湘江土谷塘航電樞紐工程貫流式水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)效果論述

【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了土谷塘電站的主要參數(shù)及性能要求，較詳細(xì)的介紹了水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)的設(shè)備、方法、過(guò)程及結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)輪的效率、空化、壓力脈動(dòng)、飛逸及軸向水推力特性進(jìn)行了分析，認(rèn)為其性能參數(shù)滿足技術(shù)保證值。文章還就高頻壓力脈動(dòng)分析、臨界空化系數(shù)確定方法及差壓傳感器標(biāo)定設(shè)備量程等問(wèn)題進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】土谷塘水電站；貫流式水輪機(jī)；模型驗(yàn)收；壓力脈動(dòng)；臨界空化系數(shù)

1、土谷塘航電樞紐工程概況

湘江土谷塘航電樞紐工程是湘江中游、衡陽(yáng)市區(qū)南部，上距近尾洲樞紐壩址50km，下距大源渡樞紐100km，為湘江干流航道八個(gè)梯級(jí)樞紐之一，是一個(gè)以航運(yùn)為主、航電結(jié)合，并兼有交通、灌溉、供水與養(yǎng)殖等綜合利用效益的工程。樞紐工程正常蓄水位為58.0m，水庫(kù)相應(yīng)庫(kù)容1.97億m3，電站裝有燈泡貫流式機(jī)組4臺(tái)，總裝機(jī)4x 22.5MW，年發(fā)電量3.68億Kw/h， 年利用小時(shí)數(shù)4033h。設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)1000t。工程等別為Ⅱ等、工程總投資約為30億元，總工期50個(gè)月。

2、土谷塘樞紐電站設(shè)計(jì)參數(shù)

最大水頭：9.8m 最小水頭：2.5m 額定水頭：5.8m 權(quán)平均水頭：6.58 m水輪機(jī)額定出力：23.2MW 額定轉(zhuǎn)速： 75r/min轉(zhuǎn)輪直徑： 7.3m轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)： 3輪轂體直徑： 2.409m導(dǎo)葉數(shù)： 16

3、土谷塘樞紐電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)于2015年4月在瑞士洛桑的瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)工學(xué)院水力實(shí)驗(yàn)室（ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE INSTITUT DE GENIE MECANIQUE，以下簡(jiǎn)稱“EPFL”）試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。驗(yàn)收試驗(yàn)技術(shù)規(guī)定，試驗(yàn)臺(tái)的綜合誤差應(yīng)小于0.3%。

3.1 模型試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

EPFL模型實(shí)驗(yàn)室共有三個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，土谷塘航電的燈泡貫流式水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)在EPFL的1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。1號(hào)試驗(yàn)臺(tái)是一封閉循環(huán)系統(tǒng)，即可作封閉式運(yùn)行，亦可作開(kāi)敞式運(yùn)行，主要設(shè)備參數(shù)如下：最高試驗(yàn)水頭：100m 最大測(cè)試流量：1.4m3/s 測(cè)功電機(jī)功率：300kW 水泵驅(qū)動(dòng)功率：900kW 測(cè)功電機(jī)轉(zhuǎn)速：1500r/min

模型機(jī)組為臥式結(jié)構(gòu)，模型機(jī)組的雙套軸承為靜壓軸承，模型轉(zhuǎn)輪通過(guò)一套靜壓軸承系統(tǒng)、傘齒輪和一個(gè)萬(wàn)向節(jié)與電動(dòng)/發(fā)電機(jī)軸聯(lián)接。模型水輪機(jī)軸安裝于一個(gè)擺動(dòng)式的雙套軸承系統(tǒng)中，由軸承和密封引起的摩擦力矩可直接傳遞到擺動(dòng)套上。

3.2 模型水輪機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果

模型驗(yàn)收試驗(yàn)在初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。初步試驗(yàn)共進(jìn)行了能量、空化、飛逸、壓力脈動(dòng)、軸向水推力等5個(gè)方面的全面試驗(yàn)，其性能基本滿足技術(shù)要求。

模型驗(yàn)收試驗(yàn)期間，除進(jìn)行了如上5個(gè)方面的水輪機(jī)性能驗(yàn)收外，還對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的主要傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，對(duì)水輪機(jī)流道主要尺寸進(jìn)行了檢測(cè)。

（1）出力和效率試驗(yàn)

絕大多數(shù)出力和效率驗(yàn)收試驗(yàn)在電站空化系數(shù)下測(cè)試，只有最高效率點(diǎn)在大空化系數(shù)下進(jìn)行，初步試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)的模型效率均采用換算至雷諾數(shù)ReM*=7×106時(shí)模型效率。

驗(yàn)收試驗(yàn)中，在最優(yōu)效率工況進(jìn)行了重復(fù)10次測(cè)試，模型最優(yōu)效率為93.74%，原型最優(yōu)效率為95.84%，高于保證值，和初步試驗(yàn)結(jié)果基本一致（如表1所示），滿足技術(shù)要求。

額定工況的原模型效率如表2所示，在額定凈水頭6.58m（nED=1.1371）的大空化系數(shù)（定義為σa）及電站裝置空化系數(shù)（σp=2.964）兩種不同條件下進(jìn)行，雖略低于技術(shù)保證值，但基本滿足技術(shù)要求。

由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)保證的效率均為協(xié)聯(lián)工況效率，故很難準(zhǔn)確測(cè)量到加權(quán)平均效率要求的工況點(diǎn)，絕大多數(shù)工況效率需采用插值的方法確定。由于驗(yàn)收工況有限，無(wú)法獲得驗(yàn)收的加權(quán)平均效率。但由重復(fù)試驗(yàn)可判斷，試驗(yàn)臺(tái)重復(fù)性較好，驗(yàn)收試驗(yàn)未測(cè)試工況的效率采用初步試驗(yàn)效率值代替。加權(quán)平均效率驗(yàn)收在大空化系數(shù)σa及電站裝置空化系數(shù)σp兩種不同條件下進(jìn)行。技術(shù)規(guī)定的原型加權(quán)平均效率保證值為94.43%，在大空化系數(shù)下原型加權(quán)平均效率為94.64%，在電站裝置空化系數(shù)下原型加權(quán)平均效率為94.48%，滿足技術(shù)要求。

（2）空化試驗(yàn)

模型空化試驗(yàn)的主要目的是觀測(cè)模型轉(zhuǎn)輪的空化現(xiàn)象和驗(yàn)證在電站運(yùn)行范圍內(nèi)臨界空化系數(shù)σc、初生空化系數(shù)σi與電站空化系數(shù)σp的關(guān)系。

初生空化系數(shù)σi為轉(zhuǎn)輪葉片表面空泡剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)的空化系數(shù)；而臨界空化系數(shù)σC

需作圖確定，η=f（σ）圖上過(guò)高空化系數(shù)點(diǎn)作該效率的水平線，并作效率急劇下降曲線部分的切線，兩條直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)即σc（如圖2所示）。技術(shù)要求，電站裝置空化系數(shù)σp與臨界空化系數(shù)σc、初生空化系數(shù)σi之間的關(guān)系為：臨界空化安全系數(shù)Kc=σp/σc ≥1. 2；初生空化安全系數(shù)Ki=σp/σi ≥1. 1，計(jì)算電站裝置空化系數(shù)σp的基準(zhǔn)為轉(zhuǎn)輪中心線.

對(duì)于大型貫流式水輪機(jī)而言，易發(fā)生空化的最危險(xiǎn)點(diǎn)位于轉(zhuǎn)輪葉片頂端，而相對(duì)于該點(diǎn)的電站空化系數(shù)σP*=σP-0.5·D1/HP（式中D1為轉(zhuǎn)輪直徑，HP為電站水頭）。就土谷塘電站水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，葉片頂端點(diǎn)比轉(zhuǎn)輪中心線高出D1/2=3.65m，相應(yīng)的空化系數(shù)σP*比σP小很多。因此在驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)收組建議將σP*也作為空化試驗(yàn)內(nèi)容，與σP、σc、σi一樣進(jìn)行流態(tài)觀測(cè)及描繪，其結(jié)果不作為考核使用，僅作為電站運(yùn)行及維修的參考資料。

在最大水頭9.8m、加權(quán)平均水頭6.58m、額定水頭5.8m及最小水頭2.5m條件下進(jìn)行了空化驗(yàn)收試驗(yàn)，并在σp及σp*兩個(gè)電站空化系數(shù)下進(jìn)行了空化狀況觀測(cè)及拍照，試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)基本一致。在低水頭，無(wú)論是臨界空化系數(shù)還是初生空化系數(shù)，其安全系數(shù)都大于技術(shù)要求值，滿足技術(shù)要求。在額定水頭及加權(quán)平均水頭，臨界空化系數(shù)和初生空化系數(shù)都基本滿足技術(shù)要求，有一定安全余量。

（3）飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)在高空化系數(shù)（σ>σp）的協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況進(jìn)行，驗(yàn)收試驗(yàn)只進(jìn)行非協(xié)聯(lián)工況試驗(yàn)。

初步試驗(yàn)時(shí)，非協(xié)聯(lián)工況下的最大飛逸轉(zhuǎn)速因數(shù)nEDR=3.1556，發(fā)生在葉片轉(zhuǎn)角β=15°，導(dǎo)葉開(kāi)度α=83.1°。在最大水頭Hp=9.8m時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=254.1r/min。

驗(yàn)收試驗(yàn)選擇葉片轉(zhuǎn)角β=15°進(jìn)行飛逸試驗(yàn)，在導(dǎo)葉開(kāi)度α= 83.1°測(cè)得最大飛逸轉(zhuǎn)速因數(shù)nEDR=3.1508，換算到電站最高水頭的最大飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=253.7r/min。驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果、初步試驗(yàn)結(jié)果及與技術(shù)保證值的比較如表3所示。

顯然，無(wú)論是初步試驗(yàn)還是驗(yàn)收試驗(yàn)，所測(cè)原型飛逸轉(zhuǎn)速均比技術(shù)保證值稍高。因此，驗(yàn)收組要求東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司和株式會(huì)社東芝做出承諾，確保設(shè)計(jì)的安全余量滿足技術(shù)要求。

（4）壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)技術(shù)規(guī)定，壓力脈動(dòng)的考核標(biāo)準(zhǔn)是峰峰值，試驗(yàn)中要求分析出其幅值最大的脈動(dòng)分量，并確定其頻率和幅值。技術(shù)規(guī)定的壓力脈動(dòng)保證值如表4所示。

初步試驗(yàn)共選擇了22個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)應(yīng)的電站水頭分別為HP=9.8m、6.58m、5.8m和2.5m，在尾水管4個(gè)位置測(cè)量壓力脈動(dòng)并進(jìn)行頻譜分析。

驗(yàn)收試驗(yàn)在兩個(gè)電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行，分別為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪中心線的σp和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪葉片頂端的σp*。對(duì)應(yīng)各電站運(yùn)行水頭和兩個(gè)電站空化系數(shù)的壓力脈動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表5所示，滿足技術(shù)保證值要求。

（5）軸向水推力試驗(yàn)

在最大凈水頭9.8m條件下，技術(shù)規(guī)定的最大水推力保證不超過(guò)3622.7kN。

軸向水推力根據(jù)模型水輪機(jī)雙套靜壓推力軸承高、低壓油腔油壓力之差確定，利用差壓傳感器測(cè)量。靜壓推力軸承壓差與軸向力的關(guān)系用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行原位標(biāo)定，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)測(cè)量的差壓傳感器信號(hào)計(jì)算出總軸向力Ft。

軸向水推力驗(yàn)收試驗(yàn)在初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。在相當(dāng)于電站最大水頭9.8m、額定水頭5.8m和最小水頭2.5m工況進(jìn)行了軸向水推力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果繪制到初步試驗(yàn)的曲線上，并進(jìn)行了特殊標(biāo)注（見(jiàn)圖3），和初步試驗(yàn)結(jié)果基本一致。換算到真機(jī)后，在最高水頭H=9.8m、出力23.2MW時(shí)軸向水推力約2814kN，遠(yuǎn)小于保證值3633kN，滿足技術(shù)要求。

6）模型水輪機(jī)尺寸檢測(cè)

驗(yàn)收試驗(yàn)后，驗(yàn)收組在驗(yàn)收最后對(duì)模型水輪機(jī)過(guò)流部件的主要尺寸及轉(zhuǎn)輪葉片等進(jìn)行了檢查測(cè)量。測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙相比較，誤差均在許可范圍之內(nèi)，滿足技術(shù)及IEC60193：1999的驗(yàn)收要求。

4、對(duì)部分模型驗(yàn)收試驗(yàn)中遇到問(wèn)題的探討

4.1 壓力脈動(dòng)分析及高頻部分顯示問(wèn)題

在壓力脈動(dòng)的初步試驗(yàn)中，采集頻率為1000Hz，可分析出500Hz以內(nèi)的頻率成分。但是，在初步試驗(yàn)報(bào)告中，對(duì)所有試驗(yàn)工況的壓力脈動(dòng)頻譜分析結(jié)果只顯示了0～100Hz的頻率-幅值（f-?H/H）曲線，如圖4所示。受試驗(yàn)雷諾數(shù)要求限制，在本次模型試驗(yàn)中，模型轉(zhuǎn)速通常都高于900r/min，轉(zhuǎn)速頻率fn≥15Hz，葉片頻率fZ≥45Hz。如只顯示到100Hz，自然更高頻率的壓力脈動(dòng)幅值無(wú)法得以展示，即使其幅值有可能比已分析出的主頻分量幅值還要高。

在驗(yàn)收試驗(yàn)中，驗(yàn)收組提出了該問(wèn)題，也得到了東芝和EPFL的積極響應(yīng)，增加了顯示到500Hz的頻譜分析曲線，如圖5所示。在這些顯示最高頻率到500Hz的頻譜曲線中，許多幅值超過(guò)轉(zhuǎn)頻和葉頻的高頻分量凸顯出來(lái)，成為主頻或次主頻等，豐富了我們對(duì)貫流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的了解，提升了對(duì)其內(nèi)部規(guī)律的認(rèn)識(shí)水平。而對(duì)于電站來(lái)說(shuō)，是提醒我們要注意這些高頻壓力脈動(dòng)可能產(chǎn)生的危害。

4.2 高水頭工況空化試驗(yàn)問(wèn)題

在空化試驗(yàn)中（包括驗(yàn)收試驗(yàn)和初步試驗(yàn)），驗(yàn)收組發(fā)現(xiàn)電站最高水頭（HP=9.8m）所有工況的空化試驗(yàn)均呈現(xiàn)隨空化系數(shù)降低效率單調(diào)下降的現(xiàn)象（如圖6所示）。這帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，其一是效率和出力下降，其二是臨界空化系數(shù)如何確定。

以電站最高水頭HP=9.8m為例，在β=5゜，在不同的空化系數(shù)下的模型及真機(jī)效率如表6所示。在電站空化系數(shù)σP條件下，比大空化系數(shù)時(shí)效率下降近2%。需要注意的是，在更小的空化系數(shù)下，效率進(jìn)一步下降，比σP時(shí)又下降近1%。

在驗(yàn)收試驗(yàn)中，通過(guò)空化觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在高水頭運(yùn)行工況葉片進(jìn)水邊有比較嚴(yán)重的空化發(fā)生，這是葉片進(jìn)水邊脫流空化造成的。這除可能造成真機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊背面空蝕外，還可能因此而帶來(lái)效率和出力的大幅度降低。

此外，在初步試驗(yàn)時(shí)，東芝曾以圖6中效率快速下降的斜線和效率慢速下降的斜線交點(diǎn)來(lái)確定臨界空化系數(shù)σc，其不符合IEC60193對(duì)臨界空化系數(shù)確定方法的規(guī)定（以效率快速下降部分斜線和過(guò)能量工況效率點(diǎn)水平線交點(diǎn)確定），故參考IEC標(biāo)準(zhǔn)按不確定進(jìn)行處理。希望在對(duì)IEC60193和國(guó)家類似標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂時(shí)，對(duì)類似問(wèn)題給出明確的確定方法。

4.3 貫流式水輪機(jī)模型參數(shù)的測(cè)試及標(biāo)定問(wèn)題

眾所周知，對(duì)于貫流式水輪機(jī)而言，由于其電站水頭低，流量大，模型試驗(yàn)的水頭也非常低，水頭測(cè)量的相對(duì)誤差有可能會(huì)相應(yīng)增大，降低測(cè)試精度。

土谷塘模型測(cè)試水頭采用ROSEMOUNT 3051SCD4A差壓傳感器測(cè)量，采用Huber標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)進(jìn)行原位標(biāo)定。由于貫流式水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速比較高，其模型試驗(yàn)水頭通常也不超過(guò)5m，驗(yàn)收試驗(yàn)最優(yōu)工況的試驗(yàn)水頭約為3.8m，但用于標(biāo)定水頭差壓傳感器的Huber標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)的量程是10bar，在計(jì)量部門標(biāo)定的證書顯示其相對(duì)誤差為0.03%，其絕對(duì)誤差為0.003bar，約為0.03m，相對(duì)于模型試驗(yàn)水頭的相對(duì)誤差約為0.79%。也就是說(shuō)，即使不考慮差壓傳感器標(biāo)定的線性度誤差和動(dòng)水頭測(cè)量誤差，僅只原級(jí)設(shè)備給水頭測(cè)量帶來(lái)的誤差就高達(dá)0.79%。即使模型試驗(yàn)水頭提高到5m，該誤差也高達(dá)0.6%。

究其原因，是因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)臺(tái)在測(cè)試水頭非常低的試驗(yàn)中采用了量程遠(yuǎn)超傳感器量程的標(biāo)準(zhǔn)裝置。而在進(jìn)行誤差換算時(shí)，沒(méi)有將原級(jí)設(shè)備的滿量程誤差0.03%換算至傳感器實(shí)際使用量程。

正確的換算方法應(yīng)當(dāng)是：如原級(jí)設(shè)備的滿量程為Afs，傳感器量程為Tfs，原級(jí)設(shè)備的滿量程相對(duì)誤差為EA，則原級(jí)設(shè)備在標(biāo)定中傳遞給被標(biāo)定傳感器的相對(duì)誤差。

因此，在對(duì)小量程差壓傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需采用與被標(biāo)定設(shè)備量程匹配的原級(jí)設(shè)備。同樣是對(duì)ROSEMOUNT 3051SCD4A差壓傳感器進(jìn)行標(biāo)定，如采用的標(biāo)定設(shè)備量程為1bar，其相對(duì)誤差同樣為0.03%，帶給差壓傳感器的原級(jí)設(shè)備相對(duì)誤差為0.08%。

5、結(jié)論

（1）土谷塘水電站貫流式水輪機(jī)模型驗(yàn)收于2015年4月在瑞士洛桑EPFL試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)基本按技術(shù)及IEC60193有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

（2）經(jīng)驗(yàn)收，土谷塘水電站貫流式水輪機(jī)效率、穩(wěn)定性、空化性能及軸向水推力滿足技術(shù)要求；飛逸轉(zhuǎn)速雖略高于技術(shù)保證值，但東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司承諾確保設(shè)計(jì)的安全余量滿足技術(shù)要求。

3）壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)許多工況壓力脈動(dòng)主頻比較高，如導(dǎo)葉頻率等，應(yīng)引起重視。

（4）在驗(yàn)收試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了臨界空化系數(shù)確定方法不規(guī)范及差壓傳感器標(biāo)定設(shè)備量程太高等問(wèn)題，希望在今后的試驗(yàn)或標(biāo)準(zhǔn)修訂中規(guī)避或解決。

參考文獻(xiàn)：

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