水口電站5號機組增容改造水輪機模型驗收試驗

胡雄峰，鄭應霞，邱紹平

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，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，水輪機轉輪型號為ZZA315-LH-800[1]，轉輪直徑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計要求，出現(xiàn)了較嚴重的振動。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到原設計的水位。如若水口電站水輪機吸出高度能恢復到原設計要求，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、導葉型線的前提下，采用更換整體轉輪的方式，提高轉輪的抗空化能力，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輪由哈爾濱電機廠有限責任公司(以下簡稱“哈電”)設計制造，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 模型轉輪基本參數(shù)

水口電站5號機組增容改造模型轉輪型號為A1382。水輪機模型轉輪主要技術參數(shù)為：轉輪進口直徑D1m=350 mm，導葉高度b0m=124.5 mm，槳葉數(shù)量為6個，輪轂比為0.5，活動導葉數(shù)為24個，固定導葉數(shù)為24個，導葉分布圓直徑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果的復核試驗和主要性能保證指標的見證驗收試驗，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。

由于軸流轉槳式水輪機的槳葉角度與活動導葉開度要保持協(xié)聯(lián)關系，因此，軸流轉槳式水輪機模型試驗中還需要調整槳葉角度[5]。而軸流轉槳水輪機模型轉輪尺寸較小，很難實現(xiàn)模型轉輪槳葉角度的自動調節(jié)，因此，模型試驗中的轉輪槳葉角度的調整通常是通過一塊“槳葉角度調整樣板”來實現(xiàn)的。因水口電站5號機組增容改造轉輪采購合同中做了如下規(guī)定：“試驗應包括整個水輪機運行范圍從模型導葉全關位置至110%導葉額定開度之間(間隔為10%)及不同槳葉轉角(轉角間隔為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，則只能重新設計、加工樣板。因此，建議設計人員在編寫軸流水輪機招標文件時，可要求模型試驗中槳葉轉角的間隔在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。試驗結果見表2。

表2 槳葉角度β=0°、+5°角度的試驗結果

從試驗結果可以看出：驗收所選取的不同槳葉角度下的協(xié)聯(lián)點效率試驗結果與初步試驗結果吻合，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)結果，按轉輪槳葉不同轉角和導葉開度的協(xié)聯(lián)關系，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。試驗結果見表3。

從試驗結果可以看出：在電站正常運行水頭、尾水位、輸出功率范圍內，A1382轉輪的電站空化系數(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。模型轉輪的背面脫流未進入運行區(qū)內。

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、肘管外側測點、肘管內側測點等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。試驗結果表明：在電站正常運行范圍內，水輪機壓力脈動試驗結果滿足保證值要求。

4.4 飛逸試驗

選擇6個槳葉角度進行飛逸轉速試驗β分別為：-15°、-10°、-5°、0°、+5°、+8°。根據(jù)模型驗收試驗結果，非協(xié)聯(lián)工況下的模型最大飛逸轉速為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)工況下在最大導葉開口范圍內的模型最大飛逸轉速為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，模型水輪機流道內作用在轉輪上的最大軸向水推力工況為：槳葉角度β=-15°,導葉開口A0=15.5 mm，單位轉速n11=112.7 r/min；

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

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

表3 空化試驗結果

在最大凈水頭Hp=57.8 m下，換算到原型的水輪機流道內作用在轉輪上最大水推力：非協(xié)聯(lián)工況下，原型水輪機流道內作用在轉輪上的最大軸向水推力為20 591.6 kN；協(xié)聯(lián)工況下，原型水輪機流道內作用在轉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作用在轉輪上最大水推力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 論

水口電站水輪機為國內水頭最高、單機容量最大的軸流轉槳式水輪機，而本次5號機組增容改造后，將再次刷新了國內軸流轉槳式水輪機的單機容量記錄。5號機組改造轉輪為國內自主研發(fā)設計，模型試驗結果表明，其結果與初步試驗一致，初步試驗結果真是可靠[6]。A1382轉輪是一個綜合性能優(yōu)良的轉輪，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。

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[1] 劉清勇，帥秀蓮，陶 紅. 水口水電站200 MW軸流轉槳式水輪機轉輪改造[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 軸流轉槳水輪機協(xié)調特性試驗數(shù)據(jù)分析方法研究[J]. 電網與水力發(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.