江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析

黃大俊，李文化

（1.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌443002；2.湖北華清電力有限公司，湖北 鶴峰 445800）

江坪河水電站水輪機模型驗收試驗及分析

黃大俊1，李文化2

（1.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌443002；2.湖北華清電力有限公司，湖北 鶴峰 445800）

為了檢驗江坪河水電站水輪機模型水力性能，進行了水輪機模型試驗，介紹了江坪河水電站水輪機模型驗收試驗的試驗臺及誤差分析、效率及出力、空化、飛逸轉(zhuǎn)速、軸向水推力、壓力脈動等試驗方法和結(jié)果，并對試驗結(jié)果進行了分析。驗收試驗結(jié)果表明，為江坪河水電站研制的水輪機模型水力性能優(yōu)異，完全滿足用于真機設(shè)計、制造的要求。

江坪河水電站；水輪機；模型；試驗

江坪河水電站是溇水梯級開發(fā)的龍頭電站，具有多年調(diào)節(jié)能力，其建成后作為電網(wǎng)調(diào)峰電源。江坪河水電站裝機為2臺單機225 MW的立軸混流式機組，由于受江坪河上游來水量的限制，機組平均年利用小時僅2 240 h。

設(shè)計提出的電站及水輪機主要參數(shù)如下：

額定水頭153.00 m；最高水頭178.89 m；最低水頭131.26 m；加權(quán)平均水頭163.95 m；水輪機額定出力228.4 MW；機組額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min。

機組經(jīng)2007年底公開招標，中標單位為東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，合同約定水輪機模型試驗在日本橫檳東芝水力試驗室進行。首先由東芝水電進行初步模型試驗并提交報告，在此基礎(chǔ)上再進行模型驗收試驗。

1 試驗臺及模型

2009年4月初，本模型驗收試驗在東芝水力實驗室的3號試驗臺上進行（見圖1），試驗按《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》（IEC60193－1999）規(guī)定進行，買方及工程設(shè)計單位代表參與了驗收試驗。

試驗臺是一個循環(huán)系統(tǒng)，主要由1 600 m3主蓄水池、貯水池、工作水泵、冷卻泵、壓力水箱、尾水箱、200 kW測功電機、流量測量及率定裝置、轉(zhuǎn)速測量裝置、壓力測量裝置等組成，主要參數(shù)為：最大試驗水頭40 m，最大流量100 m3/s，最大轉(zhuǎn)速2 200 r/min，最大輸出功率200 kW，最小吸出水頭-9 m。

1.1 效率試驗的誤差

每次測量的誤差決定了模型試驗的誤差，包括試驗系統(tǒng)誤差和隨機誤差。

試驗前對試驗臺相關(guān)文件進行了檢查，對測量水輪機進出口壓差的壓差變送器、用于力矩測量的負荷變送器、用于測轉(zhuǎn)速的計數(shù)器、用于測流量的稱量箱、水位計、電磁流量計等進行了率定，得到流量、轉(zhuǎn)速、水頭、力矩測量的系統(tǒng)誤差，從而得到試效率試驗的系統(tǒng)誤差Es，同時考慮系統(tǒng)的隨機誤差Er，得到效率試驗的綜合誤差為。

經(jīng)率定和計算，模型試驗綜合誤差為0.24%，與初步模型試驗結(jié)果一致，滿足IEC規(guī)程及合同小于0.25%的要求，從而保證了試驗數(shù)據(jù)的精度。

1.2 模型主要參數(shù)及試驗條件

本試驗的采用的模型主要參數(shù)為：

轉(zhuǎn)輪名義直徑 D1＝350 mm；葉片數(shù)Z＝15；活動導葉數(shù)Z0＝20；導葉相對高度b＝0.224；導葉分布圓直徑Dd＝446.4 mm；轉(zhuǎn)輪進口直徑Di＝398.39 mm；模型與原型比例I＝1：11.514 3。

模型試驗的雷諾數(shù)為6.78×106、水力比能（即單位質(zhì)量水的能量）為293.9 J/kg，滿足IEC規(guī)程對混流式水輪機模型試驗的條件，即雷諾數(shù)大于4× 106、水力比能大于100 J/kg。

2 水輪機模型驗收試驗

2.1 效率及出力試驗

效率試驗時，抽取覆蓋整個水輪機運行區(qū)間（含超發(fā)范圍）的有代表性的25個工況點進行試驗，其中包括額定工況點和驗證出力的工況點。試驗中盡可能保持水輪機水力比能為常數(shù)，從而使試驗在無空化的條件下進行，以防止空化對水輪機性能的影響，具體操作中以保持尾水箱的壓力恒定來保證。整個試驗范圍導葉開度從30%到110%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，間隔小于10%。

根據(jù)所有抽取的試驗點試驗結(jié)果與初步模型試驗對比發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)果與初步模型試驗吻合、試驗重復性良好，因此，驗收組采信了初步模型試驗報告的試驗數(shù)據(jù)，即同意初步模型試驗報告得出的模型最高效率和加權(quán)平均效率（見表1），由數(shù)據(jù)可見，該轉(zhuǎn)輪效率優(yōu)于合同保證值，能量特性滿足合同要求。

表1 效率及出力試驗數(shù)據(jù)

為了預(yù)測原型機性能，原型機效率通過模型每個測試點的效率加上一個定常的修正值得到。效率修正值計算按照IEC規(guī)程提供的修正公式，將模型雷諾數(shù)下的效率轉(zhuǎn)換為原型雷諾數(shù)下的效率。試驗同時驗證了該模型換算為真機后對應(yīng)的額定出力、最大出力和最低水頭出力。

2.2 空化試驗

空化試驗選取了江坪河水電站運行范圍內(nèi)空化安全系數(shù)相對較低的4個工況點進行了空化性能見證試驗。試驗開始前用氧分離計核對氣體常數(shù)，以保證水中氣體含量在IEC規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)，試驗中空化系數(shù)的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)或冷卻泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)尾水箱的壓力而實現(xiàn)的。

空化試驗還包括臨界和初生空化系數(shù)試驗、進口脫流空化觀測、出口空化觀測。轉(zhuǎn)輪進口的空化通過安裝在頂蓋上的CCD相機觀察，出口空化通過閃頻儀觀察。試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果吻合，換算為原型機的數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)試驗觀察繪制的空化及葉道渦初生限制線示意圖見圖2。

表2 空化試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果證明模型臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)均滿足合同要求，初生空化裕度均大于1.15、臨界空化裕度均大于2.9，并且通過觀察可見，葉道渦初生線、進口脫流限制線以及出口空化限制線均在水輪機運行區(qū)間以外，表明江坪河機組在整個運行區(qū)間內(nèi)空化性能良好。

2.3 飛逸轉(zhuǎn)速試驗

初步試驗報告中飛逸轉(zhuǎn)速試驗是在不同空化系數(shù)和若干導葉開度下進行的，本次驗收試驗僅見證最大飛逸轉(zhuǎn)速工況，即對應(yīng)于電站裝置系數(shù)、最高水頭時的飛逸工況。試驗中將測功電機作為電動機運行，試驗臺管路與測功電機一同運行，首先由模型水輪機帶動測功器飛輪轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)速達到一定值使得輸入到測功電機的扭矩與它消耗的相等時，就是模型的飛逸轉(zhuǎn)速工況。

飛逸轉(zhuǎn)速由模型換算到真機時為 328.9 r/min，小于合同保證值360 r/min以及招標要求的375 r/min的要求。

2.4 軸向水推力試驗

水輪機軸向水推力試驗是在轉(zhuǎn)輪1倍設(shè)計間隙、分別在對應(yīng)真機額定、最高、最低和加權(quán)平均水頭下進行的。為減小頂蓋與轉(zhuǎn)輪間隙產(chǎn)生的軸向水推力，在頂蓋與尾水管之間采用平衡管連通的方式卸壓。

試驗通過測量測功電機靜壓軸承的油壓力計算軸向水推力，計算真機最大軸向水推力為對應(yīng)加權(quán)平均水頭163.95 m、最大出力255 MW時的418 t，小于合同保證值455 t，滿足合同要求。

2.5 壓力脈動、主軸扭矩脈動及補氣試驗

壓力脈動和主軸扭矩試驗是在電站裝置空化系數(shù)時，分別對應(yīng)真機額定、最高、最低和加權(quán)平均水頭下進行的，共抽取了小開度下有代表性的10個工況點進行見證試驗。壓力脈動試驗共布置了5個測點，分別是：蝸殼進口1個、尾水管上部2個、頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間1個、活動導葉和轉(zhuǎn)輪之間1個。壓力變送器的壓力脈動結(jié)果通過A/D轉(zhuǎn)換后記錄并顯示在示波器，同時進行頻譜分析，見證試驗結(jié)果（見表3）與初步實驗結(jié)果偏差在誤差范圍內(nèi)。由試驗結(jié)果可見，模型水輪機各測點的壓力脈動幅值均小于合同保證值。為了盡可能減少尾水渦帶引發(fā)的低頻振動，東芝水電在轉(zhuǎn)輪泄水錐后延伸了一段帶孔的圓筒部件，最低處與轉(zhuǎn)輪下環(huán)底部對齊（見圖3），試驗證實，這一改進對減少渦帶發(fā)生幾率有明顯的效果，該部件能有效破壞和阻礙渦帶的形成。

表3 壓力脈動試驗數(shù)據(jù)

主軸扭矩試驗在合同中未作要求，本次驗收試驗僅作參考。利用貼在主軸上的應(yīng)變片測量，再通過FM遙測信號發(fā)送裝置發(fā)送到接收器，經(jīng)計算、轉(zhuǎn)換后記錄在示波器，同時進行頻譜分析，試驗結(jié)果與初步試驗吻合。

在壓力脈動試驗過程中，為了驗證補氣對壓力脈動特性的影響，還通過改變主軸中心補氣量來證實補氣效果。試驗中對對應(yīng)真機最低水頭131.26m時小開度的兩個工況點進行了補氣試驗，采用的補氣量分別為流量的0.3%、0.6%和1.0%。試驗證實，補氣對減小壓力脈動幅值效果不明顯，但對減小低頻脈動有利，觀察到補氣前引起低頻振動的渦帶被空氣流破壞。當補氣量為0.3%～0.6%時可以使效率提高0.1%～0.2%，補氣量到1%時，噪音增大，效率有下降的趨勢。

2.6 Winter-Kennedy指數(shù)試驗

Winter-Kennedy指數(shù)試驗是用來尋求同一過流斷面上兩個側(cè)壓孔之間的壓差值Δh與流量Q之間的關(guān)系的，通常為指數(shù)關(guān)系，即Q=k×Δhn，比例系數(shù)k和指數(shù)n可以通過在模型機上的試驗確定，再換算應(yīng)用到真機上。

驗收試驗選擇了蝸殼進口附近與蝸殼進口面成49.5°的斷面，通過對應(yīng)真機在4個典型水頭下的試驗結(jié)果確定模型比例系數(shù)km及指數(shù)nm，測量結(jié)果與初步試驗結(jié)果吻合，其中為 km＝0.162 5、nm=0.5000，換算為原型機時kp=km×（Dp/Dm）2=21.54，np=nm=0.5，即原型機流量采用壓差法測量時，流量為Qp=21.54×Δh0.5。

3 分析與結(jié)論

（1）模型試驗臺綜合誤差小于0.25%，重復性小于0.1%，滿足IEC規(guī)程及合同對驗收試驗的要求；模型各部件制造采用了先進的數(shù)控加工技術(shù)，加工精度在公差范圍內(nèi)，保證了試驗的效果，為驗證設(shè)計創(chuàng)造了條件。

（2）模型水輪機各項效率指標均優(yōu)于合同保證值，出力滿足合同要求，機組具有很好的能量特性；模型水輪機空化系數(shù)（初生及臨界）均低于合同保證值，且空化安全裕度較大，表明為江坪河電站設(shè)計的水輪機具有優(yōu)良的空蝕特性；最大可能的飛逸轉(zhuǎn)速低于保證值，保證了機組飛逸狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全；模型流道內(nèi)壓力脈動幅度均小于合同保證值，根據(jù)現(xiàn)階段研究成果來看，在中、高出力時，原型機與模型壓力脈動幅值基本一致，低負荷時由于流動情況復雜，對應(yīng)關(guān)系不十分明顯，根據(jù)對三峽水輪機研究結(jié)果，低負荷下原型機壓力脈動幅值一般低于模型，預(yù)計原型機具有較好的壓力脈動特性。從江坪河水輪機模型試驗結(jié)果可以預(yù)見，在模型基礎(chǔ)上設(shè)計的原型機具備良好的性能，可以以模型尺寸為基礎(chǔ)進行真機的設(shè)計、制造。

（3）由于為江坪河電站設(shè)計的轉(zhuǎn)輪摩擦聯(lián)軸節(jié)需要大尺寸的法蘭，受結(jié)構(gòu)限制，轉(zhuǎn)輪上未開泄壓孔，因此頂蓋與轉(zhuǎn)輪間隙泄壓采用了平衡管方式，平衡管一端開在頂蓋、另一端與尾水連通，這也是目前較常見的方式，試驗結(jié)果證明該方式對于減小軸向水推力有效。但這種方式的缺點是：當出現(xiàn)較大洪水、尾水位升高較多時，尾水壓力通過平衡管作用于頂蓋，會對軸向水推力帶來不利影響，機組運行期間也要注意平衡管上的閥門是否打開。

（4）東芝為減小尾水渦帶對機組運行的不利影響而對泄水錐所做的改進是簡單、實用、有效的，對新建或已建成運行的機組都有參考價值，值得進一步研究推廣。

（5）試驗表明：少量補氣雖然無助于減小壓力脈動幅值，但對低負荷下改善流態(tài)、減小低頻振動對機組的危害、提高機組效率有利，在電站運行期間應(yīng)保留這一手段。

（6）江坪河電站水輪機的比轉(zhuǎn)速為166.5m·kW，比速系數(shù)為2 060，根據(jù)已建成的電站對水輪機比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)統(tǒng)計來看，與其它中高水頭混流式水輪機相比較，江坪河電站水輪機比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)均處于相對較低水平。實踐證明，較低的比轉(zhuǎn)速對增大機組穩(wěn)定運行范圍十分有利，本次模型試驗也驗證了這一觀點。對于以調(diào)峰、調(diào)頻為主的的江坪河水電站電站來說，這種特性尤為重要。

[1]IEC60193-1999.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗［S］.

[2]趙越，呂延光，等.近年來水輪機模型試驗技術(shù)的發(fā)展〔J〕.大電機技術(shù)，2010，（1）：41-45.

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TK730

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1672-5387（2010）04-0040-04

2010-06-02

黃大俊（1972-），男，高級工程師，碩士研究生，從事水電工程建設(shè)管理工作。