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(zé)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(zé)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(jìn)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(jìn)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(biāo)，中標(biāo)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(jìn)行。首先由東芝水電進(jìn)行初步模型試驗并提交報告，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了檢查，對測量水輪機進(jìn)出口壓差的壓差變送器、用于力矩測量的負(fù)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(jìn)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(dǎo)葉數(shù)Z0＝20；導(dǎo)葉相對高度b＝0.224；導(dǎo)葉分布圓直徑Dd＝446.4 mm；轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(fù)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(jìn)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(jìn)口脫流空化觀測、出口空化觀測。轉(zhuǎn)輪進(jìn)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(jìn)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(dǎo)葉開度下進(jìn)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(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)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(biāo)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(jìn)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(jìn)行的，共抽取了小開度下有代表性的10個工況點進(jìn)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(jìn)口1個、尾水管上部2個、頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間1個、活動導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)口附近與蝸殼進(jìn)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(fù)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(jìn)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(biāo)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(fù)荷時由于流動情況復(fù)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(fù)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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

B

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。