水口電站5號機組增容改造水輪機模型驗收試驗

胡雄峰，鄭應(yīng)霞，邱紹平

(中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 基本情況

水口電站位于福建省閩江干流中游，電站原設(shè)計總裝機容量7×200 MW，水頭范圍30.9～57.8 m；電站裝有7臺立軸軸流式水輪機，水輪機轉(zhuǎn)輪型號為ZZA315-LH-800[1]，轉(zhuǎn)輪直徑8 m。電站于1993年8月首臺機組發(fā)電，1996年11月機組全部投入商業(yè)運行。

自投運以來，水口電站受多年來下游河道持續(xù)無序挖沙的影響及上游河沙補給減少，使得下游尾水位持續(xù)降低，水輪機的吸出高度達不到原設(shè)計要求，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的振動。為了解決電站吸出高度不足的問題，目前水口電站著手水口壩下水位治理工程[2]，采用下游筑壩的方案將尾水位恢復(fù)到原設(shè)計的水位。如若水口電站水輪機吸出高度能恢復(fù)到原設(shè)計要求，水輪機就有可能超額定輸出功率運行。

為實現(xiàn)汛期多發(fā)電，水口發(fā)電集團公司擬對水口電站5號機組水輪機進行增容改造，在不更換原機組流道、導(dǎo)葉型線的前提下，采用更換整體轉(zhuǎn)輪的方式，提高轉(zhuǎn)輪的抗空化能力，同時將機組額定容量由200 MW增容至230 MW。

水口電站5號機組增容改造新轉(zhuǎn)輪由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司(以下簡稱“哈電”)設(shè)計制造，水輪機模型驗收試驗于2016年7月在哈電大電機研究所水力試驗5臺上進行。

2 模型試驗臺及模型轉(zhuǎn)輪

2.1 模型試驗臺介紹

哈電的水力試驗5臺是2012年建成的新試驗臺，試驗區(qū)為地下一層至地上三層。該試驗臺既可進行中高水頭段混流式水輪機試驗，還能進行低水頭軸流、貫流式水輪機試驗。試驗臺模型效率綜合測試誤差小于±0.20%[3]，模型轉(zhuǎn)輪的效率、空化、壓力脈動、飛逸、軸向水推力等試驗在同一試驗臺同一模型上進行。模型試驗臺主要參數(shù)詳見表1。

表1 水力試驗5臺主要參數(shù)

2.2 模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)

水口電站5號機組增容改造模型轉(zhuǎn)輪型號為A1382。水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)為：轉(zhuǎn)輪進口直徑D1m=350 mm，導(dǎo)葉高度b0m=124.5 mm，槳葉數(shù)量為6個，輪轂比為0.5，活動導(dǎo)葉數(shù)為24個，固定導(dǎo)葉數(shù)為24個，導(dǎo)葉分布圓直徑D0m=421 mm，原模型尺寸比為22.857∶1。

3 試驗臺儀器率定及誤差

驗收試驗前，對有關(guān)系統(tǒng)精度的主要測量儀表如流量計、力矩傳感器、水頭傳感器、尾水傳感器等進行了率定[4]，并進行誤差分析。本次驗收檢查，流量計的測量誤差≤±0.02%，力矩傳感器的測量誤差≤±0.013%，水頭傳感器的測量誤差≤±0.025%；模型試驗臺的效率綜合誤差≤±0.02%，滿足合同規(guī)定的精度要求。

4 水輪機模型驗收試驗

水輪機模型試驗驗收時，進行了模型初步試驗結(jié)果的復(fù)核試驗和主要性能保證指標(biāo)的見證驗收試驗，具體包括效率和出力試驗、最大水頭下的飛逸試驗、空化試驗、壓力脈動試驗、成像觀測試驗、模型尺寸檢查等。

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的槳葉角度與活動導(dǎo)葉開度要保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，因此，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型試驗中還需要調(diào)整槳葉角度[5]。而軸流轉(zhuǎn)槳水輪機模型轉(zhuǎn)輪尺寸較小，很難實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)輪槳葉角度的自動調(diào)節(jié)，因此，模型試驗中的轉(zhuǎn)輪槳葉角度的調(diào)整通常是通過一塊“槳葉角度調(diào)整樣板”來實現(xiàn)的。因水口電站5號機組增容改造轉(zhuǎn)輪采購合同中做了如下規(guī)定：“試驗應(yīng)包括整個水輪機運行范圍從模型導(dǎo)葉全關(guān)位置至110%導(dǎo)葉額定開度之間(間隔為10%)及不同槳葉轉(zhuǎn)角(轉(zhuǎn)角間隔為5°)的條件下進行?！惫使娝谱鞯脑囼灅影鍍H能實現(xiàn)-15°、-10°、5°、0°、5°、8°等6個槳葉角度的調(diào)整，即只能驗證上述特定槳葉角度下的工況，無法驗證其他工況。若需要試驗其他工況，則只能重新設(shè)計、加工樣板。因此，建議設(shè)計人員在編寫軸流水輪機招標(biāo)文件時，可要求模型試驗中槳葉轉(zhuǎn)角的間隔在2°～3°，以便模型試驗中能驗證更多電站實際運行中出現(xiàn)頻率較高的工況。

4.1 效率試驗

根據(jù)初步試驗報告，驗收組對槳葉角度β=0°、+5°角度的特征水頭協(xié)聯(lián)工況點進行驗收。試驗結(jié)果見表2。

表2 槳葉角度β=0°、+5°角度的試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出：驗收所選取的不同槳葉角度下的協(xié)聯(lián)點效率試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果吻合，其中水輪機模型最優(yōu)效率為92.92%，換算到原型最優(yōu)效率值為95.64%，滿足不小于95.59%的保證值要求。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，按轉(zhuǎn)輪槳葉不同轉(zhuǎn)角和導(dǎo)葉開度的協(xié)聯(lián)關(guān)系，繪制模型水輪機協(xié)聯(lián)特性曲線如下圖1所示。

圖1 槳葉角度β=0°、+5°角度的試驗結(jié)果

4.2 空化試驗

空化試驗選擇3個槳葉角度：β=0°、β=+5°、β=+8°，每個槳葉角度在特征水頭協(xié)聯(lián)工況點進行試驗。試驗結(jié)果見表3。

從試驗結(jié)果可以看出：在電站正常運行水頭、尾水位、輸出功率范圍內(nèi)，A1382轉(zhuǎn)輪的電站空化系數(shù)與臨界空化比滿足1.1倍的合同保證值要求；電站空化系數(shù)與初生空化比滿足1.05倍的合同保證值要求。模型轉(zhuǎn)輪的背面脫流未進入運行區(qū)內(nèi)。

4.3 壓力脈動試驗

壓力脈動測點包括： 蝸殼進口2個測點、尾水管進口+Y方向測點、尾水進口-Y方向測點、尾水錐管1.0D處+Y方向測點、尾水錐管1.0D處-Y方向測點、尾水錐管1.0D處+X方向測點、尾水錐管1.0D處-X方向測點、肘管外側(cè)測點、肘管內(nèi)側(cè)測點等10個測點。壓力脈動試驗選擇6個槳葉角度β分別為：-15°、-10°、-5°、0°、+5°、+8°，每個槳葉角度下，選擇特征水頭協(xié)聯(lián)工況點進行試驗。試驗結(jié)果表明：在電站正常運行范圍內(nèi)，水輪機壓力脈動試驗結(jié)果滿足保證值要求。

4.4 飛逸試驗

選擇6個槳葉角度進行飛逸轉(zhuǎn)速試驗β分別為：-15°、-10°、-5°、0°、+5°、+8°。根據(jù)模型驗收試驗結(jié)果，非協(xié)聯(lián)工況下的模型最大飛逸轉(zhuǎn)速為276.4 r/min，按最大水頭Hp=57.8 m換算，原型水輪機非協(xié)聯(lián)工況最大飛逸轉(zhuǎn)速為262.7 r/min，滿足不超過278 r/min的保證值要求；協(xié)聯(lián)工況下在最大導(dǎo)葉開口范圍內(nèi)的模型最大飛逸轉(zhuǎn)速為222.5 r/min，按最大水頭Hp=57.8 m換算，協(xié)聯(lián)工況原型最大飛逸轉(zhuǎn)速為211.4 r/min，滿足不超過246 r/min的保證值要求。

4.5 軸向水推力

非協(xié)聯(lián)工況下，模型水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上的最大軸向水推力工況為：槳葉角度β=-15°,導(dǎo)葉開口A0=15.5 mm，單位轉(zhuǎn)速n11=112.7 r/min；

協(xié)聯(lián)工況下, 模型水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水推力工況為：槳葉角度β=-15°，導(dǎo)葉開口A0=10.2 mm，單位轉(zhuǎn)速n11=112.5 r/min；

飛逸狀態(tài)下，非協(xié)聯(lián)工況下,模型水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水推力工況為：槳葉角度β=-15°，導(dǎo)葉開口A0=22 mm，對應(yīng)單位飛逸轉(zhuǎn)速n11=211.38 r/min。

表3 空化試驗結(jié)果

在最大凈水頭Hp=57.8 m下，換算到原型的水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上最大水推力：非協(xié)聯(lián)工況下，原型水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上的最大軸向水推力為20 591.6 kN；協(xié)聯(lián)工況下，原型水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水推力為17 964.2 kN；在最大凈水頭Hp=57.8m下，飛逸狀態(tài)換算到原型的水輪機流道內(nèi)作用在轉(zhuǎn)輪上最大水推力5 219.6 kN。滿足最大軸向水推力不大于28 400 kN的保證值要求。

5 結(jié) 論

水口電站水輪機為國內(nèi)水頭最高、單機容量最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，而本次5號機組增容改造后，將再次刷新了國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的單機容量記錄。5號機組改造轉(zhuǎn)輪為國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計，模型試驗結(jié)果表明，其結(jié)果與初步試驗一致，初步試驗結(jié)果真是可靠[6]。A1382轉(zhuǎn)輪是一個綜合性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪，具有良好的能量、空化、飛逸和穩(wěn)定性性能，特別是空化性能，能很好地滿足水口電站增容改造的要求。

□

[1] 劉清勇，帥秀蓮，陶 紅. 水口水電站200 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪改造[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2010,(4)：67-68.

[2] 陳國棟. 水口水電廠尾水位下降對機組的影響及其對策[J]. 福建電力與電工, 2002,(12)：1-3.

[3] 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司. 水口電站5號機水輪機模型驗收試驗報告[R]. 2016.

[4] 施 彬，孫文彬. 大渡河長河壩水電站水輪機模型驗收試驗[J]. 四川水力發(fā)電, 2016, (2)：54-57.

[5] 趙林明，張文玉 軸流轉(zhuǎn)槳水輪機協(xié)調(diào)特性試驗數(shù)據(jù)分析方法研究[J]. 電網(wǎng)與水力發(fā)電進展,2008, (4)：72-74.

[6] 盧 池，陳梁年. 湘江土谷塘電站水輪機模型驗收試驗[J]. 人民長江,2016, (8)：95-98.