洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型試驗分析

熊 濤，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

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洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型試驗分析

熊 濤，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

江西洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型驗收試驗主要包括率定檢查、效率和出力試驗、空化試驗、飛逸試驗、低揚(yáng)程試驗、壓力脈動試驗、軸向水推力試驗、活動導(dǎo)葉水力矩試驗、壓差指數(shù)試驗、水泵零流量試驗、四象限全特性曲線和模型通流部件尺寸檢查等。試驗結(jié)果表明，該水泵水輪機(jī)的S特性良好，安全裕度比較大；水泵水輪機(jī)的效率和出力、空化、壓力脈動等各種性能指標(biāo)均滿足了合同規(guī)定及電站運行要求，各項綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

水泵水輪機(jī)；模型試驗；抽水蓄能電站

1 工程概況

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省宜春市靖安縣三爪侖鄉(xiāng)境內(nèi)，距南昌、九江、武漢的直線距離分別為65、100 km和190 km，處于江西負(fù)荷中心，屬周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站裝機(jī)容量1 200 MW，裝設(shè)4臺單機(jī)容量300 MW的立軸單級可逆混流式水泵水輪機(jī)組。電站建成后，平均年發(fā)電量17.43億kW·h，平均年抽水耗電量22.93億 kW·h，以500 kV一級電壓、兩回出線接入華中電網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相作用和事故備用等任務(wù)。

1.1 電站主要參數(shù)

水泵水輪機(jī)型式為立軸、單級、混流可逆式。電站運行最大毛水頭/揚(yáng)程570.0 m；最小毛水頭/揚(yáng)程535.0 m；額定凈水頭540.0 m；水泵水輪機(jī)安裝高程93.0 m；水輪機(jī)工況正常頻率變化范圍49.5～50.2 Hz；水泵工況正常頻率變化范圍49.8～50.5 Hz；短時允許頻率變化范圍48.5～50.5 Hz。

1.2 機(jī)組主要參數(shù)

轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊直徑3 850 mm；轉(zhuǎn)輪出口邊直徑1 934.9 mm；額定轉(zhuǎn)速500 r/min；水輪機(jī)工況額定輸出功率306 MW；機(jī)組4臺。

2 驗收試驗項目

洪屏電站水泵水輪機(jī)模型試驗在德國海登海姆福伊特水電公司水力試驗室的通用型高水頭2號試驗臺(UHD2)上進(jìn)行，海登海姆試驗臺的精度不大于±0.25%。驗收試驗主要依據(jù)為《江西洪屏抽水蓄能電站機(jī)組及其附屬設(shè)備采購合同》(以下簡稱合同)和IEC60193—1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗收試驗》。

水泵水輪機(jī)模型驗收試驗主要包括：率定檢查、效率和出力試驗、空化試驗、飛逸試驗、低揚(yáng)程試驗、壓力脈動試驗、軸向水推力試驗、活動導(dǎo)葉水力矩試驗、壓差指數(shù)試驗、水泵零流量試驗、四象限全特性曲線和模型通流部件尺寸檢查等。

在模型驗收試驗前，對電磁流量計、水頭和軸向水推力差壓傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速感應(yīng)器、壓力脈動傳感器及含氧測量儀等均進(jìn)行了標(biāo)定，在水輪機(jī)工況和水泵工況下測試的效率試驗綜合誤差分別為±0.2269%和±0.2270%，滿足合同要求的±0.25%。

2.1 效率特性試驗

效率特性試驗內(nèi)容包括：①水輪機(jī)工況下的模型最優(yōu)效率點、運行區(qū)內(nèi)最優(yōu)效率點、額定效率及加權(quán)平均效率試驗；②在水泵工況下模型的最優(yōu)效率、加權(quán)平均效率。效率試驗結(jié)果見表1、2。

表1 水輪機(jī)工況效率 %

表2 水泵工況效率 %

由表1、2可知，洪屏電站水泵水輪機(jī)各效率驗收值與初步試驗相符且滿足合同要求。

2.2 空化特性試驗

空化特性試驗包括水輪機(jī)工況、水泵工況的臨界空化和初生空化的確定。而對初生空化系數(shù)和臨界空化系數(shù)的定義在IEC60193—1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗收試驗》中有明確的定義。

水輪機(jī)工況的空化現(xiàn)象往往發(fā)生在葉片出口邊的背面，而水泵工況發(fā)生在葉片進(jìn)口處的背面，造成低壓區(qū)的重合，該區(qū)域更易發(fā)生空化，因此水泵水輪機(jī)的空化性能主要取決于水泵工況的空化性能。故在進(jìn)行空化驗收試驗時，重點對水輪機(jī)額定工況進(jìn)行了空化特性驗收試驗，實驗結(jié)果為：流量QP=62.09 m3/s，功率P=306 MW，水頭HP=540 m，σC(裝置空化系數(shù))0.053 0，σi(初生空化系數(shù))0.093 1，σpi(臨界空化系數(shù))0.148 0，σpi/σC(初生空化裕度)2.792，σpi/σi(臨界空化裕度)1.590。可以看出，電站裝置空化系數(shù)要遠(yuǎn)高于初生空化系數(shù)，空化裕度非常大，滿足合同要求。對水泵工況的最大、最小毛揚(yáng)程進(jìn)行了空化驗收試驗，見圖1。

圖1 水泵工況空化系數(shù)驗收結(jié)果

從水泵工況空化試驗驗收結(jié)果來看，在運行區(qū)，初生空化系數(shù)和臨界空化系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電站裝置空化系數(shù)，都滿足合同要求。

2.3 飛逸特性試驗

模型驗收試驗時，對初步模型試驗進(jìn)行了復(fù)核。從真機(jī)特性曲線上，顯示了要求的最大出力時導(dǎo)葉開度和真機(jī)水頭的關(guān)系及最大飛逸轉(zhuǎn)速的保證值，驗收結(jié)果如圖2所示。

圖2 單位飛逸轉(zhuǎn)速、單位流量與導(dǎo)葉開度對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)公式將圖中的單位飛逸轉(zhuǎn)速換算成真機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速為615 r/min，滿足合同規(guī)定的最大穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速的保證值700 r/min的要求。

2.4 壓力脈動試驗

壓力脈動驗收試驗共采用4個壓力脈動測點，分別是尾水管管壁、導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間、頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間、蝸殼進(jìn)口。表4、5分別列出了在電站空化條件下，最小水頭520 m、額定水頭540 m和最大水頭565 m的水輪機(jī)工況壓力脈動和對6個效率加權(quán)點及10個16°導(dǎo)葉開度下水泵工況的模型壓力脈動驗收試驗結(jié)果。

從表3、4中可以看出，洪屏電站水泵水輪機(jī)在水輪機(jī)工況和水泵工況的壓力脈動幅值與初步試驗結(jié)果一致且滿足合同要求。

表3 水輪機(jī)工況壓力脈動試驗 %

表4 水泵工況壓力脈動試驗 %

2.5 低揚(yáng)程試驗

水泵異常低揚(yáng)程試驗確定了第一次充水運行點的揚(yáng)程和活動導(dǎo)葉開度分別為10°，揚(yáng)程510 m。

2.6 水輪機(jī)異常低水頭試驗

水輪機(jī)工況異常低水頭試驗是為了找出允許的最低水頭用于上游水庫排水期間短期發(fā)電的異常低水頭。在部分負(fù)荷壓力脈動允許的條件下，異常最低凈水頭是493.29 m。洪屏電站一臺機(jī)運行時的最小毛水頭是496.74 m。該水頭下的最小輸出功率是142.72 MW；最小導(dǎo)葉開度是11.6 °。

2.7 軸向水推力試驗

模型試驗進(jìn)行并驗證了最大水頭565 m時進(jìn)行了水輪機(jī)工況的軸向水推力試驗。模型驗收試驗測得在穩(wěn)態(tài)工況時，水輪機(jī)工況最大向下水推力為1 250 kN，合同保證值為2 400 kN；水泵工況最大向下水推力為800 kN，合同保證值為2 400 kN。試驗結(jié)果都滿足合同要求。

2.8 水泵零流量揚(yáng)程

在水頭680.26 m進(jìn)行了水泵0流量揚(yáng)程試驗，水泵最大入力為57.26 MW，水泵0流量揚(yáng)程試驗值為680.26 m，保證值為725 m。

2.9 全特性曲線

S 特性穩(wěn)定性的界限定義在飛逸曲線與等導(dǎo)葉開度線的交點，該交點處斜率由正轉(zhuǎn)換為負(fù)，即等開度線與飛逸線交點處不允許出現(xiàn)正斜率的要求。

圖3給出了S 特性區(qū)域附近的詳細(xì)結(jié)果。模型試驗結(jié)果表明在機(jī)組正常運行范圍內(nèi)包括正常頻率變化范圍內(nèi)在有關(guān)的等導(dǎo)葉開度線上(4°～6.2°)沒有正斜率出現(xiàn)。機(jī)組在50 Hz 同步并網(wǎng)時最大導(dǎo)葉開度為4.5°，在50.2 Hz 同步并網(wǎng)時最大導(dǎo)葉開度為4.7°。因此模型試驗顯示S 特性穩(wěn)定性的界限在Dj=6.2°。安全裕量在50.2 Hz 和50 Hz 時分別是32.4 m和36.8 m。S 型特性的模型驗收試驗結(jié)果滿足合同規(guī)定的正常運行范圍內(nèi)。

圖3 S特性區(qū)域附近曲線

2.10 水泵駝峰裕度試驗

合同規(guī)定當(dāng)兩臺機(jī)運行在最大揚(yáng)程，頻率在49.8 Hz下的水泵運行外包絡(luò)線駝峰裕量為3.1%，本次驗收試驗與此相對應(yīng)的的駝峰裕量計算值為3.90%。

本次驗收試驗計算值為：一臺機(jī)在50 Hz下的最大揚(yáng)程點對應(yīng)的導(dǎo)葉開度(16°)的H-Q曲線駝峰裕量為2.68%；一臺機(jī)在49.8 Hz 下的最大揚(yáng)程點對應(yīng)的導(dǎo)葉開度(16°)的H-Q曲線駝峰裕量為1.90%，廠家福伊特根據(jù)已建工程的經(jīng)驗認(rèn)為有足夠的安全裕量，能確保機(jī)組穩(wěn)定運行，圖4給出了真機(jī)水泵駝峰裕量在不同給定條件下的數(shù)值。

圖4 水泵駝峰曲線

3 結(jié) 語

江西洪屏抽水蓄能電站模型水泵水輪機(jī)采用了近幾年來國內(nèi)外大型水泵水輪機(jī)較為先進(jìn)而又成熟的一系列技術(shù)。水泵水輪機(jī)的S特性良好，安全裕度比較大；水泵水輪機(jī)的效率和出力、空化、壓力脈動等各種性能指標(biāo)均滿足了合同規(guī)定及電站運行要求，各項綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

[1]劉大愷. 水輪機(jī)[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 1996．

[2]梅祖彥. 抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社．

[3]IEC60193—1999 水輪機(jī)、 蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗收試驗[S]．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analysis on Model Acceptance Test of Pump-Turbine for Hongping Pumped-storage Power Station

XIONG Tao, WANG Kangsheng

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The model acceptance test of pump-turbine for Hongping Pumped-storage Power Station consists of calibration check, efficiency and output test, cavitation test, runaway test, low lift operation test, pressure pulsation test, axial thrust test, guide vane torque test, pressure index test, pump zero flow test, four-quadrant complete characteristic curves and flow-through component size examination. The test results show that, (a) the S-characteristics of pump-turbine is good and the safety margin is relatively large; (b) the efficiency, output, cavitation, pressure pulsation and other performance indicators of pump-turbine meet the requirements of contract and unit operation, and the comprehensive performance indicators reach international advanced level．

pump-turbine; model test; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 09

熊濤(1982—)，男，江西南昌人，高級工程師，主要從事水電站檢修與技術(shù)管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0074- 03