丹江口小機(jī)組水輪機(jī)改造模型的試驗(yàn)成果分析

王振宇,王黎明

(1.湖北漢江王甫洲公司發(fā)電廠,湖北 老河口 441800;2.丹江口水利樞紐小水電有限公司,湖北 老河口 442700)

1 前 言

丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠,是一個(gè)利用丹江口水利樞紐大壩第八壩段 1號(hào)深孔進(jìn)行改造、興建的壩后式水力發(fā)電企業(yè),其主要任務(wù)是為丹江口水利樞紐提供安全、可靠的防汛備用電源。防汛電廠的位置設(shè)在大壩 6～8壩段下游側(cè),距大壩軸線 107m,電廠的高程確定為上游水位157m高程,下游水位 92m高程。電廠在壩上第 8壩段上游側(cè)設(shè)有攔污柵、檢修閘門和固定吊桿的平臺(tái)及裝置。廠內(nèi)安裝 2臺(tái)單機(jī)容量為 25MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,年設(shè)計(jì)發(fā)電量 9200kW·h,機(jī)組引水采用 φ3.8m的鋼管,然后分成 2條 φ3m的支管。機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

由于“南水北調(diào)中線方案”工程需要從丹江口水利樞紐水庫(kù)提水,使水自流向“北方”,因此丹江口水利樞紐大壩將加高到 176.6m海拔高程,比原來(lái)高程增高 14.6m,大壩常年蓄水位變?yōu)?170m高程。這將使丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)發(fā)生較大的變化,具體數(shù)據(jù)見表2。

由于自備防汛電廠的水能計(jì)算是在不考慮“南水北調(diào)”、“抬高運(yùn)行水位”、“加高大壩”等前提條件下,水庫(kù)的高度確定和運(yùn)用方式與庫(kù)水位 157m的水利規(guī)劃基本一致情況下計(jì)算得出的,因此由大壩加高而引起的水頭提高,將對(duì)自備防汛電廠的發(fā)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響,甚至產(chǎn)生一定的破壞作用。例如,大壩加高后,電廠發(fā)電的年平均運(yùn)行水頭抬高 10m,水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組絕大部分時(shí)間在 60 m以上水頭區(qū)間運(yùn)行,導(dǎo)葉開度明顯減小,經(jīng)常運(yùn)行在 40%～70%左右。這時(shí)發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況區(qū),空化安全系數(shù)裕量偏小,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期在惡劣工況下運(yùn)行。即使在額定出力下,轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊負(fù)壓面將會(huì)出現(xiàn)渦流,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊空化。這不僅對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生破壞,甚至可能造成轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生高頻振動(dòng),危及水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此,自備防汛電廠必須對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造。

2007年 4月,丹江口水利樞紐小水電有限公司委托華南理工大學(xué)電力學(xué)院對(duì)本公司的水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造模型設(shè)計(jì),在其 HLD75-LJ-220水輪機(jī)的基礎(chǔ)上,將水輪機(jī)的運(yùn)行技術(shù)參數(shù)確定為:最大水頭 78m,平均水頭 68m,最小水頭 53m;設(shè)計(jì)水頭 66.5m(蝸殼進(jìn)口測(cè)壓點(diǎn)的值),設(shè)計(jì)流量42.6m3/s,發(fā)電機(jī)出力 25MW。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

表2 水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)m

2 水輪機(jī)增容改造模型的一般要求① 丹江口水利樞紐小水電有限公司模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)合同書。

2.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造模型技術(shù)指標(biāo)

改造模型的轉(zhuǎn)輪直徑:D1=0.367m;

改造模型的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù):n=13片;

改造模型的活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù):Z=20個(gè);

真機(jī)與模型機(jī)的比例:6.289。

2.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造模型技術(shù)性能指標(biāo)

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速:73～74r/m in;

最小單位轉(zhuǎn)速:68r/min;

最大單位轉(zhuǎn)速:83r/min;

最優(yōu)單位流量:0.95～1.0m3/s;

設(shè)計(jì)單位流量:1.05～1.1m3/s;

設(shè)計(jì)點(diǎn)的空化系數(shù)σ:0.12～0.13;

壓力脈動(dòng)(ΔH/H):＜8%～9%;

最優(yōu)效率:92.7%～93.5%;

設(shè)計(jì)工況效率:91.5%～92.0%。

3 水輪機(jī)增容改造模型試驗(yàn)結(jié)果② 丹江口水利樞紐小水電有限公司委托水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)合同書。

受丹江口水利樞紐小水電有限公司委托,東方電機(jī)股份有限公司于 2008年 3月 31日完成模型水輪機(jī)裝置的加工工作,于 2008年 10月 24日～2008年 11月 29日對(duì)模型水輪機(jī)裝置進(jìn)行性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)在東方電機(jī)股份有限公司水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用了 DF-60水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)(見圖1)。DF-60試驗(yàn)臺(tái)主要進(jìn)行大流量的軸流式、貫流式和中低水頭的混流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)研究。

該試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)見表3。

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

(1)能量試驗(yàn);(2)空化試驗(yàn);(3)壓力脈動(dòng)試驗(yàn);(4)飛逸試驗(yàn)。

3.2 能量試驗(yàn)結(jié)果

模型水輪機(jī)最高效率 η=94.2%;模型水輪機(jī)額定效率 η=92.4%換算到原型機(jī)上額定效率 η=93.6%;原型水輪機(jī)額定流量 Q=41.6m3/s。

3.3 空化試驗(yàn)結(jié)果

額定點(diǎn)臨界空化系數(shù):σs=0.082。

表3 轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)

3.4 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

在全部運(yùn)行范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)最大值為 6.0%;尾水管壓力脈動(dòng)混頻幅值為 9.0%。

3.5 飛逸試驗(yàn)結(jié)果

模型水輪機(jī)使用最大開度 α=36°時(shí),最大單位飛逸轉(zhuǎn)速為 137.31r/min;電站最大水頭 78m時(shí),原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為 525.4r/min。

4 水輪機(jī)增容改造模型的見證試驗(yàn)

筆者于 2008年 12月 1日在與模型試驗(yàn)中完全相同的 DF-60水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)設(shè)計(jì)的模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了見證試驗(yàn)。

試驗(yàn)內(nèi)容包括能量試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)?，F(xiàn)將見證試驗(yàn)內(nèi)容、成果及結(jié)論介紹如下:

(1)模型能量見證試驗(yàn)結(jié)果與前期能量試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在進(jìn)行最低水頭的能量試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行了葉道渦流初生和發(fā)展現(xiàn)象的觀察。

(2)額定工況點(diǎn)空化見證試驗(yàn)的臨界空化系數(shù)σs=0.08,與初步空化試驗(yàn)的 0.082基本一致。

(3)見證組選取 9個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行壓力脈動(dòng)見證試驗(yàn)。模型壓力脈動(dòng)見證試驗(yàn)結(jié)果與初步壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(4)選取額定導(dǎo)葉開度 αr=29.5°進(jìn)行飛逸試驗(yàn)見證。見證試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

筆者認(rèn)為,試驗(yàn)裝置模擬了丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的流道,試驗(yàn)方已按照合同要求完成了初步試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠,與初步試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖1 DF-60水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)的示意

5 水輪機(jī)增容改造模型的試驗(yàn)分析

公司自備防汛電廠水輪機(jī)改造模型,是華南理工大學(xué)電力學(xué)院在水輪機(jī)流態(tài)數(shù)值的計(jì)算機(jī)模擬分析(CFD)基礎(chǔ)上,優(yōu)化水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和水力特性后設(shè)計(jì)制造的模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。通過對(duì)原型水輪機(jī)流道全模擬模型上進(jìn)行性能試驗(yàn),以驗(yàn)證新開發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪各項(xiàng)水力性能參數(shù)是否滿足模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)合同規(guī)定的保證值,模型試驗(yàn)結(jié)果將作為原型水輪機(jī)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證出力、效率保證值的依據(jù)。

模型能量試驗(yàn)見圖2。

由圖 2可以看出:(1)模型水輪機(jī)最優(yōu)工況效率 η=94.2%,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 72r/min,最優(yōu)單位流量 Q=0.8m3/s。(2)額定工況效率 η=92.4%(換算到原型機(jī)上額定效率為 93.6%),單位轉(zhuǎn)速76.98r/min,單位流量 Q=0.853m3/s(換算到原型機(jī)上額定 Q=41.6m3/s)。參數(shù)值均在模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。從額定工況來(lái)看,模型水輪機(jī)綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=92%和 η=93%之間,水輪機(jī)的效率一般。從最優(yōu)工況來(lái)看,模型水輪機(jī)綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=93%和 η=94%之間,可認(rèn)為水輪機(jī)的效率較好。

由于丹江口水利樞紐加高后的水庫(kù)正常蓄水為170m,故改造后的水輪機(jī)也將長(zhǎng)期在 170m水位工況下運(yùn)行。

通過驗(yàn)證,空化試驗(yàn)結(jié)果為:額定點(diǎn)臨界空化系數(shù)σs=0.082,σp/σs=1.98,均在模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)要求之內(nèi)。

通過驗(yàn)證,壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

(1)在全部運(yùn)行范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)最大值:ΔH/H=6.0%左右。(2)尾水管壓力脈動(dòng)混頻幅值:ΔH/H=9.0%。從模型水輪機(jī)綜合特性曲線壓力脈動(dòng)圖上來(lái)看,模型導(dǎo)葉開度 15°時(shí)空化系數(shù)為最大,ΔH/H=9.0%,最優(yōu)工況和額定工況下的空化系數(shù)分別為:ΔH/H=0.01。因此模型轉(zhuǎn)輪空化試驗(yàn)結(jié)果比較理想,證明改造模型轉(zhuǎn)輪空化性能較好。

通過驗(yàn)證,飛逸試驗(yàn)結(jié)果為:(1)模型水輪機(jī)使用最大開度 α=36°時(shí),最大單位飛逸轉(zhuǎn)速為137.31r/min(換算到原型機(jī)上的導(dǎo)葉開度為 α=122%)。(2)電站最大水頭 78m時(shí),原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為 525.4r/min。從模型飛逸試驗(yàn)結(jié)果上來(lái)看,水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為525.4r/m in。目前在用的水輪發(fā)電機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速為550r/min,所以滿足改造后水輪發(fā)電機(jī)組的要求。

圖2 模型轉(zhuǎn)輪能量試驗(yàn)結(jié)果

圖3 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

通過驗(yàn)證,換算到原型機(jī)上的額定流量Q=41.6m3/s,而設(shè)計(jì)給定流量 Q=42.6m3/s,從能量性能來(lái)說,模型機(jī)的性能比較理想。

6 結(jié)束語(yǔ)

丹江口水利樞紐小水電公司自備防汛電廠水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)的結(jié)果,證明華南理工大學(xué)電力學(xué)院設(shè)計(jì)出的適應(yīng)丹江口水利樞紐大壩加高后新工況下的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,在能量、空化、飛逸等參數(shù)方面,具有好的性能,并有一定的裕度,滿足本電廠的要求。