(kāi)度增加5%～9%，具體協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線優(yōu)化對(duì)比情況如圖1、圖2、表1、表2。

圖1 調(diào)整前后槳葉開(kāi)度對(duì)比圖

圖2 調(diào)整前后負(fù)荷對(duì)比圖

表1 調(diào)整前后槳葉開(kāi)度對(duì)比表

表2 調(diào)整前后負(fù)荷對(duì)比表

協(xié)聯(lián)曲線關(guān)系得到優(yōu)化的同時(shí)，機(jī)組振動(dòng)擺度情況得到了明顯的改善，震動(dòng)區(qū)內(nèi)（35%以下導(dǎo)葉開(kāi)度）進(jìn)行的過(guò)程之中，機(jī)組最大震動(dòng)以及擺動(dòng)幅度值降低了26%左右，非振動(dòng)區(qū)域內(nèi)（40%以上導(dǎo)葉）開(kāi)度進(jìn)行過(guò)程中，機(jī)組保持著良好的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線優(yōu)化升級(jí)后，機(jī)組出力在不同導(dǎo)葉開(kāi)度下得到了明顯提升。

6.25m 水頭下，導(dǎo)葉開(kāi)度在70%時(shí)優(yōu)化后的機(jī)組出力較優(yōu)化前增長(zhǎng)了0.52MW，導(dǎo)葉開(kāi)度在70%優(yōu)化后的出力較優(yōu)化前增長(zhǎng)了0.74MW；導(dǎo)葉開(kāi)度為75%，機(jī)組超過(guò)額定負(fù)荷5.5MW，運(yùn)行水輪機(jī)指數(shù)效率提高了5%到7%，協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線得到優(yōu)化，機(jī)組耗水率也因此下降，機(jī)組出力也能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的具體需要[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

大莊水電站的兩臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組利用協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線優(yōu)化的方式，不僅促進(jìn)了發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的提升，滿(mǎn)足了發(fā)電機(jī)額定出力的具體需求，并且了增強(qiáng)機(jī)組的穩(wěn)定性能。目前，大莊水電站#2發(fā)電機(jī)組已持續(xù)運(yùn)行超過(guò)了8033小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了歷史新高。

在此過(guò)程之中不難看出，調(diào)速器優(yōu)化協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的方式有效改善了軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況，并且實(shí)現(xiàn)了協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的優(yōu)化升級(jí)，充分發(fā)揮了其對(duì)發(fā)電效率的作用。但是值得注意的是，軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，不可以只從廠家規(guī)定的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行調(diào)整，需要根據(jù)實(shí)際情況展開(kāi)判斷其是否為發(fā)電機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，進(jìn)一步提升機(jī)組的發(fā)電性能。