第２２卷第４期 甘肃科学学报 Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．４ ２０１０年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｓｕ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｄｅｃ．２０１０ 协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响 宋厚彬 ，李正贵 （１．兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 ７３００５０； ２．甘肃柴家峡水电有限公司，甘肃兰州 ７３００６５） 摘要： 由于灯泡贯流式水轮机组低水头、大流量的特点，使得机组运行中导叶与浆叶的协联关系 对机组运行工况与效率比较敏感，在运行过程中试图通过手动方式改变设计协联曲线使其最优运 行，一定程度上解决了柴家峡水电站灯泡机组在运行中由于水流流态不稳定等原因而导致的振动、 摆度异常、声音过大的问题，同时也提高了机组的出力，具有一定的经济及社会效益． 关键词： 灯泡贯流机组；协联曲线；水头；出力 中图分类号：ＴＫ７８３＋．８ 文献标志码： Ａ 文章编号：１００４—０３６６（２０１０）０４—０１４５—０５ Ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｇｎａｔｅ Ｃｕｒｖｅ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ Ｂｕｌｂ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＳＯＮＧ Ｈｏｕ—ｂｉｎ ，ＬＩ Ｚｈｅｎｇ－ｇｕｉ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｇｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｉｊｉａｘｉａ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｒｅ ｔｗｏ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｂｕｌｂ ｔｕｂｕｌａｒ ｔｕｒｂｉｎｅｓ．Ｔｈｅｓｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｇｕｉｄｅ ｂｌａｄｅ ａｎｄ ｒｏｔａｒｙ ｂｌａｄｅ ｒａｔｈｅｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｅｔ．Ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｗｅ ｔｒｙ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｍａｎｕａｌ ｍｏｄｅ ｔｏ ａｌｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｇｎａｔｅ ｃｕｒｖｅ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｅｔ ｃａｎ ｇｅｔ ｉｔｓ ｏｐｔｉｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔｅｎｔ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｂｕｌｂ ｔｕｂｕｌａｒ ｔｕｒ－ ｂｉｎｅ ｉｎ Ｃｈａｉｊｉａｘｉａ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ａｂ— ｎｏｒｍａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ。ｓｗｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｕｎｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｇｅｎｅｒａ— ｔｉｎｇ ｓｅｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｏｍｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ａｒｅ ｔｏ ｂｅ ｇａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｕｌｂ ｔｕｂｕｌａｒ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ；ｗａｔｅｒ ｈｅａｄ；ｏｕｔｐｕｔ 近年来随着我国江河上灯泡贯流式水轮机组的 是黄河龙青段上第１８座梯级水电站，电站正常蓄水 开发建设不断增多，尤其是该机组的低水头、大流量 水位１ ５５０．５ ｍ，初期发电水位１ ５５１ ｍ，装机容量 的特点给水轮机调节系统稳定运行带来了一定的困 ９６ Ｍｗ，水轮发电机采用４台灯泡贯流式机组［ ； 难；另外河道区段水流流态的不断变化、机组进口水 随着柴家峡电站各台机组的逐步投入运行，机组的 头损失等因素，对该类型机组的运行工况比较敏感， 振动、摆度、声音、出力也出现了一些同类问题，为此 也给机组的稳定、安全运行带来较大的影响Ｌ１］，故如 电站组织工程技术人员着手进行分析、研究，并确定 何找到较好的切人点来解决这方面问题的技术课题 以修改协联曲线为切人点来研究该类型机组的运行 也随之增加，同时此类问题也是相关学者和专家关 工况，也取得了一些初步研究成果． 心的热点． 黄河柴家峡水电站是位于兰州市西郊黄河干流 １机组调节系统的协联关系 上的一座中型水电站，距上游八盘峡水电站１７．９ ｋｍ， 灯泡贯流式机组导叶与轮叶关系具有协联特 收稿日期：２０１０—０７—１９ １４６ 甘肃科学学报 ２０１０年第４期 性：当导叶角度一定时，水轮机效率曲线的高效率区 较窄，贯流式水轮机轮叶可调，每种轮叶都有与之相 配合的角度，每种轮叶角度的高效率区，都有对应的 导叶开度，即导叶与轮叶有一定的协联关系，在不同 由于导叶接力器是处于主动地位，故可先运算 求出微机调速器内的导叶开度，再按运行水头，求取 浆叶开度，考虑到协联曲线一般较为平坦，对于急剧 变化的区段，应缩短接点之间的间距，在实际运行 中，为了获得理想的运行效果和经济效益，要根据实 水头下，导叶开度与轮叶角度之间会存在着不同的 协联．反映不同水头下导叶开度与轮叶角度之间的 协联的组合，称为导叶与轮叶协联关系口］，也是一组 协联曲线． 在水轮调节系统中，导叶与浆叶的协联关系由 际情况对协联曲线进行校正［５］． 灯泡贯流式机组的导、浆叶之间的协联关系在 设计阶段，一般参照水轮机调速系统设计手册［５］，理 论上初步设计为最优计算运行方式，柴家峡水电站 １～４号均为灯泡贯流式机组，其调节系统的协联关 系，即不同水头下的导叶与桨叶之间的配合协联关 系见表１． 表１柴家峡水电站水轮机组设计协联关系 程序来实现．一般情况下，协联曲线由水轮机制造厂 家提供，在运行中是否最优，需要在现场实际中探 索、总结［４］． 在实际运行中，经过程序运算后按照某平滑曲 线运行，柴家峡电站水轮机在不同水头下的导叶与 机的调节系统在原设计协联关系下运行，由于水头 损失在不同江河、不同电站各有不同，在设计阶段往 往容易忽略，这样机组实际为一种非协联工况运行 状态口］，故会出现机组振动、摆度增大、运行声音异 常、出力降低等问题，这些问题也是灯泡贯流式机组 桨叶的设计协联曲线 见图１． ７Ｏ 普遍存在的问题． 氲６０ 菩５０ 卅 ３０ ２协联曲线的修改试验及应用 对电站来讲，柴家峡水电站４号、３号、２号机组 并网发电后，工程设计所期望达到的性能和效果也 开始经受测试．如何通过改变可调参数，使机组达到 理想的运行状态，也是工程技术人员面临的一个研 究课题，在现有的条件下对流态、机组的运行声音、 振动、摆度、出力等进行初步分析，确定通过改变机 组协联参数来进行试验，寻找最优运行工况． 第ｚｚ卷 宋厚彬等：协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响 １４７ ２．Ｉ手动破坏协联关系 手动破坏协联关系也就是调速器的运行方式由 ２００８年１１月１７日８时开始，在连续１４ ｄ的时间 内，每天对流量在７００ ｍ。／ｓ的条件下，保持坝前水 位在１ ５５０．８８士０．０５ ｍ内，尾水位在１ ５４１．２Ｏ土 ０．０５ ｍ内，固定导叶不变，改变浆叶角度，以３号机 自动变为手动，然后进行定导叶变浆叶的操作，寻找 导叶有限高效率区间的最优浆叶开度．这种试验也 是对运行机组最优运行方式的测试，同时对主机厂 试验得到的协联关系数据进行校核、修订［８］．从 组为对象进行试验，试验数据（有一定栏污栅压差） 见表２． 表２同流量、同测量水头、同导叶开度下不同浆叶的机组出力比较 伯 ０ Ｏ 加 Ｏ ０ ０ 伯加０ ０ 伯０ ０ 加 ０ Ｏ 加 Ｏ Ｏ 加 ０ ０ １ ５５０．８８ １ ５５０．８９ １ ５４１．２Ｏ １ ５４１．Ｚ１ ８．１８ ８．１８ ８．１６ ８．１７ ８．１６ ８．１７ ８．１７ ８．１７ ８．１８ ７４．３／６１．０ ７７．ｏ／６７．０ ７４．３／６８．０ ７７．０／７４．０ ７７．６／７７．３ ７７．０／７４．０ １ ５５０．８８ １ ５５０．８７ ｌ Ｓ４１．２２ １ ５４１．２Ｏ ７７．６／７０．３ ７７．０［６７．０ １ ５５０．８８ １ ５５０．８８ １ ５５０．８８ １ ５４１．２２ １ ５４１．２１ １ ５４１．２ｌ １ ５４ｌ－Ｚ１ １ ５４１．Ｚ１ ７７．０／６７．０ ７６．７／６６．９ ７６．７［６７．２ ７４．３／６０．８ ７７．０／７４．０ ７６．７／７３．９ ７６．７／７４．２ ７４．３／６７．８ １ ５５０．８８ １ ５５０．８９ ７５．７［６４．６ ７５．７／７１．６ １ ５５０．９０ １ ５５Ｏ．８８ １ ５４１．２１ １ ５４１．２１ ８．１９ ４ ８．１７ 如船 ２ ８ ４ ７５．４／６ｓ．３ ４ ７５．４／６５．３ 船 ２ １ ０ １ １ 孙 黔 ６ 扭 １ ４ ４ ６ ７５．４／７２．３ ７５．４／７２．３ １ ５５０．８８ １ ５５０．８７ １ ５５０．８８ １ ５５０．８８ ｌ ５４１．Ｚ０ １ ５４１．２１ １ ５４１．２１ １ ５４１．２１ ８．１８ ８．１７ ８．１７ ８．１７ ７７．０［６７．０ ７７．０／６３．０ ７６．６／６７．１ ７６．６／６７．１ ７７．０／７４．０ ７７．０／７０．０ ７６．６／７４．１ ７６．６／７４．１ 这种固定流量、上下游水位、水头、开度参数不 变，增大浆叶开度的方式，也就是人为的把设计８ｍ 对应的协联曲线水平平移５。的浆叶转角单位，实际 运行在８．１７ １＂Ｉ＇Ｉ对应的曲线上，如图２所示；由表２ ８ ６ ２ 他江河流域的灯泡贯流式运行经验，安装并利用水头 自动调节系统来协联导叶及浆叶存在如下问题［１０］： 勰 ７ ６ 孔捣 ９ （１）水力特点使流动过程中水击频繁，易造成 匏 嬲 ；３ 孔 ４ ５ ４ ６ ５ ９ ８ Ｏ Ｏ 流道内正负水锤，这种干扰使调速系统不稳定，时常 引起不必要的停机、突然甩负荷等大波动，对机组及 电网用户会造成损失． 也可以看出，机组的单位出力有一定程度的提高，同 样现场观测到机组的振动、摆度、运行声音均得到一 定改善． （２）水力监测的泥沙及沉淀的污物易堵塞压差 表的取水压装置的问题，一直没有好的解决办法，而 且处理一次，停机、排水需要几天时间，经济性差． （３）由于一年四季的水质总在不断变化，同时 毯 毒 面｝ 随环境的变化，由压差传感计算出的协联水头的偏 差变化范围达不到调速器的要求． 鉴于以上原因，在大部分灯泡贯流式机组利用 协联水头值来自动协联导、浆叶的设计思路均没有 浆叶角度 ） 得到实际应用．柴家峡电站处在黄河干流上，汛期水 质较差，故该装置暂不能投入运行，但作为一个课题 研究考证后进行调试应用，现人为调节调速器柜面 图Ｚ柴家峡电站水轮机变浆叶后协联曲线 ２．２人为改变协联水头 按照设计规范嗍要求，机组运行协联水头由各机 组的水力检测系统测压装置送至调节系统的控制部 上的协联水头参数来改变机组运行工况，以实现设 计性能［】 ．从２００８年１１月１８日９时开始，在连续 分，然后按设计好的协联关系自动调节运行，根据其 １４ ｄ的时间内，每天对流量在６００ ＩＴＩ。／ｓ的条件下， １４８ 甘肃科学学报 ２０１０年第４期 保持坝前水位在１ ５５０．９６士０．０５ ｍ内，尾水位在 １ ５４１．５７±０．０５ ＩＴＩ内，改变调速系统设定水头，以２ 号机组为对象进行试验，试验数据（有一定栏污栅压 差）见表３． 表３ 同流量、同测量水头、不同协联水头下的机组出力比较 由表３可知，运行最大净水头为Ｈ ＝ ８．３３ １ＴＩ，最小净水头为Ｈ ｉ 一７．７０ ｍ，平均净水头 为Ｈ平均一７．８４ ｍ．可以看出毛水头与净水头存在一 定的偏差，这样产生水头损失，故在同时段内改变调 速系统协联水头的设定值，即人为抬高协联曲线的 水头值，如图３所示，也就是使导叶、浆叶协联关系 平移１ ｍ，机组的运行点由原来的８．３３ １ＴＩ曲线上的 口点，强制到８．８ ｍ曲线上的ｂ点运行，由表３可以 看出：机组出力增加，现场其他效果比较明显． ７Ｏ ６０ ５ｏ ４ｏ ３Ｏ ２０ ０ ｌＯ ｌＳ ２Ｏ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ 浆叶角度，（。） 图３改变协联水头后导、浆叶协联曲线变化 表４ 同流量、同测量水头、不同协联水头下的机组振动与摆度的比较 第２２卷 宋厚彬等：协联曲线修改对灯泡贯流式水轮机组的影响 １４９ 实际上，手动破坏协联曲线和人为改变协联水 方面的研究工作，通过观察分析并确定以手动改变 协联曲线和手动抬高调节系统的设定协联水头为切 头具有同样的效果，这２种方式都可等效为灯泡贯 流式水轮机组调节系统的协联曲线的修改，现以改 变协联水头的试验数据作为计算依据，来分析应用 效果： 人点，进行现场试验、摸索及整定修改，使机组的运 行工况进一步改善，机组的效率有了一定程度的提 高，效果比较明显．这方面的研究也走在同行前列， （１）发电量：根据以上试验分析，在当时相同水 情及运行工况下，机组出力可由额定值的８６．７４ 提高至８８．７７ ，按４台机组全年的运行数据统计 计算，可增发电约１ １５２×１０ ｋＷ・ｈ． （２）振动及摆度：从机组在线监测系统上ｎ。 记 为此类型机组在黄河干流上稳定运行提供了宝贵经 验，取得了良好的社会与经济效益． 参考文献： 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，ＺＯＯ６：Ｉ－１１． 录的数据见表４．可以看出，试验前后机组关键部位 的转轮室振动最大减少量为４９ ｔｅｍ，按照机组振动、 摆度非协联工况区分级标准表［１引，同比减振 １５．３ ；径向轴承最大减少量为３５／ｚｍ，按照机组振 动、摆度非协联工况区分级标准表［１ ，同比减振 ］ ］ ］黄河柴家峡水电站可行性设计报告［Ｒ］．西安：中国水电顾问 集团西ｊＥ勘测设计院，２００２：１－６． 魏守平．现代水轮机调节技术［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版 ［ ４ ］ ［ １ ［ ２ ［ ３ 社，２００２：１－１０． ［ ５ ［ ６ 水轮机电气调节系统说明书［ｚ］．武汉宜昌市能达通用电气 ］ ］ ］ ］ ］ ］ ］ ］ 股份合作公司，２００７：１１－１３． ７ ［ ［ ８ ［ ９ ［ ［ ｎ ［ ［ ］ １１ ；其他部位振动也有减小，这样会使机组的运行 工况和寿命有很大的改善． （３）运行声音：改变协联水头后机组的运行声 音有明显的改善，达到同类机组要求． 哈尔滨大电机研究所，水轮机调速器、自动化设计手册［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，１９７６：２５５—２６７． 主机厂提供的导叶、浆叶协联曲线［Ｚ］．广东韶关众力发电设 备有限公司，２００５：１－５５． ３ 结语 灯泡贯流式水轮机组在我国的发展历史较短， 该机组在黄河干流上的应用时间更短，该类型的水 轮机组的设计、制造、安装、运行还处于摸索、完善阶 段．这种机组低水头、大流量的特点易于在大多江 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；７７－８３． ＳＤ２９５－８８，水轮机电液调节系统及装置技术规程［Ｍ］．北京； 中国水利水电出版社，１９８８：５－６． 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，１９７６：４５３—４５８． ＧＺ９９５－ＷＰ－７２０型水轮机组技术说明书Ｅｚ］．广东韶关众力发 电设备有限公司，２００５：１２—１５． 郭中桅．中小型水轮机调速器的使用与维护［Ｍ］．北京：中国 水利水电出版社，１９８６：１１—１２． 河、河段上建设运行，但也使机组对流态变化、水头 损失比较敏感，会使机组运行振动增大、声音异常、 出力下降，这也是同类机组的一个难题，故关于这方 面的研究存在一定空间并具有一定的意义．自柴家 峡水电站首台机组成功启动后，各机组在运行中也 暴露出此类问题，故电站的技术人员也同时着手这 刘万景，曹洪恩．水轮发电机组运行状态监测［Ｊ］．水利水电技 术，１９９５。２６（Ｓ）：ｌｌ—ｌ４． ＧＢ／Ｔ６０７５．５－２００２，在非旋转部件上测量和评价机器的机械 振动［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９８８：２３—３６． 作者简介： 宋厚彬（１９７５一）男，江苏省赣榆人，２００７年毕业于兰州理工大学电气工程与信息工程学院，工学硕士，现为兰州理工大学 电气工程与信息工程学院工程师，主要从事控制理论与控制工程、电气工程方面的研究．
