用虚拟水头协联关系提高KAPLAN机组出力修改稿

1、用虚拟水头协联关系提高KAPLAN机组出力郑程遥(广东水利电力职业技术学院 广东广州，510635) 摘要：在装有KAPLAN机组的水电站，利用 “虚拟水头协联关系”，可显著提高机组出力。在理论分析的基础上，以广东惠州东江水电站的多次试验验证了相关结论，为水电站运行实践提供了一种新的思路。关键词：KAPLAN机组，协联关系，虚拟水头，机组出力0. 引言目前，在装有KAPLAN机组的水电站，一般是将导叶开度与桨叶开度的协联关系，刚性的固化在机组的调节规律中。只要通过压差计将水头信号引入调速器的协联程序中，则协联关系就唯一的确定了。在这种协联工况下运行，水轮机的效率指标是最优的。但是，由于KAPL

2、AN机组多用于低水头径流式电站，当电站调节性能较差时，如果电站来水流量Qc大于这种协联关系下的机组最大引用流量Qu，电站将弃水运行。如果在这种情况下，我们将追求效率最优的协联关系改变，选择一合适的协联关系，虽然其效率较常规运行协联关系下的效率有所降低，但却可以使机组引入较多流量，且能稳定运行，电站出力反而增加，这对提高电站经济效益，是非常有意义的。事实上，当时，用虚拟水头法，就很容易找到相应的协联关系。1 模型1）效率最高模型（max模型）对KAPLAN机组，其典型应用为轴流转桨式与灯泡贯流式。常规情况下，机组的协联关系是在一定的水头下，求得水轮机桨叶开度与导叶开度的最佳组合，使得效率max。

3、当然，机组也要满足设计工况的出力、加权平均效率和稳定性的要求。综合上述，这种情况机组出力的数学模型为：（2.1）（2.2）（2.3）（2.4）式（2.1）表明，机组的出力是在效率最优情况下取得的。式（2.2）表明，在水头一定时，机组的最大效率取决于其导叶开度与桨叶开度的最佳组合（opt为最优条件optimum的缩写）。式（2.3）指明，机组的取用流量小于相应水头下的最大流量，而这个最大流量是囿于最优协联关系的。式（2.4）则要求，各种安全稳定运行指标Si（摆度、噪声、空蚀、温度、出力等）不大于其容许值，有些指标如出力，则应在允许值域内取值。2) 出力最大模型（maxN模型）为了提高电站的经济效

4、益，当来水流量大于全部机组在上述运行方式下的最大流量时，我们建立下述数学模型：（2.5）（2.6）（2.7）式（2.5）（2.7）表明，当电站来水流量充裕时，其协联关系是在满足安全稳定运行的前提下，求得流量与效率之积的最大值。因为即显然，前一种模型的目标是效率最优，后一种模型的目标是出力最大。当时，从经济效益角度，采用后者较优。2 虚拟水头法的基本原理KAPLAN机组的协联工况点，是通过水轮机模型试验初步拟定的（实践中可作些微调）。一般是先对几个规定的叶片角分别进行试验，并给出相应的单个主要综合特性曲线，然后作某一单位转速的水平线，与诸定转桨式水轮机的等线和线相交。按照这些交点可以作出不同角下

5、的和曲线（为单位流量），作诸包络线，即得指定值下的最优效率曲线。包络线与单个效率曲线的切点，就代表在指定及角下的效率最高点，这些点即为协联工况点，如图2.1和图2.2所示。图2.3为奥地利ANDRITZ公司提供的广东惠州东江水电站灯泡贯流机组协联关系曲线。图2.3 广东惠州东江水电站灯泡贯流水轮机导叶开度与桨叶开度协联关系曲线KAPLAN型水轮机的基本特征是：只有严格保持协联关系所决定的转角与导叶开度之间的组合关系时，它才是有效的（效率最高的）。所以一般水电站将之刚化的固定在调速器的程序中，而将实时的水头信号作为控制信号。这样机组就完全按效率最优的工况运行了。此外，对KAPLAN机组，当其水头

6、低于设计水头时，出力受到空蚀性能的限制，它与机组的安装高程有关。一般情况下，受空蚀限制的机组出力大于模型1计算出的最大出力，这就为应用模型2留出了空间。从图2.12.3可看出，要按第二种模型确定运行工况，有两种途径：1） 解除原有的协联关系，将导叶开度尽可能开大，然后调节角使出力尽可能大。2） 屏蔽原来实际的水头输入信号，将导叶尽可能开大，尔后虚拟一些水头输入信号，从而改变协联关系。用斐波那契和黄金分割法，进行一维搜索，求得在某一个“虚拟水头”下，满足稳定运行要求的最大出力。第一种途径在流量恢复正常时，恢复协联关系较为困难，因而不宜采用。第二种途径仅仅只改变水头输入信号，实现起来非常容易，且不

7、改变原有的协联关系。这两种数学模型的转换十分方便，即：当时，采用实际的水头作为输入，这时效率最高。当时，虚拟水头Hv大于实际水头H，此刻调速器受虚拟水头Hv下的协联关系控制。这时在导叶开度不变的情况下，角会增大（如图2.3所示：导叶开度为92时，如实际水头为3m，虚拟水头为5m，则协联工况点由A点变到B点，角从60°变到80°），从而过流量会增加，虽然效率降低一点，但总的出力有望增加。我们着重指出，当角增大时，虽然流量增加，但效率却会降低。运行实践表明，当角过于增加时，有时出力反而下降（Q变小）。所以一般应采用一维搜索，求出最佳的“虚拟水头”。同时应监测各项稳定运行指标在允

8、许范围内。3 运行实践广东惠州东江水电站为无调节低水头径流式电站，装机容量4×16MW（近期）设计水头6.48m。当流量较大（水头较低，有弃水）时，我们按模型2做了多次试验，其中较典型的试验结果表1：表1 惠州东江水电站虚拟水头法单机测试数据实际水头（m）导叶开度(%)调速器水头（m）桨叶开度(%)机组出力（KW）大轴摆度（mm）（X，Y） 轴承振动（mm）（X，Y）轴电流（A）机组出力增量（KW）机组出力增量百分比(%)3.092.23.058.660000.11，0.080.04，0.090.08/3.565.063000.13，0.070.04，0.110.07/ 4.0 71

9、.567000.15，0.090.05，0.120.0970011.74.575.967000.15，0.100.06，0.150.08/3.492.13.564.666000.12，0.090.04，0.100.08/4.070.969000.14，0.090.04，0.090.08/4.574.872000.16，0.110.06，0.120.08/ 5.0 80.373000.15，0.100.07，0.140.0770010.65.584.972000.17，0.100.07，0.170.08/4.592.24.575.9112000.17，0.080.03，0.090.07/ 5.0

10、 80.5117000.19，0.090.04，0.110.075004.55.584.8116000.19，0.100.05，0.130.07/ 选定的虚拟水头。从试验结果来看，在来水流量足够时，采用虚拟水头法运行，可增加出力512（随水头变化），效益是相当可观的。由于水轮机过流流态及其边界条件的复杂性，所以纯理论分析很难求得出力的最大值（严格说来为极大值）。因此建议通过试验的方法求得，然后将试验数据记录下来，作为运行的依据。4 结语在能源十分紧缺的今天和明天，对水电站的运行工况进行优化，有着十分重要的经济意义。本文提出的KAPLAN机组的最优运行方式为：（5.1）（5.2）用虚拟水头法，只

11、要适当改变调速器的输入水头信号，就可方便的实现这种运行方式，产生良好的经济效益。广东惠州东江水电站的员工，已经自觉的应用这种运行方式，为企业创造了可观的价值，值得推广。参考文献：1 张勇传.水电站经济运行M.北京：中国水利水电出版社.1998年10月.2 程良骏.水轮机M. 北京：机械工业出版社，1981年10月. Coherence Relationship between Runner Blade and Guide Vane of the Virtual Water Head forRaising KAPLAN Turbines to ContributeZheng Chengyao （

12、Guangdong Technical College of Water Resources and Electric Engineering，Guangzhou Guangdong 510635） Abstract: In the Hydroelectric power station with Kaplan Turbines, Units output can be easily raised by using the coherence relationship between runner blade and guide vane of the virtual water head. This paper verifies the related conclusions through theoretical analysis and testing at Huizhou Dongjiang Hydroelectric Station in Guangdong