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轉槳式水輪機調速系統節水增效控制方法研究

文檔作者：莊瑞玉１陳啟明２彭禮平１張強２文檔來源：１．國網新源水電有限公司富春江水力發電廠２．武漢四創自動控制技術有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2025年12月28日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
第３２ 卷
Ｖｏｌ．３２
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１８．０１．０１０
收稿日期：２０１７ －１２ －０２ 作者簡介：莊瑞玉，男，高級工程師，從事水力發電廠技術管理方面的工作。
轉槳式水輪機調速系統節水增效控制方法研究
莊瑞玉１，陳啟明２，彭禮平１，張 強２
（１．國網新源水電有限公司富春江水力發電廠，浙江桐廬 ３１１５０４；
２．武漢四創自動控制技術有限責任公司，湖北武漢 ４３００７０）
摘要：通過調速系統自動尋優檢測機組導葉與槳葉開度、有功功率、蝸殼差壓、振動擺度和計算機組相對效率，再利用信
息融合技術，獲得綜合考慮機組相對效率、功率波動和振動擺度等因素的最優協聯關系，實現了轉槳式水輪機的節水增
效控制，以最大可能的水輪機效率生產電能；同時，還可有效避開機組振動區，提高安全運行的可靠性及經濟效益。基于
自尋優和信息融合技術的優化協聯關系開發的調速器在富春江水力發電廠６ 號機的運用，達到了節水增效、機組穩定運
行之目的。
關鍵詞：轉槳式水輪機；節水增效；協聯優化
中圖分類號：ＴＫ７３ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１６７１ －３３５４（２０１８）０１ －００３８ －０３
Water Saving and Efficiency Improving Control of
the Governor in Kaplan Hydro－turbines
ＺＨＵＡＮＧ Ｒｕｉｙｕ１ ， ＣＨＥＮ Ｑｉｍｉｎｇ２ ， ＰＥＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ１ ， ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎｇ２
（１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｘｉｎｙｕａｎ Ｆｕｃｈｕｎｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ ， Ｔｏｎｇｌｕ ３１１５０４， Ｃｈｉｎａ；
２．Ｗｕｈａｎ Ｓｔｒｏｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ ．， Ｌｔｄ．， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ， ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｇｕｉｄｅ ｖａｎｅｓ ａｎｄ ｂｌａｄｅｓ ，
ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ， ｖｏｌｕｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｗｉｎｇｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｋａｐｌａｎ ｈｙｄｒｏ －ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｉｔ ａｒｅ
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ
ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ， ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｗｉｎｇｉｎｇ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ．Ｔｈｕｓ， ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ Ｋａｐｌａｎ ｈｙｄｒｏ－ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ｗａｔｅｒ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ．Ａｌｓｏ， ｔｈｅ
ｓａｆｅｔｙ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｖｏｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ．Ｔｈｅ ｇｏｖｅｒｎｏｒ ｔｈａｔ
ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｕｓｉｏｎ ｔｅｃｈ －
ｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｏ．６ ｕｎｉｔ ｉｎ Ｆｕｃｈｕｎｊｉａｎｇ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ． Key words： Ｋａｐｌａｎ ｈｙｄｒｏ－ｔｕｒｂｉｎｅ； ｗａｔｅｒ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ； ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
轉槳式機組在運行時，其導葉與槳葉間需維持一
定的協聯關系，以保證機組始終維持在高效區運行。
然而，由于機組的安裝運行條件、制造誤差以及原型機
與模型機之間的差異，通常由水輪機生產廠家提供的
協聯關系與真實的協聯關系可能有所不同，因此，調速
器生產廠家按水輪機生產廠家提供的協聯關系設定的
協聯曲線與真實的協聯關系也必然存在差異。目前國
內外調速器尚不具備協聯曲線的尋優功能和并網發電
后的最優控制，沒有對振動擺度和機組效率進行監測，
有時會因調頻調峰而使機組工作在振動區，不能很好
地滿足轉槳式水輪機穩定運行的要求，不能適應未來
智能電網高效、高可靠性的要求。本文研究的目的就
在于解決此問題，即應用自動尋優和信息融合技術，找
到機組真實的協聯關系（最優協聯關系），建立水頭、
導葉開度、槳葉角度、機組有功和機組穩定運行限制的
最優協聯關系曲線，實現轉槳式水輪機的節水增效控
制，充分利用來水的水能，以最大可能的水輪機效率生
產電能，達到少用水、多發電的目的，同時，可有效避開
３８
萬方數據
莊瑞玉，等：轉槳式水輪機調速系統節水增效控制方法研究２０１８ 年１ 月
機組振動區，提高機組安全運行的可靠性及經濟效益。
１ 最優協聯關系獲取方法
轉槳式水輪機的導葉與槳葉的協聯關系不僅直接
影響到水輪機的效率，而且還影響到機組的穩定運行。
一般制造廠家提供的協聯關系，通常是由模型試驗得
出的，但由于生產制造過程中的工藝水平所限，很難做
到原型與模型完全一致。因此，現場運行時要進行測
試和調整，以求得最優協聯關系［１］ 。
一般而言，當導葉與槳葉處于最優協聯關系時，槳
葉的角度比較順應水輪機流道的流態，水輪機的效率
最高，振動也最小，空蝕也比較輕微。因此，一般方法
是通過如下測試方法來獲得最優協聯關系，在每一測
點負荷穩定后（即有功波動不超過±１．５％，水頭波動
不超過±１．０％，轉速波動不超過±０．４％）：
１）機組帶負荷運行，調速器置于自動，在某一水
頭下，先按廠家的協聯曲線將導葉開到某一開度，槳葉
也協聯地開到某一角度，此時測量機組的有功Ng 和
蝸殼差壓h。
同時，測量記錄機組振動擺度；另外，還要根據以
下原理計算水輪機相對效率ηT 。
由于Q ＝K h
Ng ＝QHr· ηg · ηT （１）
故 ηT ＝ Ng
ηgγHK h
令 C ＝ηg Kγ＝１
則有
ηT ＝ Ng
H h （２）
式中：ηT 為水輪機相對效率；ηg 為發電機效率；r 為水
的重率；H 為水輪機工作水頭；h 為蝸殼差壓。
按上面ηT 表達式，可計算出ηT 值，并保存Ng 、h、
ηT 及振擺數據。
２）在同一水頭及相同導葉開度下，將調速器上槳
葉選擇開關切至協聯尋優控制模式，槳葉自動將開度
減小一設定開度（如０．３°～０．５°），再測Ng 、h， 以及振
擺情況，計算ηT ， 記錄保存Ng 、h、ηT 及振擺數據；如
相對效率增大，振動、擺度沒有增大，可以繼續向減小
槳葉開度尋優。
３）再自動將槳葉開度增大一設定開度（如０．３°～
０．５°），測Ng 和h 及振擺情況，計算ηT ，并記錄保存
Ng 、h、ηT 及振擺數據；如相對效率增大，振動、擺度沒
有增大，可以繼續向增大槳葉設定開度尋優。
４）根據實測數據，檢查是否需要增加測試點數，
以便繼續進行尋優測量，并記錄相應數據。
５）根據實測記錄數據，得出同一水頭及相同導葉
開度下、不同槳葉開度的ηT 值曲線。再由信息融合技
術選擇確定ηT 最優點對應的槳葉開度即為最優協聯
開度（在振擺相當或更小的情況下）。
６）按照上面相同方法，尋優測量同一水頭下、不
同導葉開度對應的槳葉最優協聯開度，得到某一水頭
的協聯曲線。
７）按照上面相同方法，尋優測量不同水頭下、不
同導葉開度對應的槳葉最優協聯開度，得到各水頭的
實際優化協聯曲線。
８）根據以上尋優測量數據，建立水頭、導葉開度、
槳葉開度、機組有功、振動、擺度的關系數據庫，確定機
組最優工作區域。
２ 機組協聯關系的自動尋優實現
利用該調速器集成的水輪機調節系統非線性仿真
試驗裝置，對各水頭下協聯關系進行自動尋優實現。
具體實現方法是：
１）將調速器置于自動調節狀態，調速器將導葉開
到原協聯開度，采集真實機組發電運行時的水頭、振
動、擺度、導葉開度、槳葉角度、機組有功等信息，并利
用實測的蝸殼壓差h，按式（２）計算相對效率ηT 。
２）按上述最優協聯關系獲取方法，在同導葉開度
下，槳葉在尋優鄰域開度，調速器獲得振動、擺度、機組
有功、蝸殼壓差h、相對效率ηT 。繼續變更導葉開度，
按上面相同原理進行最優協聯關系尋優，一直到機組
接近滿負荷。
３）再通過信息融合技術（如圖１ 所示），擬合確定
一定水頭下，機組尋優得到的真實機組的協聯曲線和
限制運行區域，建立水頭、導葉開度、槳葉角度、機組有
功與振動擺動的關系數據庫，為調速器功率調節提供
真實可靠的數據，保證功率調節安全可靠。從而實現
轉槳式機組的最優控制，達到節水增效的目的。
圖1 數據融合的分布式結構
３９
萬方數據
水電與新能源２０１８ 年第１ 期
３ 自動尋優實測數據
按照上述方法，富春江水力發電廠６ 號機水輪機
調速系統尋優獲得多個水頭的最優協聯曲線，這里僅
列出１７．３ ｍ 水頭的槳葉開度尋優數據，如表１ 所示。
表1 17．3 m 水頭槳葉開度尋優數據
導葉
開度
協聯點
選擇
導葉開度
／％
輪葉開度
／％
有功
／ＭＷ
差壓
／ｋＰａ
相對
效率
X 向擺度／ｕｍ
法蘭上機架
Y 向擺度／ｕｍ
法蘭上機架
水頭
／ｍ
５３．７％ 原協聯點 ５３．５５８ ２０．８４９ ２４．９５４ １．４２２ ０．８８６ ９ ５２６ ６３ ５２１ ３６ １７．１８ 最大效率點 ５３．５３ ３０．７４１ ３０．７６４ １．９９８ ０．９２１ ９ ５１６ ６２ ５１３ ３７ １７．１９ 振擺較好點 ５３．４７５ ３５．６６７ ３３．２５９ ２．３４３ ０．９１９ ８ ４８９ ６０ ４６０ ３６ １７．２ ５７．５％ 原協聯點 ５８．０１８ ２８．５２６ ３０．４６４ ２．０１８ ０．９０６ ８ ５２０ ６２ ４９４ ３７ １７．２２ 最大效率點 ５８．００４ ３３．２７３ ３３．２２７ ２．３２２ ０．９２３ １ ５０１ ６３ ４９０ ３６ １７．２ 振擺較好點 ５７．９７５ ３８．４７５ ３５．９９５ ２．７５３ ０．９１７ ３ ４６８ ６０ ４８７ ３５ １７．２２ ６４．５％ 原協聯點 ６３．９０２ ３６．２３７ ３５．８０６ ２．８０５ ０．９０５ ６ ５６９ ６５ ５５９ ４０ １７．１９ 最大效率點 ６３．８０５ ５１．２７９ ４３．６９３ ４．０３６ ０．９２０ ７ ４８１ ５９ ４５７ ３５ １７．２ 振擺較好點 ６３．８７０ ４６．１３３ ４１．２４９ ３．６０４ ０．９２０ ３ ４４９ ５８ ４３２ ３５ １７．１９ ７０．０％ 原協聯點 ７０．２７２ ４７．８１ ４３．０９８ ４．０６５ ０．９０３ ９ ４９９ ５９ ４５７ ３７ １７．１４ 最大效率點 ７０．２５３ ５２．５８０ ４５．９５７ ４．５５６ ０．９１２ ０ ４５６ ５９ ４３７ ３０ １７．１９ 振擺較好點 ７０．２４１ ５７．６２４ ４８．４７０ ５．０９９ ０．９０８ １ ４２０ ５９ ４３７ ３４ １７．２１ ７４．０％ 原協聯點 ７４．３９９ ６１．６９４ ５２．２６３ ５．６６３ ０．９２０ １ ４４６ ５４ ４３２ ３３ １７．３８ 最大效率點 ７４．３９９ ６１．６９４ ５２．２６３ ５．６６３ ０．９２０ １ ４４６ ５４ ４３２ ３３ １７．３８ 振擺較好點 ７４．３５１ ６６．５４８ ５５．０４８ ６．３７３ ０．９０５ ２ ４２７ ５３ ４１４ ３５ １７．５４ ７８．４％ 原協聯點 ７８．５ ７１．７２１ ５８．６８９ ７．４３１ ０．８９４ ２ ４８８ ５５ ４６２ ３４ １７．５３ 最大效率點 ７８．４７７ ６１．９２５ ５４．１７６ ６．２１４ ０．９０２ ７ ５７３ ５７ ４８４ ３９ １７．５３ 振擺較好點 ７８．４６８ ６６．３４６ ５６．０４５ ６．６４９ ０．８９９ ７ ４３６ ５３ ４３２ ３３ １７．５４ 根據表１ 數據，綜合考慮最大效率和振動擺度的
大小，選擇最優槳葉開度，獲得該水頭的最優協聯曲
線，如圖２ 所示。
圖2 17．3 m 水頭原協聯曲線、最大效率協聯曲線
和最優協聯曲線
４ 節水增效成果
按照以上原理開發的轉槳式水輪機調速器已在富
春江水力發電廠６ 號機上投運１ 年多了，其協聯曲線
優化后的相對效率與原協聯曲線的相對效率比較如圖
３ 所示。
圖3 17．3 m 水頭原協聯曲線和最優協聯曲線相對效率
（下轉第４３ 頁）
４０
萬方數據
張學建：淺析長江電力通信部門安全管理體系建設２０１８ 年１ 月
采集通過微信進行推送，實時掌握設備運行狀況；“光
纜三維建模”和“光纜在線監測”項目的實施，提供了
電站光纜的布局情況和路由情況，光纜管理更加直觀
和方便；“安全工器具的二維碼技術管理”項目，將二
維碼的共性與安全工器具的管理相結合，更加方便快
捷管理。
３ 部門安全管理體系
通過上述一系列的措施，基于公司的安全管理體
系建設框架下（圖１），通信部建立了部門的安全管理
體系，并不斷的進行完善和補充。員工安全意識得到
了很大提高，部門安全工作有序開展。
圖1 部門安全管理體系構架圖
在部門安全管理體系建設中，形成了“專業、高
效、創新、奉獻”的八字理念和“努力打造通信保障鐵
軍”的奮斗目標，形成了部門獨有的安全文化，并得到
了全體員工的認同。部門安全管理體系的建設需要集
全體員工的力量，必須強化全員、全過程、全方位的安
全管理，采納各方的意見，堅持“以人為本”的安全管
理理念，才能保證安全管理開展順利，體系建設才能達
到預期目標。
４ 結 語
在公司新形勢的生產經營管理模式下，只有做到
落實安全責任制、規范部門安全管理制度、強化員工安
全生產意識和完善安全生產臺賬，才能為公司的安全
管理目標打下良好的班組基礎，才能保質保量的完成
好公司生產任務，推動公司的穩定發展。
（上接第４０ 頁）
富春江水力發電廠６ 號機組在不同負荷下運行的
時間占比不同，所以在不同負荷區間應設定不同的權
重，每個負荷區間提升的效率取平均值，提升的效率平
均值乘以該負荷區間的權重，即得該負荷區間提升的
效率；將各個負荷區間提升的效率相加即得整個機組
加權后提升的效率。根據表１ 數據可得１７．３ ｍ 水頭
６ 號機組提升的效率計算表（如表２ 所示），機組按最
優協聯曲線運行，整機效率加權提升０．８７％。
表2 17．3 m 水頭6 號機提升的效率計算表
負荷區間權重／％ 提升的效率平均值／％
２０ ＭＷ以下 ０ ０ ２０ ～４０ ＭＷ ５ （３．５ ＋１．６）／２ ＝２．５５ ４０ ～４５ ＭＷ ２５ １．４ ４５ ～５０ ＭＷ ３５ ０．８ ５０ ～６０ ＭＷ ３５ （０ ＋０．６）／２ ＝０．３ 整機提升的效率 ０．８７ 由于相對效率的提高，在發相同功率時消耗的水
流流量就可以減少，這樣就達到了節水增效的目的。
５ 結 語
本文的研究成果在富春江水力發電廠６ 號機調速
系統得到實施運用，取得較好效果，獲得的最優協聯關
系在不同水頭下相對效率提升值不同，整機加權相對
效率提升值為０．８７％。同時，機組法蘭擺度減少量最
大可達２２．７％，擴大了機組安全運行區間。該研究成
果可廣泛應用于國內外轉槳式水輪發電機組，實現轉
槳式水輪機的節水增效控制，優化了機組的運行工況，
達到少用水、多發電的目的，為水電廠創造更高的經濟
效益和安全效益。
參考文獻：
［１］劉曉亭， 李維藩．水力機組現場測試手冊［Ｍ］．北京： 水
利電力出版社， １９９３

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