水口電站5號(hào)機(jī)組增容改造水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

胡雄峰，鄭應(yīng)霞，邱紹平

(中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jì)總裝機(jī)容量7×200 MW，水頭范圍30.9～57.8 m；電站裝有7臺(tái)立軸軸流式水輪機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZA315-LH-800[1]，轉(zhuǎn)輪直徑8 m。電站于1993年8月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1996年11月機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行。

自投運(yùn)以來(lái)，水口電站受多年來(lái)下游河道持續(xù)無(wú)序挖沙的影響及上游河沙補(bǔ)給減少，使得下游尾水位持續(xù)降低，水輪機(jī)的吸出高度達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的振動(dòng)。為了解決電站吸出高度不足的問(wèn)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(jì)的水位。如若水口電站水輪機(jī)吸出高度能恢復(fù)到原設(shè)計(jì)要求，水輪機(jī)就有可能超額定輸出功率運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)汛期多發(fā)電，水口發(fā)電集團(tuán)公司擬對(duì)水口電站5號(hào)機(jī)組水輪機(jī)進(jìn)行增容改造，在不更換原機(jī)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(shí)將機(jī)組額定容量由200 MW增容至230 MW。

水口電站5號(hào)機(jī)組增容改造新轉(zhuǎn)輪由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“哈電”)設(shè)計(jì)制造，水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)于2016年7月在哈電大電機(jī)研究所水力試驗(yàn)5臺(tái)上進(jìn)行。

2 模型試驗(yàn)臺(tái)及模型轉(zhuǎn)輪

2.1 模型試驗(yàn)臺(tái)介紹

哈電的水力試驗(yàn)5臺(tái)是2012年建成的新試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)區(qū)為地下一層至地上三層。該試驗(yàn)臺(tái)既可進(jìn)行中高水頭段混流式水輪機(jī)試驗(yàn)，還能進(jìn)行低水頭軸流、貫流式水輪機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)模型效率綜合測(cè)試誤差小于±0.20%[3]，模型轉(zhuǎn)輪的效率、空化、壓力脈動(dòng)、飛逸、軸向水推力等試驗(yàn)在同一試驗(yàn)臺(tái)同一模型上進(jìn)行。模型試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 水力試驗(yàn)5臺(tái)主要參數(shù)

2.2 模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)

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

3 試驗(yàn)臺(tái)儀器率定及誤差

驗(yàn)收試驗(yàn)前，對(duì)有關(guān)系統(tǒng)精度的主要測(cè)量?jī)x表如流量計(jì)、力矩傳感器、水頭傳感器、尾水傳感器等進(jìn)行了率定[4]，并進(jìn)行誤差分析。本次驗(yàn)收檢查，流量計(jì)的測(cè)量誤差≤±0.02%，力矩傳感器的測(cè)量誤差≤±0.013%，水頭傳感器的測(cè)量誤差≤±0.025%；模型試驗(yàn)臺(tái)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(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

水輪機(jī)模型試驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)，進(jìn)行了模型初步試驗(yàn)結(jié)果的復(fù)核試驗(yàn)和主要性能保證指標(biāo)的見(jiàn)證驗(yàn)收試驗(yàn)，具體包括效率和出力試驗(yàn)、最大水頭下的飛逸試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、成像觀測(cè)試驗(yàn)、模型尺寸檢查等。

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的槳葉角度與活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度要保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，因此，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型試驗(yàn)中還需要調(diào)整槳葉角度[5]。而軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪尺寸較小，很難實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)輪槳葉角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，模型試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)輪槳葉角度的調(diào)整通常是通過(guò)一塊“槳葉角度調(diào)整樣板”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因水口電站5號(hào)機(jī)組增容改造轉(zhuǎn)輪采購(gòu)合同中做了如下規(guī)定：“試驗(yàn)應(yīng)包括整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行范圍從模型導(dǎo)葉全關(guān)位置至110%導(dǎo)葉額定開(kāi)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(jìn)行。”故哈電所制作的試驗(yàn)樣板僅能實(shí)現(xiàn)-15°、-10°、5°、0°、5°、8°等6個(gè)槳葉角度的調(diào)整，即只能驗(yàn)證上述特定槳葉角度下的工況，無(wú)法驗(yàn)證其他工況。若需要試驗(yàn)其他工況，則只能重新設(shè)計(jì)、加工樣板。因此，建議設(shè)計(jì)人員在編寫(xiě)軸流水輪機(jī)招標(biāo)文件時(shí)，可要求模型試驗(yàn)中槳葉轉(zhuǎn)角的間隔在2°～3°，以便模型試驗(yàn)中能驗(yàn)證更多電站實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)頻率較高的工況。

4.1 效率試驗(yàn)

根據(jù)初步試驗(yàn)報(bào)告，驗(yàn)收組對(duì)槳葉角度β=0°、+5°角度的特征水頭協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)收。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 槳葉角度β=0°、+5°角度的試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：驗(yàn)收所選取的不同槳葉角度下的協(xié)聯(lián)點(diǎn)效率試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，其中水輪機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，按轉(zhuǎn)輪槳葉不同轉(zhuǎn)角和導(dǎo)葉開(kāi)度的協(xié)聯(lián)關(guān)系，繪制模型水輪機(jī)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(yàn)結(jié)果

4.2 空化試驗(yàn)

空化試驗(yàn)選擇3個(gè)槳葉角度：β=0°、β=+5°、β=+8°，每個(gè)槳葉角度在特征水頭協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在電站正常運(yùn)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(jìn)入運(yùn)行區(qū)內(nèi)。

4.3 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)包括： 蝸殼進(jìn)口2個(gè)測(cè)點(diǎn)、尾水管進(jìn)口+Y方向測(cè)點(diǎn)、尾水進(jìn)口-Y方向測(cè)點(diǎn)、尾水錐管1.0D處+Y方向測(cè)點(diǎn)、尾水錐管1.0D處-Y方向測(cè)點(diǎn)、尾水錐管1.0D處+X方向測(cè)點(diǎn)、尾水錐管1.0D處-X方向測(cè)點(diǎn)、肘管外側(cè)測(cè)點(diǎn)、肘管內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)等10個(gè)測(cè)點(diǎn)。壓力脈動(dòng)試驗(yàn)選擇6個(gè)槳葉角度β分別為：-15°、-10°、-5°、0°、+5°、+8°，每個(gè)槳葉角度下，選擇特征水頭協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在電站正常運(yùn)行范圍內(nèi)，水輪機(jī)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果滿足保證值要求。

4.4 飛逸試驗(yàn)

選擇6個(gè)槳葉角度進(jìn)行飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)β分別為：-15°、-10°、-5°、0°、+5°、+8°。根據(jù)模型驗(yàn)收試驗(yàn)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(jī)非協(xié)聯(lián)工況最大飛逸轉(zhuǎn)速為262.7 r/min，滿足不超過(guò)278 r/min的保證值要求；協(xié)聯(lián)工況下在最大導(dǎo)葉開(kāi)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(guò)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(jī)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(kāi)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(jī)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(kāi)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(jī)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(kāi)口A0=22 mm，對(duì)應(yīng)單位飛逸轉(zhuǎn)速n11=211.38 r/min。

表3 空化試驗(yàn)結(jié)果

在最大凈水頭Hp=57.8 m下，換算到原型的水輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)為國(guó)內(nèi)水頭最高、單機(jī)容量最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，而本次5號(hào)機(jī)組增容改造后，將再次刷新了國(guó)內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的單機(jī)容量記錄。5號(hào)機(jī)組改造轉(zhuǎn)輪為國(guó)內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計(jì)，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，其結(jié)果與初步試驗(yàn)一致，初步試驗(yàn)結(jié)果真是可靠[6]。A1382轉(zhuǎn)輪是一個(gè)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。

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