胡江伟

（江西赣能股份有限公司居龙潭水电厂，江西 赣州 341000）

由于灯泡贯流式水轮发电机组有效率高、结构简单、施工方便以及可开发资源丰富等显著特点，因此灯泡贯流式水电站在我国得到了迅速发展。灯泡贯流式机组的高效率一方面得益于其进水管和出水管均不拐弯，使得过流通道水力损失小；另一方面设备厂家通过模型试验形成了水轮机协联曲线，可以保证机组高效率运行。

对已投运的水轮发电机组，受水轮机制造偏差、上游进水口形态、下游河道泄洪冲刷、现场流道情况、机组安装情况等因素的影响，设备厂家给定的协联曲线与现场实际状况存在偏差，导致水轮机运行工况不佳，水轮机内部水流紊乱、空化性能恶化、振动增大，影响其运行的稳定性、经济性和设备的寿命。机组投产后，须结合现场实际对机组协联曲线进行优化校核，以提高水轮机的运行效率和稳定性。

《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》（gb/t 20043-2005）规定了水轮机性能试验相关参数的测量方法，主要包括上、下游水位、水轮机流量差压、水轮机水头差压以及流量、效率等。在现场优化试验中，受测量仪器、现场条件所限，测得的结果精度无法满足要求，直接影响校核优化结果，需要逐个研究分析并给出具体解决方法，提高试验精准度。

水轮机的工作水头即水轮机进口和出口的比能差，它包括压力势能差、高程差和动能差。该电站投运后一直采用人工水头，即以水情系统水库上、下游的水位（未计及水头损失）作为水轮机工作水头输入调速器。受到机组进水口拦污排、拦污栅以及流道水头损失的影响，该方法计算出的水头与实际有效工作水头存在较大误差（实际测量拦污栅前后水位差达3m），直接导致水轮机导叶、桨叶的协联关系与设计值存在偏差。同时上游水位变化较大，值班人员需要频繁更改水头，无法满足无人值班、少人值守的需要。当更改水头参数时，调速器按照对应水头协联曲线进行调节，机组有功负荷发生波动，影响发电功率曲线稳定。

针对自动水头采集问题，现场进行检查分析来找出原压力传感器的故障原因，通过清理疏通进水闸、尾水管、导叶前、灯泡头等处测压管，选取更合理的进水闸后、尾水管出口压力作为测点，测量管路布置示意图如图1 所示。更换校核失效的压力变送器（图1 差压变送器2），选用精度更高的压力变送器，彻底解决采集数据误差大的问题。参考有关文献研究成果，修改完善调速器自动水头采集功能，将扫描周期修改为10min，水头变化率设置为20cm，解决水头变化频繁引起调速器调节频繁的问题，实现水头的自动采集功能。对两台机组采集的自动水头存在10cm～20cm 差值的问题，经与人工测量值对比，符合现场实际情况（二号机组进水口处有导墙，产生水流旋涡导致拦污栅堵塞物较多），且满足现场校核试验及以后机组运行需要。

水轮机过流量是直接关系到机组效率测试的重要参数。《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》（gb/t 20043-2005）规定当验收试验时，流量的测量应采用绝对法。也可以借助于相对法（指数法）补充一些资料，使某些操作变得容易一些。由于灯泡贯流式水轮机流道短、水头低、过流断面尺寸大、流速低，因此受现场条件所限，绝对法的流速仪法、毕托管法、压力时间法均难以实现。另外，现有设计院测算的水情系统下游水位-流量关系受历年泄洪冲刷下游河道变化影响，通过与下游当地政府水文局设置的水文站的数据进行对比，存在20m3/s～30m3/s 的流量误差。

对比多种流量测量方法，参考水轮机流量的间接计算方法及其应用，这次校核试验选用蜗壳差压法。其基本原理是在水轮机蜗壳同一断面选取两个不同位置的压力测量点，不考虑蜗壳中的水流损失，根据等速度矩规律和伯努利方程，推导出过流量理论计算公式（1）。

式中：为蜗壳差压流量系数，Δ为灯泡头、导叶处差压。

灯泡贯流式机组的流道即混流式水轮机的蜗壳，将混流式水轮机蜗壳处的高压测孔和低压测孔分别改为贯流式机组前流道灯泡体的驻点和活动导叶处，按图1 布置测量点，采集两点处的差压（图1 差压变送器1）即可得到Δ。式中流量系数的计算是关键和难点，利用其固有的与导叶开度和水头差压无关的特性，在校核试验前调整机组有功功率，使它在额定工况处运行，读取差压变送器1 的值，以水轮机设计的额定流量236.15m3/s 作参考，代入式（1），初步计算出值。

图1 水头、流量差压测量点选取示意图

其中，一号机组流量系数如公式（2）所示。

待机组稳定运行1 小时后，校核下游900m 处当地水文局水文站所测流量。其中一号机组额定功率时对应流量为241.62m3/s，修正流量系数为57；二号机组额定功率时对应流量为217.34m3/s，修正流量系数为46.7，按照式（1）来计算试验时机组的过流量。

两台机组设计参数完全相同，当投产时，两台机组使用设备厂家给定的同一协联曲线。但两台机组的实际外部条件（进水口、尾水出口形状等）存在较大差异，其中二号机组进水口受导墙影响，有明显的旋涡影响水流形态。这次试验分别对两台机组进行校核优化，形成每台机组的新协联关系曲线。

由于受到水头范围大等因素影响，现场针对每个水头进行试验校核时费时费力、经济性差。因此，这次校核试验在该电站水头变化范围内（9.5m～18m）选取机组经常运行的水头作为试验校核点。同时，考虑到两台机组的进水口和尾水出水口的形态不同，分别选取不相同的水头。其中一号机组选择11m、14.2m、15m、16m、17m 五个水头，二号机组选择12m、14.2m、15m、16m、17m 五个水头。对于其余水头，通过这五个水头的试验结果拟合求出函数关系式，用函数关系式（可决系数≥0.999）按给定导叶开度计算出对应桨叶开度值，经过现场验证后作为其他水头的协联。

灯泡贯流式水轮机协联校核试验一般采用固定桨叶开度、改变导叶开度的方式进行。也可以采用固定导叶开度、改变桨叶开度的方式进行。前者常用于模型试验，后者多用在大导叶开度，比较方便。

现场试验中如果采用前者，一旦频繁调整导叶，特别是大开度调整导叶，导叶接力器用油量会远大于桨叶接力器的用油量，导致压油装置油泵启动频繁，机组的有功功率变动幅度较大，影响机组工况稳定。经对比，优选后者作为现场试验方法。对两种方法可能对试验结果造成的影响，在完成初步试验后，再任意选取一水头，通过固定桨叶开度，改变导叶开度，进行数据反向验证，根据验证偏差进行修正。

按校核试验方案布置hsj 多功能测试仪，安装各部位传感器，连接各参数测量插头。对差压传感器、压力传感器、涡流传感器、振动传感器进行率定，保证测试仪正常运行。

调控水库水位，分别对每台机组依次选择11m（12m）、14.2m、15m、16m、17m 五个水头，按额定功率的50%、60%、70%、80%、85%、90%、95%、100%调整试验机组导叶开度（同时调整发电机励磁，保持功率因数不变），再调整另外一台机组的有功功率来保持试验机组的水头基本不变。保持导叶开度不变，调整桨叶开度分别为原协联开度的-6%、-4%、-2%，原协联开度，原协联开度的2%、4%、6%。在每个开度调整之后，待机组工况稳定时（1min），读取（或计算）并记录工作水头、导叶开度、桨叶开度、发电机有功功率、机组各部振动摆度等相关数据。

用水力学给出的水轮发电机组的总效率公式来计算水轮机的效率，如公式（4）所示。

式中：为发电机有功功率，kw；为水轮机流量，m3/s；为工作水头，m；为水轮机发电机组总效率，%；为水轮机效率，%；为发电机效率，%。

其中总效率又可表示如下。

由式（4）、式（5），可得式（6）。

式中：发电机有功功率由功率表直接读取；水轮机过流量由式（1）计算；工作水头由水头差压传感器读取。

在调整桨叶的过程中，需要注意监视机组振动摆度及工况。特别当导叶开度大于90%以上，工作水头达到或接近最高水头时，机组有功功率超过额定功率，振动摆度超过允许值，影响机组设备的安全，须减少桨叶开度试验点，缩短试验时间。

对试验得出的各项数据汇总整理，重点分析各试验点处机组效率和振动摆度值，以振动摆度值不超过设计允许值为原则，优选出各导叶开度对应的桨叶开度值，形成两台水轮机新的协联关系，与原协联关系的对比见表1、表2。

表1 一号机组桨叶与导叶接力器协联曲线校核优化前后对比表

表2 二号机组桨叶与导叶接力器协联曲线校核优化前后对比表

这次试验每台机组仅选择了五个水头，最低水头和最高水头的协联关系按前文1.3 研究所得方法进行计算。其中二号机组最低水头（9.5m）以14.2m、12m 的结果拟合求出函数关系式为=0.0004+0.9731-2.3695。最高水头18m 以16m、17m 的试验结果拟合求出函数关系式为y=-0.0017+1.195-1.849，如图2 所示。按给定导叶开度计算出对应桨叶开度值，现场验证优化后作为最低和最高水头的协联。其余水头的协联由调速器以插值的方式自动完成。

图2 16m、17m 的试验结果拟合图

对两种不同试验方法影响结果的验证，按前文1.4 所述，以二号机组为例，任意选取一水头17m，固定桨叶开度85%，改变导叶开度82%、81%、80%、77%，对比试验结果，发电机有功功率和效率偏差小于0.05mw、0.01%，满足试验要求，不再进行修正。

将新协联关系数据输入调速器，在校核试验范围内任选一水头，控制导叶为一固定值，通过手动方式调整桨叶为原协联值和新协联值，读取记录相关数据，计算出机组有功功率提升率，见表3、表4。

表3 一号机组（工作水头15.50m）

表4 二号机组（工作水头15.25m）

从表中数据可以得知，一是在导叶开度相同的情况下，两台机组的有功功率均有提高，其中二号机组的提升幅度大于一号机组，符合现场实际状况；二是导叶开度越小，优化后的协联关系曲线、机组有功功率提升的幅度越大，其原因有待其他课题另做研究；三是优化后的协联点并非全部是机组的最高效率点，一方面是需要兼顾机组振动摆度等状态数据；另一方面通过插值所得到的协联点只能接近最高效率，与设备厂家模型试验结果相符。

通过校核优化两台灯泡贯流式水轮发电机组导叶和桨叶协联关系曲线，形成了符合现场实际的最优协联关系，降低了机组运行时的振动，机组各项稳定性指标及效率达到最优。在这个过程中，分析了相关参数测量中存在的问题，完善了自动水头无法正常使用、振动摆度仪测量准确度低等缺陷，提高了机组运行的稳定性、安全性和发电效率。