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转桨式水轮机调速系统节水增效控制方法研究

文档作者：庄瑞玉１陈启明２彭礼平１张强２文档来源：１．国网新源水电有限公司富春江水力发电厂２．武汉四创自动控制技术有限责任公司		点击数：	更新时间： 2025年12月28日
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２０１８ 年第１ 期
２０１８ Ｎｕｍｂｅｒ １
水电与新能源
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 作者简介：庄瑞玉，男，高级工程师，从事水力发电厂技术管理方面的工作。
转桨式水轮机调速系统节水增效控制方法研究
庄瑞玉１，陈启明２，彭礼平１，张 强２
（１．国网新源水电有限公司富春江水力发电厂，浙江桐庐 ３１１５０４；
２．武汉四创自动控制技术有限责任公司，湖北武汉 ４３００７０）
摘要：通过调速系统自动寻优检测机组导叶与桨叶开度、有功功率、蜗壳差压、振动摆度和计算机组相对效率，再利用信
息融合技术，获得综合考虑机组相对效率、功率波动和振动摆度等因素的最优协联关系，实现了转桨式水轮机的节水增
效控制，以最大可能的水轮机效率生产电能；同时，还可有效避开机组振动区，提高安全运行的可靠性及经济效益。基于
自寻优和信息融合技术的优化协联关系开发的调速器在富春江水力发电厂６ 号机的运用，达到了节水增效、机组稳定运
行之目的。
关键词：转桨式水轮机；节水增效；协联优化
中图分类号：ＴＫ７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：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
转桨式机组在运行时，其导叶与桨叶间需维持一
定的协联关系，以保证机组始终维持在高效区运行。
然而，由于机组的安装运行条件、制造误差以及原型机
与模型机之间的差异，通常由水轮机生产厂家提供的
协联关系与真实的协联关系可能有所不同，因此，调速
器生产厂家按水轮机生产厂家提供的协联关系设定的
协联曲线与真实的协联关系也必然存在差异。目前国
内外调速器尚不具备协联曲线的寻优功能和并网发电
后的最优控制，没有对振动摆度和机组效率进行监测，
有时会因调频调峰而使机组工作在振动区，不能很好
地满足转桨式水轮机稳定运行的要求，不能适应未来
智能电网高效、高可靠性的要求。本文研究的目的就
在于解决此问题，即应用自动寻优和信息融合技术，找
到机组真实的协联关系（最优协联关系），建立水头、
导叶开度、桨叶角度、机组有功和机组稳定运行限制的
最优协联关系曲线，实现转桨式水轮机的节水增效控
制，充分利用来水的水能，以最大可能的水轮机效率生
产电能，达到少用水、多发电的目的，同时，可有效避开
３８
万方数据
庄瑞玉，等：转桨式水轮机调速系统节水增效控制方法研究２０１８ 年１ 月
机组振动区，提高机组安全运行的可靠性及经济效益。
１ 最优协联关系获取方法
转桨式水轮机的导叶与桨叶的协联关系不仅直接
影响到水轮机的效率，而且还影响到机组的稳定运行。
一般制造厂家提供的协联关系，通常是由模型试验得
出的，但由于生产制造过程中的工艺水平所限，很难做
到原型与模型完全一致。因此，现场运行时要进行测
试和调整，以求得最优协联关系［１］ 。
一般而言，当导叶与桨叶处于最优协联关系时，桨
叶的角度比较顺应水轮机流道的流态，水轮机的效率
最高，振动也最小，空蚀也比较轻微。因此，一般方法
是通过如下测试方法来获得最优协联关系，在每一测
点负荷稳定后（即有功波动不超过±１．５％，水头波动
不超过±１．０％，转速波动不超过±０．４％）：
１）机组带负荷运行，调速器置于自动，在某一水
头下，先按厂家的协联曲线将导叶开到某一开度，桨叶
也协联地开到某一角度，此时测量机组的有功Ng 和
蜗壳差压h。
同时，测量记录机组振动摆度；另外，还要根据以
下原理计算水轮机相对效率ηT 。
由于Q ＝K h
Ng ＝QHr· ηg · ηT （１）
故 ηT ＝ Ng
ηgγHK h
令 C ＝ηg Kγ＝１
则有
ηT ＝ Ng
H h （２）
式中：ηT 为水轮机相对效率；ηg 为发电机效率；r 为水
的重率；H 为水轮机工作水头；h 为蜗壳差压。
按上面ηT 表达式，可计算出ηT 值，并保存Ng 、h、
ηT 及振摆数据。
２）在同一水头及相同导叶开度下，将调速器上桨
叶选择开关切至协联寻优控制模式，桨叶自动将开度
减小一设定开度（如０．３°～０．５°），再测Ng 、h， 以及振
摆情况，计算ηT ， 记录保存Ng 、h、ηT 及振摆数据；如
相对效率增大，振动、摆度没有增大，可以继续向减小
桨叶开度寻优。
３）再自动将桨叶开度增大一设定开度（如０．３°～
０．５°），测Ng 和h 及振摆情况，计算ηT ，并记录保存
Ng 、h、ηT 及振摆数据；如相对效率增大，振动、摆度没
有增大，可以继续向增大桨叶设定开度寻优。
４）根据实测数据，检查是否需要增加测试点数，
以便继续进行寻优测量，并记录相应数据。
５）根据实测记录数据，得出同一水头及相同导叶
开度下、不同桨叶开度的ηT 值曲线。再由信息融合技
术选择确定ηT 最优点对应的桨叶开度即为最优协联
开度（在振摆相当或更小的情况下）。
６）按照上面相同方法，寻优测量同一水头下、不
同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，得到某一水头
的协联曲线。
７）按照上面相同方法，寻优测量不同水头下、不
同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，得到各水头的
实际优化协联曲线。
８）根据以上寻优测量数据，建立水头、导叶开度、
桨叶开度、机组有功、振动、摆度的关系数据库，确定机
组最优工作区域。
２ 机组协联关系的自动寻优实现
利用该调速器集成的水轮机调节系统非线性仿真
试验装置，对各水头下协联关系进行自动寻优实现。
具体实现方法是：
１）将调速器置于自动调节状态，调速器将导叶开
到原协联开度，采集真实机组发电运行时的水头、振
动、摆度、导叶开度、桨叶角度、机组有功等信息，并利
用实测的蜗壳压差h，按式（２）计算相对效率ηT 。
２）按上述最优协联关系获取方法，在同导叶开度
下，桨叶在寻优邻域开度，调速器获得振动、摆度、机组
有功、蜗壳压差h、相对效率ηT 。继续变更导叶开度，
按上面相同原理进行最优协联关系寻优，一直到机组
接近满负荷。
３）再通过信息融合技术（如图１ 所示），拟合确定
一定水头下，机组寻优得到的真实机组的协联曲线和
限制运行区域，建立水头、导叶开度、桨叶角度、机组有
功与振动摆动的关系数据库，为调速器功率调节提供
真实可靠的数据，保证功率调节安全可靠。从而实现
转桨式机组的最优控制，达到节水增效的目的。
图1 数据融合的分布式结构
３９
万方数据
水电与新能源２０１８ 年第１ 期
３ 自动寻优实测数据
按照上述方法，富春江水力发电厂６ 号机水轮机
调速系统寻优获得多个水头的最优协联曲线，这里仅
列出１７．３ ｍ 水头的桨叶开度寻优数据，如表１ 所示。
表1 17．3 m 水头桨叶开度寻优数据
导叶
开度
协联点
选择
导叶开度
／％
轮叶开度
／％
有功
／ＭＷ
差压
／ｋＰａ
相对
效率
X 向摆度／ｕｍ
法兰上机架
Y 向摆度／ｕｍ
法兰上机架
水头
／ｍ
５３．７％ 原协联点 ５３．５５８ ２０．８４９ ２４．９５４ １．４２２ ０．８８６ ９ ５２６ ６３ ５２１ ３６ １７．１８ 最大效率点 ５３．５３ ３０．７４１ ３０．７６４ １．９９８ ０．９２１ ９ ５１６ ６２ ５１３ ３７ １７．１９ 振摆较好点 ５３．４７５ ３５．６６７ ３３．２５９ ２．３４３ ０．９１９ ８ ４８９ ６０ ４６０ ３６ １７．２ ５７．５％ 原协联点 ５８．０１８ ２８．５２６ ３０．４６４ ２．０１８ ０．９０６ ８ ５２０ ６２ ４９４ ３７ １７．２２ 最大效率点 ５８．００４ ３３．２７３ ３３．２２７ ２．３２２ ０．９２３ １ ５０１ ６３ ４９０ ３６ １７．２ 振摆较好点 ５７．９７５ ３８．４７５ ３５．９９５ ２．７５３ ０．９１７ ３ ４６８ ６０ ４８７ ３５ １７．２２ ６４．５％ 原协联点 ６３．９０２ ３６．２３７ ３５．８０６ ２．８０５ ０．９０５ ６ ５６９ ６５ ５５９ ４０ １７．１９ 最大效率点 ６３．８０５ ５１．２７９ ４３．６９３ ４．０３６ ０．９２０ ７ ４８１ ５９ ４５７ ３５ １７．２ 振摆较好点 ６３．８７０ ４６．１３３ ４１．２４９ ３．６０４ ０．９２０ ３ ４４９ ５８ ４３２ ３５ １７．１９ ７０．０％ 原协联点 ７０．２７２ ４７．８１ ４３．０９８ ４．０６５ ０．９０３ ９ ４９９ ５９ ４５７ ３７ １７．１４ 最大效率点 ７０．２５３ ５２．５８０ ４５．９５７ ４．５５６ ０．９１２ ０ ４５６ ５９ ４３７ ３０ １７．１９ 振摆较好点 ７０．２４１ ５７．６２４ ４８．４７０ ５．０９９ ０．９０８ １ ４２０ ５９ ４３７ ３４ １７．２１ ７４．０％ 原协联点 ７４．３９９ ６１．６９４ ５２．２６３ ５．６６３ ０．９２０ １ ４４６ ５４ ４３２ ３３ １７．３８ 最大效率点 ７４．３９９ ６１．６９４ ５２．２６３ ５．６６３ ０．９２０ １ ４４６ ５４ ４３２ ３３ １７．３８ 振摆较好点 ７４．３５１ ６６．５４８ ５５．０４８ ６．３７３ ０．９０５ ２ ４２７ ５３ ４１４ ３５ １７．５４ ７８．４％ 原协联点 ７８．５ ７１．７２１ ５８．６８９ ７．４３１ ０．８９４ ２ ４８８ ５５ ４６２ ３４ １７．５３ 最大效率点 ７８．４７７ ６１．９２５ ５４．１７６ ６．２１４ ０．９０２ ７ ５７３ ５７ ４８４ ３９ １７．５３ 振摆较好点 ７８．４６８ ６６．３４６ ５６．０４５ ６．６４９ ０．８９９ ７ ４３６ ５３ ４３２ ３３ １７．５４ 根据表１ 数据，综合考虑最大效率和振动摆度的
大小，选择最优桨叶开度，获得该水头的最优协联曲
线，如图２ 所示。
图2 17．3 m 水头原协联曲线、最大效率协联曲线
和最优协联曲线
４ 节水增效成果
按照以上原理开发的转桨式水轮机调速器已在富
春江水力发电厂６ 号机上投运１ 年多了，其协联曲线
优化后的相对效率与原协联曲线的相对效率比较如图
３ 所示。
图3 17．3 m 水头原协联曲线和最优协联曲线相对效率
（下转第４３ 页）
４０
万方数据
张学建：浅析长江电力通信部门安全管理体系建设２０１８ 年１ 月
采集通过微信进行推送，实时掌握设备运行状况；“光
缆三维建模”和“光缆在线监测”项目的实施，提供了
电站光缆的布局情况和路由情况，光缆管理更加直观
和方便；“安全工器具的二维码技术管理”项目，将二
维码的共性与安全工器具的管理相结合，更加方便快
捷管理。
３ 部门安全管理体系
通过上述一系列的措施，基于公司的安全管理体
系建设框架下（图１），通信部建立了部门的安全管理
体系，并不断的进行完善和补充。员工安全意识得到
了很大提高，部门安全工作有序开展。
图1 部门安全管理体系构架图
在部门安全管理体系建设中，形成了“专业、高
效、创新、奉献”的八字理念和“努力打造通信保障铁
军”的奋斗目标，形成了部门独有的安全文化，并得到
了全体员工的认同。部门安全管理体系的建设需要集
全体员工的力量，必须强化全员、全过程、全方位的安
全管理，采纳各方的意见，坚持“以人为本”的安全管
理理念，才能保证安全管理开展顺利，体系建设才能达
到预期目标。
４ 结 语
在公司新形势的生产经营管理模式下，只有做到
落实安全责任制、规范部门安全管理制度、强化员工安
全生产意识和完善安全生产台账，才能为公司的安全
管理目标打下良好的班组基础，才能保质保量的完成
好公司生产任务，推动公司的稳定发展。
（上接第４０ 页）
富春江水力发电厂６ 号机组在不同负荷下运行的
时间占比不同，所以在不同负荷区间应设定不同的权
重，每个负荷区间提升的效率取平均值，提升的效率平
均值乘以该负荷区间的权重，即得该负荷区间提升的
效率；将各个负荷区间提升的效率相加即得整个机组
加权后提升的效率。根据表１ 数据可得１７．３ ｍ 水头
６ 号机组提升的效率计算表（如表２ 所示），机组按最
优协联曲线运行，整机效率加权提升０．８７％。
表2 17．3 m 水头6 号机提升的效率计算表
负荷区间权重／％ 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 整机提升的效率 ０．８７ 由于相对效率的提高，在发相同功率时消耗的水
流流量就可以减少，这样就达到了节水增效的目的。
５ 结 语
本文的研究成果在富春江水力发电厂６ 号机调速
系统得到实施运用，取得较好效果，获得的最优协联关
系在不同水头下相对效率提升值不同，整机加权相对
效率提升值为０．８７％。同时，机组法兰摆度减少量最
大可达２２．７％，扩大了机组安全运行区间。该研究成
果可广泛应用于国内外转桨式水轮发电机组，实现转
桨式水轮机的节水增效控制，优化了机组的运行工况，
达到少用水、多发电的目的，为水电厂创造更高的经济
效益和安全效益。
参考文献：
［１］刘晓亭， 李维藩．水力机组现场测试手册［Ｍ］．北京： 水
利电力出版社， １９９３

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