四川九龍河江邊水電站水輪機(jī)模型驗收試驗

方 曉 紅

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，杭州 310014）

前言

九龍河江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣，電站總裝機(jī)330MW，共裝3臺單機(jī)容量110MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組（包括進(jìn)水球閥）設(shè)備由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司（以下簡稱“東芝公司”）制造，水輪機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

江邊水電站水輪發(fā)電機(jī)組合同于 2008年 1月簽訂。2008年7月在日本東京橫濱電力和工業(yè)系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，東芝水力研究實驗室2號試驗臺上進(jìn)行水輪機(jī)模型驗收試驗。

1 水輪機(jī)模型相似性問題說明

江邊水電站的水輪機(jī)模型引用東芝公司為國內(nèi)類似水頭段某電站開發(fā)的水輪機(jī)模型，在此水輪機(jī)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)江邊電站的水能參數(shù)和合同水輪機(jī)性能保證要求，按IEC60193（1999）標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，重新進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗和最終驗收試驗。

從蝸殼進(jìn)口到尾水錐管進(jìn)口，該模型水輪機(jī)與江邊水電站水輪機(jī)完全相似，但根據(jù)江邊水電站實際布置的需要，從尾水錐管出口到尾水管擴(kuò)散段出口兩者不相似，江邊機(jī)組尾水管與模型尾水管形狀對比詳見圖1所示。

圖1 原型與模型尾水管形狀比較

江邊機(jī)組尾水管與模型尾水管換算后尺寸相比：尾水管長度加長28.5%，尾水管高度加高4.9%。一般來說，若尾水管高度較大，則尾水管內(nèi)的有效壓力回收會比較好，機(jī)組性能也會較好。且經(jīng)比較，尾水管各斷面面積分布與模型尾水管各斷面面積分布非常相似，因此從宏觀上分析，尾水管的差異對水輪機(jī)水力性能的影響甚小。為了進(jìn)一步證實其結(jié)果的可靠性，東芝公司專門針對尾水管不相似部分進(jìn)行了CFD流體解析計算，計算結(jié)果顯示：模型尾水管與江邊尾水管的水力損失差異僅為 0.01%，因此，可忽略尾水管差異對水輪機(jī)能量指標(biāo)的影響。

2 水輪機(jī)模型試驗裝置

2.1 模型試驗裝置簡介

2號模型試驗臺由1600m3水池、冷卻泵、工作泵、流量計、壓力水箱、模型水輪機(jī)和尾水箱等組成，模型試驗裝置簡圖如圖 2所示，試驗臺主要參數(shù)如表2所示，江邊水電站水輪機(jī)模型主要參數(shù)如表3所示。

圖2 模型試驗臺系統(tǒng)簡圖

表2 試驗臺主要參數(shù)

表3 水輪機(jī)模型主要參數(shù)

2.2 模型試驗測量設(shè)備、標(biāo)定和誤差

模型試驗臺安裝自動數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，主要測量設(shè)備和儀表均為高精度原級標(biāo)定設(shè)備。

轉(zhuǎn)速測量：由電子脈沖計數(shù)器測量，由設(shè)置在脈沖計數(shù)器內(nèi)的高精度振蕩器控制，晶體振蕩器的精度高達(dá)±1×10-6，無需校準(zhǔn)。

水頭測量：一只差壓變送器用于測量進(jìn)口和出口壓差以確定水輪機(jī)的水力比能，另一只差壓變送器用于測量出口壓力以用于確定有效吸出比能；差壓變送器由空氣活塞式重錘壓力計校準(zhǔn)。

流量測量：由電磁流量計測量，電磁流量計通過稱重法來校準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 稱重法簡圖

扭矩測量：一只500kW電磁測功器用來測量由水輪機(jī)產(chǎn)生的扭矩。裝在測功器定子機(jī)座上的全自動高精度負(fù)載傳感器測量扭矩臂末端的反作用力，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)；

軸向水推力測量：由壓力傳感器測量測功器的靜壓軸承的油壓；

尾水管渦帶和轉(zhuǎn)輪出口空化觀測：用頻閃燈，安裝在接近尾水管進(jìn)口上端部位；

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口脫流觀察：用頻閃燈和CCD照相機(jī)，安裝在頂蓋上；

壓力脈動測量：壓力傳感器，直接裝在測點上；

導(dǎo)葉水力矩測量：應(yīng)變片，貼在4只活動導(dǎo)葉上。

各種參數(shù)的測量儀器、儀表均已按要求，在試驗前由日本權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)定。在水輪機(jī)模型驗收試驗期間對流量、力矩、軸向水推力測量裝置等做了重復(fù)性檢查，對未做重復(fù)標(biāo)定的儀器進(jìn)行原級證書驗證，各項標(biāo)定結(jié)果滿足IEC規(guī)程的相關(guān)規(guī)定。

試驗臺試驗儀器標(biāo)定及效率誤差分析表明，模型試驗臺效率綜合誤差為±0.27%，未超過±0.3%的合同規(guī)定。

3 水輪機(jī)模型驗收試驗

3.1 模型驗收試驗項目

在模型驗收試驗前，東芝公司已按合同提交了《水輪機(jī)模型驗收試驗大綱》和《水輪機(jī)模型試驗初步試驗報告》。驗收試驗包括對水輪機(jī)初步試驗報告結(jié)果的復(fù)核試驗，以及對效率試驗、空化試驗、壓力脈動試驗、水輪機(jī)軸向水推力試驗、Winter-Kennedy指數(shù)試驗、飛逸轉(zhuǎn)速試驗、補(bǔ)氣試驗等主要性能指標(biāo)的見證試驗。見證和復(fù)核項目的工況點及數(shù)目由驗收組確定。

3.2 模型驗收試驗結(jié)果

由于模型試驗臺導(dǎo)葉開度不能任意角度調(diào)整，在進(jìn)行模型試驗前，東芝公司事先在控制環(huán)相應(yīng)位置根據(jù)導(dǎo)葉開度打好銷釘孔，試驗時根據(jù)確定的導(dǎo)葉開度用銷釘固定在某開度位置（導(dǎo)葉開度從2mm、4mm、6mm……20mm、22mm、24mm、26mm、28mm 及一些合同規(guī)定工況開度），如圖4所示。因此見證試驗的工況點與合同的效率保證的工況不完全對應(yīng)，保證點的效率值通過試驗值作成的曲線插值得到?？刂骗h(huán)上導(dǎo)葉開度定位銷釘孔

圖4 控制環(huán)上導(dǎo)葉開度定位銷孔

3.2.1 效率試驗

原型水輪機(jī)效率按合同采用 2/3moody公式等值修正。在電站空化系數(shù)下，共對31個工況點進(jìn)行水輪機(jī)模型效率見證試驗。其中21個工況點的效率高于初步模型試驗報告提供數(shù)值，另有9個工況點的效率略低于初步模型試驗報告值，但是其偏差均在模型效率試驗綜合誤差允許范圍內(nèi)。效率驗收結(jié)果表明，原型水輪機(jī)最優(yōu)效率、額定效率和加權(quán)平均效率均滿足合同保證值的要求，效率試驗成果如表4所示。

表4 效率試驗成果

3.2.2 水輪機(jī)空化試驗

根據(jù)合同要求，臨界空化系數(shù)定義為與無空化工況效率相比，效率開始變化時的系數(shù)（如圖5中σco）。但東芝公司認(rèn)為此點試驗難以確定，而是采用與效率保持不變的延伸線與效率急劇變化的交點確定為臨界空化系數(shù)σcs，如圖5所示，經(jīng)商議，驗收組表示認(rèn)可。初生空化系數(shù)合同中定義為在任意三個葉片上產(chǎn)生第一個可見氣泡時的空化系數(shù)，而驗收試驗以觀察到葉片背面出口第一個氣泡來確定的初生空化系數(shù)?？栈鶞?zhǔn)面按IEC60193規(guī)定的Zc，如圖5所示。

圖5 臨界空化系數(shù)定義和空化基準(zhǔn)面簡圖

水輪機(jī)空化驗收試驗重點針對空化性能較為嚴(yán)峻的額定工況點進(jìn)行驗收試驗，驗收試驗額定工況臨界空化系數(shù)σcs=0.044，小于合同保證值σcs=0.057，且水輪機(jī)空化性能驗收試驗得到的數(shù)值與初步試驗數(shù)值符合性較好。按照試驗所得到的初生空化系數(shù)計算確定的電站允許吸出高度為-7.9m，滿足電站實際吸出高度（-8.2m）要求。

3.2.3 水輪機(jī)軸向水推力試驗

水輪機(jī)軸向水推力試驗是在設(shè)計間隙下進(jìn)行的。為獲得作用于轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力，先測量靜壓軸承的油壓力，根據(jù)測量的油壓力計算軸向水推力。軸向水推力驗收試驗，共對18個工況點進(jìn)行見證試驗，得到的數(shù)值與初步試驗報告提供的數(shù)值基本符合。因合同保證值為兩倍設(shè)計間隙下軸向水推力，最大水頭、兩倍設(shè)計間隙下軸向水推力根據(jù)設(shè)計間隙下軸向水推力換算得到。經(jīng)計算，最大水頭、兩倍設(shè)計間隙下的軸向水推力T為2905kN，小于合同保證值3334kN。轉(zhuǎn)輪軸向水推力受力分析圖，如圖6所示。

圖6 受力分析圖

3.2.4 壓力脈動試驗

水輪機(jī)模型驗收試驗時增加了高水頭、小導(dǎo)葉開度下的18個試驗工況點，進(jìn)行壓力脈動驗收試驗。由于江邊原型水輪機(jī)空載開度為6mm，模型水輪機(jī)的空載開度約為1mm，模型試驗最小導(dǎo)葉開度為2mm，難以確定空載開度下的壓力脈動值。對合同保證值中其它的尾水管壓力脈動，見證試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果基本吻合，且試驗值均低于合同保證值，詳見圖7和表5。

圖7 尾水管壓力脈動見證試驗與初步試驗結(jié)果對照

表5 最大水頭306.2m尾水管上部壓力脈動見證試驗與初步試驗對比

3.2.5 Winter-Kennedy指數(shù)試驗

模型蝸殼同一斷面兩測點用差壓變送器測量其差壓，同時用電磁流量計測量水輪機(jī)的流量，得出模型水輪機(jī)流量與壓差之間的關(guān)系，測點布置如圖8所示。共對18個工況點進(jìn)行水輪機(jī)模型Winter-Kennedy指數(shù)驗收試驗，得到的數(shù)值與初步試驗結(jié)果一致，認(rèn)同初步試驗報告中提供的Winter-Kennedy指數(shù)。

3.2.6 飛逸轉(zhuǎn)速試驗

飛逸試驗是在電站空化系數(shù)、一定導(dǎo)葉開度下進(jìn)行。在做飛逸試驗之前，將測功器裝置調(diào)整為電動機(jī)方式運行，使電動機(jī)的輸入功率與測功裝置所消耗的功率相等，即水輪機(jī)完全不帶負(fù)荷運行。在輸出功率為零時，加大流量，轉(zhuǎn)速能達(dá)到的最大值即為飛逸轉(zhuǎn)速。根據(jù)模型試驗成果，得到原型水輪機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速為556.8r/min，低于合同保證值590 r/min。

3.2.7 補(bǔ)氣試驗

水輪機(jī)補(bǔ)氣試驗采用在尾水錐管處安裝十字補(bǔ)氣管向轉(zhuǎn)輪中心補(bǔ)氣。通過空壓機(jī)補(bǔ)入壓縮空氣，補(bǔ)氣壓力為 0.25MPa，將其流量轉(zhuǎn)換為大氣壓下的流量。在電站空化系數(shù)下，分別對額定水頭272m、導(dǎo)葉開度12mm，補(bǔ)氣量為0、～0.5%Qr、～1.0%Qr，以及最大水頭 306.2m、導(dǎo)葉開度 8mm，補(bǔ)氣量為 0、～0.5%Qr、～1.0%Qr和～1.5%Qr進(jìn)行補(bǔ)氣試驗，補(bǔ)氣試驗結(jié)果詳見表6。

從表中可見，補(bǔ)氣使水輪機(jī)效率略有下降，對壓力脈動有一定的改善。但因水輪機(jī)運行區(qū)域內(nèi)壓力脈動值均較小，補(bǔ)氣對進(jìn)一步減小壓力脈動幅值效果不是十分顯著。

4 結(jié)語

水輪機(jī)模型驗收試驗按規(guī)定程序及合同要求順利完成，試驗項目完整，驗收試驗的結(jié)果與模型初步試驗結(jié)果一致，模型試驗成果可作為原型水輪機(jī)設(shè)計、制造的依據(jù)。

[1]GB/T15613-2008. 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗收試驗[S].

[2]IEC 60193-1999. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines model acceptance test[S].

[3]東芝水電.四川江邊水電站水輪機(jī)模型試驗報告[R].2008.