李 貴 吉

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定，626001）

長河壩水電站水輪機(jī)模型驗收試驗分析

李 貴 吉

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 康定，626001）

為了驗證長河壩水電站水輪機(jī)模型的水力特性，在哈爾濱大電機(jī)研究所進(jìn)行了水輪機(jī)模型驗收試驗。試驗包括效率試驗、空化試驗、壓力脈動試驗、圓筒閥試驗等10項試驗。驗收結(jié)果表明：長河壩水輪機(jī)模型最優(yōu)效率為95.23%；水輪機(jī)在各水頭下的出力滿足合同要求；在正常運行范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)葉道渦和可見卡門渦，空化裕度滿足合同要求；壓力脈動雙振幅值ΔH/H最大值位于錐管下游0.3D2處，最大值為5.80；水輪機(jī)全部運行范圍內(nèi)導(dǎo)葉均具有自關(guān)閉的趨勢；水輪機(jī)筒閥在除極小開度外，都具有自關(guān)閉趨勢。初步試驗與驗收試驗具有良好的重復(fù)性，水輪機(jī)各項水力特性滿足合同要求。

水輪機(jī)模型驗收試驗；水輪機(jī)效率；壓力脈動；圓筒閥；長河壩水電站

0 前言

長河壩水電站位于大渡河上游，左岸地下廠房裝設(shè)4臺額定功率650MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站最大水頭為216.2m，加權(quán)平均水頭204.3m，額定水頭200m，最小水頭166m，調(diào)節(jié)庫容為4.15億m3，具有自調(diào)節(jié)能力。

哈爾濱大電機(jī)研究所進(jìn)行了水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的研究開發(fā)試驗工作，最終選擇了A998模型轉(zhuǎn)輪作為模型驗收試驗方案。四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司組織有關(guān)專家于2009年9月在哈爾濱大電機(jī)研究所水輪機(jī)室高水頭試驗 I臺進(jìn)行長河壩水電站模型驗收試驗，并于2010年7月3日至7月5日進(jìn)行了圓筒閥、導(dǎo)葉水力矩、補(bǔ)氣等補(bǔ)充試驗。

長河壩水電站水輪機(jī)模型的主要參數(shù)如下：模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D1=420mm，轉(zhuǎn)輪出口直徑D2=359mm，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z0為16片，固定導(dǎo)葉數(shù)為23，活動導(dǎo)葉數(shù)：24，模型比尺：D1P/D1m=15.95238。

1 模型試驗臺及標(biāo)定

哈爾濱大電機(jī)研究所的高水頭試驗 I臺在1996年完成測試系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)改造，具有各參數(shù)的（水頭、流量、力矩和尾水等）原位率定系統(tǒng)，模型試驗臺的原級測試設(shè)備，有國家或權(quán)威檢測部門在有效期內(nèi)檢測的鑒定證書。試驗臺模型效率綜合最大誤差小于0.25%。試驗臺主要參數(shù)：

最高水頭100mH2O

最大流量1.2m3/s

轉(zhuǎn)輪直徑300～500mm

測功機(jī)功率400kW

測功機(jī)轉(zhuǎn)速300～1800r/min

供水泵電機(jī)功率400kW×2

流量校正筒容積120m3

水庫容積750m3

試驗臺綜合效率最大誤差≤±0.25%

模型驗收試驗前，哈電人員介紹了模型試驗臺設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并出示了原級測試儀器的有效檢定合格證書。對水頭傳感器、力矩傳感器、尾水壓力傳感器和電磁流量計等主要測量儀器儀表進(jìn)行了原位率定，驗收試驗后對電磁流量計進(jìn)行了復(fù)核標(biāo)定，率定結(jié)果滿足規(guī)程要求。

模型試驗的誤差分析主要包括兩個方面，一是試驗臺的測量儀器和設(shè)備的系統(tǒng)誤差與率定誤差，二是在典型工況下（一般選最優(yōu)工況）模型效率測量的隨機(jī)誤差。本次驗收試驗的效率測試綜合誤差為Eη=±0.233%，滿足合同規(guī)定的不大于±0.25%的要求。

2 水輪機(jī)模型驗收試驗

2.1 水輪機(jī)效率驗收試驗

試驗水頭為25m，采集時間為60s，效率試驗在裝置空化系數(shù)下進(jìn)行。

2.1.1 最優(yōu)效率試驗

對A998模型轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)工況點進(jìn)行了10點采集，并提供相關(guān)算例，經(jīng)算術(shù)平均得到模型最優(yōu)效率mMax＝95.23%，相應(yīng)的原型機(jī)最高效率pMax=96.77%，與初步試驗結(jié)果相符，滿足合同保證值95.2%和96.69%。原型機(jī)的最優(yōu)工況點為：HP=204.3m，開度76%，出力P=557.55MW。

2.1.2 額定點試驗

A998水輪機(jī)在額定水頭HP=200m下的額定功率和額定效率試驗結(jié)果見表1。

表1 水輪機(jī)額定水頭下額定功率及額定效率

額定點效率與初步試驗結(jié)果相符，略低于保證值，根據(jù)IEC60193-1999規(guī)程[1]規(guī)定的試驗誤差修正后，模型效率基本達(dá)到保證值要求，換算后的原型效率滿足合同要求。

2.1.3 加權(quán)點試驗

在5個特征水頭216.2m、204.2m、200.0m、196.0m和166.0m分別測取6個加權(quán)因子點進(jìn)行效率測量，驗收試驗與初步試驗結(jié)果相符。雖然有小部分加權(quán)因子點模型和原型效率略低于合同保證值，但經(jīng)計算模型、原型加權(quán)平均效率分別為 93.161%、94.78%，均高于合同保證值93.159%和94.64%。

2.2 水輪機(jī)出力及流量驗收試驗

對合同文件要求的9個水頭下出力保證值進(jìn)行了見證試驗，試驗的原型水頭Hp=166.0m～217.7m，試驗結(jié)果如表2所示。由表可知，在水頭204.3m和205.5m時，驗收試驗功率略小于保證值，其他水頭下功率都滿足保證值。試驗還測量了水輪機(jī)輸出功率696MW和737MW時的最小水頭。水輪機(jī)持續(xù)輸出功率為696MW時對應(yīng)的該出力的最小水頭HP=204.7m，對應(yīng)的單位流量Q11=0.58m3/s；水輪機(jī)持續(xù)輸出功率為737MW時對應(yīng)的該出力的最小水頭HP=215m；對應(yīng)的單位流量Q11=0.5668m3/s。

2.3 空化試驗

空化現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于19世紀(jì)后半葉的螺旋槳葉上，在水輪機(jī)中當(dāng)空化發(fā)展到一定階段時，葉片的繞流情況將變壞，從而減少了水力矩，促使水輪機(jī)功率下降，效率降低。隨著空化的產(chǎn)生，不可避免地在水輪機(jī)過流部件上形成空蝕，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全的運行。改善水輪機(jī)的空蝕性能已成為水力機(jī)械設(shè)計及運行人員的重要任務(wù)[2]?？栈囼瀮?nèi)容包括空化觀測和空化外特性試驗。

表2 水輪機(jī)不同水頭下輸出功率保證

2.3.1 空化觀測

專家驗收組對9個水頭下保證出力的初生空化數(shù)、裝置空化數(shù)和臨界空化數(shù)進(jìn)行了觀測。從頂蓋觀察孔插人內(nèi)窺鏡，觀察葉片進(jìn)口邊流動狀況，確定葉片進(jìn)口邊正面（對應(yīng)原型機(jī)低水頭）以及背面（對應(yīng)原型機(jī)高水頭）初生空化線。控制閃頻光源的閃爍頻率使葉片在給定工況，透過有機(jī)玻璃錐管對葉片出口邊流動狀態(tài)進(jìn)行觀察，了解氣泡產(chǎn)生的情況。

葉道渦觀測是對不同的單位轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)不同的單位流量，確定葉道渦初生線、葉道渦發(fā)展線。通過有機(jī)玻璃錐管觀察葉片出口邊流動狀態(tài)確定無渦區(qū)范圍，觀察葉片出口邊卡門渦的狀況，檢查在各水頭最大可能出力工況點有無卡門渦發(fā)生。驗收試驗表明：在正常運行范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)葉道渦和可見卡門渦，在最小水頭100%出力附近有葉片頭部正面空化渦，鑒于該工況點實際運行可能性很小，可以接受。

2.3.2 空化外特性試驗

空化試驗選擇合同規(guī)定的7個工況點外，還增加了兩個工況進(jìn)行驗收試驗。驗收試驗覆蓋了從低水頭(H=166 m)到高水頭(H=217.7m)，從小負(fù)荷(P=483 MW)到最大負(fù)荷(P=737MW)的全部運行范圍。典型工況的試驗結(jié)果與合同規(guī)定的數(shù)值對比見表3。

試驗中，試驗水頭保持不變，調(diào)節(jié)尾水壓力使其逐漸減低以確定臨界空化系數(shù)值和初生空化系數(shù)值。初生空化系數(shù)定義為在3個轉(zhuǎn)輪葉片表明開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)，臨界空化系數(shù) σ1值定義為與無空化工況的效率相比效率下降1%的空化系數(shù)[1]。試驗過程中對空化系數(shù)為 σP、σi和 σ1的工況流態(tài)進(jìn)行了拍照。

驗收試驗校核結(jié)果表明在合同規(guī)定的工況下，A998轉(zhuǎn)輪空化性能良好，空化系數(shù)值均滿足合同要求，空化性能值也滿足合同要求的 σp/σ1＞1.6、σp/σi＞1.1的要求。

表3 不同水頭下的空化系數(shù)及空化裕度

2.4 壓力脈動試驗

在水輪機(jī)整個運行范圍內(nèi)，電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行了壓力脈動試驗。壓力脈動試驗水頭H為25m，壓力脈動幅值為混頻雙振幅峰～峰值（置信度97%）。

2.4.1 測點布置

測點布置情況：蝸殼進(jìn)口、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前、頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠間、錐管0.3D2+Y、0.3D2-Y方向、肘管進(jìn)口上下游、肘管45°上下游凹凸處各布置一個測點。

2.4.2 電站空化系數(shù)下的壓力試驗

選取了在導(dǎo)葉開度A0=12，13，14，15，16，18，20，21，22，24，26mm時，Hp=166m～216.2m段的7個特征水頭下進(jìn)行了驗收試驗。

試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果基本一致，壓力脈動值基本滿足合同要求，沒發(fā)現(xiàn)高部分負(fù)荷壓力脈動。表3為各工況下壓力脈動最大值及其對應(yīng)工況的出力，壓力脈動雙振幅值ΔH/H最大值位于錐管下游0.3D2處，ΔH/H=5.80。

表3 各水頭下壓力脈動最大值及其對應(yīng)的出力

2.4.3 變空化系數(shù)下壓力脈動

選擇了HP=216.2m，P=442.7MW進(jìn)行了變空化系數(shù)下的壓力脈動試驗，繪制了壓力脈動與空化系數(shù)的變化曲線，如圖1所示，結(jié)果表明，除了蝸殼進(jìn)口和導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前以外，在電站裝置空化系數(shù)σp=0.09附近的壓力脈動相對較小。

圖1 變空化系數(shù)下壓力脈動曲線(HP=216.2m)

2.5 補(bǔ)氣試驗

通過模型試驗確定自然補(bǔ)氣的必要性和尋求降低尾水管壓力脈動或使水輪機(jī)在部分負(fù)荷區(qū)平穩(wěn)運行的其他方法和措施，試驗選擇中心補(bǔ)氣和邊壁補(bǔ)氣兩種方案。

2.5.1 電站裝置空化系數(shù)下的補(bǔ)氣試驗

試驗水頭為15m，在裝置空化系數(shù)下，補(bǔ)氣試驗選擇最大壓力脈動點及最大水頭45%額定功率工況進(jìn)行中心孔補(bǔ)氣和邊壁補(bǔ)氣〔距轉(zhuǎn)輪出口下方0.3D2處〕。測點布置在錐管下游0.3D2、肘管上游45°和肘管下游45°處。試驗工況點：HP=216.2m，P=45%Pr，Q11=0.239m3/s；HP=204.3m，Q11=0.226m3/s。補(bǔ)氣量選擇Qair/Qr=0.25%、0.5%、0.75%。

2.5.2 渦帶工況補(bǔ)氣試驗

對有渦帶的工況（開度大約 A0=14.9mm）分別進(jìn)行了原型機(jī)水頭Hmax=216.2m、H=204.3m、Hr=200m、Hmin=166m的中心孔補(bǔ)氣和邊壁補(bǔ)氣試驗，對比了補(bǔ)氣效果。

補(bǔ)氣試驗結(jié)果表明：中心孔補(bǔ)氣與邊壁補(bǔ)氣對水輪機(jī)尾水管壓力脈動的影響基本相同，雖然補(bǔ)氣對尾水管壓力脈動幅值有輕微減弱的趨勢，但對減弱水輪機(jī)尾水管壓力脈動沒有決定性作用。

2.6 導(dǎo)葉水力矩試驗

見證了同步導(dǎo)葉和非同步導(dǎo)葉水力矩試驗。在導(dǎo)葉開度范圍 A0=8～26mm，測定水輪機(jī)模型導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動力矩。在位于蝸殼四個不同象限內(nèi)的六個導(dǎo)葉上測定導(dǎo)葉同步狀態(tài)轉(zhuǎn)動力矩。為測量與其它導(dǎo)葉失去同步的導(dǎo)葉引起的水力不平衡而造成的水力影響的結(jié)果，還應(yīng)在一個導(dǎo)葉脫離操作機(jī)構(gòu)的情況下，測定該導(dǎo)葉及相鄰導(dǎo)葉的水力矩。

特殊活動導(dǎo)葉的布置：在蝸殼四個象限內(nèi)布置六只測力活動導(dǎo)葉，即測力活動導(dǎo)葉分別為11#、17#、23#、3#、4#和5#導(dǎo)葉，在導(dǎo)葉非同步狀態(tài)下，測力活動導(dǎo)葉為3#、4#、5#，其中4#為非同步導(dǎo)葉。

初步試驗選擇了 Hmax=216.2m、Hr=200m、Hmin=166m三個水頭下的A0=8～26mm的8個開度下進(jìn)行同步導(dǎo)葉水力矩試驗；在驗收試驗時，選擇活動導(dǎo)葉開度為A0=10、14、18、26mm，對每一開口進(jìn)行了原型機(jī)Hr=200m的同步導(dǎo)葉水力矩的測試。

初步試驗選擇了 Hmax=216.2m、Hr=200m、Hmin=166m三個水頭下的A0=8～26mm的9個開度下進(jìn)行非同步導(dǎo)葉水力矩試驗，對應(yīng)的非同步導(dǎo)葉的開度分別位于A0=10、18、26mm；在驗收試驗時選擇同步導(dǎo)葉開度為A0=14mm，水頭Hr=200m，此時對應(yīng)的非同步導(dǎo)葉的開度位于A0=18mm。

圖2為導(dǎo)葉水力矩試驗曲線，TG,QD為正代表導(dǎo)葉所受水力矩為關(guān)閉方向，反之為開啟方向。由圖可知，在水輪機(jī)全部運行范圍內(nèi)導(dǎo)葉均具有自關(guān)閉的趨勢，驗收試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果吻合。

圖2 導(dǎo)葉水力矩試驗曲線

2.7 圓筒閥試驗

圓筒閥最早使用于1962年投運的法國Monteynard水電站，圓筒閥設(shè)置在活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間，可以有效的減少導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的間隙空蝕和磨損，減少導(dǎo)葉漏水量，利于機(jī)組制動，有效的防止飛逸，縮短充水時間，提高機(jī)組運行等優(yōu)點。從20世紀(jì)60年代至今，國內(nèi)外已投運的圓筒閥接近百臺。目前，在保證可靠性能的前提下，圓筒閥水力自關(guān)閉、動水關(guān)閉時的水力性能，以及圓筒閥對水輪機(jī)性能的影響是目前大型圓筒閥研究的難點和重點[3]。

2.7.1 圓筒閥靜態(tài)力試驗

靜態(tài)力試驗主要包括運行工況對圓筒閥靜態(tài)力的影響，導(dǎo)葉開度對靜態(tài)力的影響，圓筒閥開度對靜態(tài)力的影響。初步試驗選擇 Hmax=216.2m、Hr=200m、Hmin=166m三個水頭，A0=8～26mm共7個導(dǎo)葉開度，對10個不同的圓筒閥開度的軸向下拉力進(jìn)行了測量，驗收試驗選擇HP=200m，3個導(dǎo)葉開度，5個筒閥開度進(jìn)行了驗證，繪制了筒閥下拉力系數(shù)曲線，如圖 3所示。

圖3 筒閥下拉力系數(shù)曲線

由圖可知，在筒閥開度一定時，活動導(dǎo)葉開度越大，筒閥下拉力系數(shù)越大；在活動導(dǎo)葉開度一定時，隨著筒閥開度的增大，下拉力系數(shù)先按線性曲線逐漸增大，當(dāng)達(dá)到筒閥開度的 10%時，達(dá)到最大值，然后逐漸降低到0。驗收試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果吻合，圓筒閥除極小開度外，下拉力系數(shù)值小于零，在絕大多數(shù)開度下，下拉力系數(shù)為正值，受到向下的力，具有自關(guān)閉的趨勢。

2.7.2 圓筒閥開度對水輪機(jī)效率、流量、導(dǎo)葉水力矩的影響試驗

在導(dǎo)葉處，測定圓筒閥的開啟對水輪機(jī)效率和流量的影響以及圓筒閥的開啟對導(dǎo)葉水力矩的影響，得到了在不同導(dǎo)葉開度下，水輪機(jī)相對效率、相對流量、導(dǎo)葉水力矩系數(shù)隨筒閥開度的變化曲線，如圖 4～圖6所示。初步試驗選擇 Hmax=216.2m、Hr=200m、Hmin=166m三個水頭，A0=8～22mm共5個導(dǎo)葉開度，驗收試驗選擇HP=200m，A0=10mm、18mm、22mm三個導(dǎo)葉開度。由圖5、圖6可知，筒閥開度與水輪機(jī)效率和水輪機(jī)流量的影響曲線基本一致，曲線呈對數(shù)曲線變化，水輪機(jī)效率和流量在筒閥開度在 20%時，已經(jīng)增大到 80%左右，隨著筒閥開度的繼續(xù)增大到滿開度時，效率和流量達(dá)到100%；當(dāng)導(dǎo)葉開度增大時，效率和流量隨筒閥開度的增大變化得更快。由圖4可知，筒閥開度對導(dǎo)葉水力矩影響根據(jù)導(dǎo)葉開度值大小變化規(guī)律有所不同，在筒閥開度小于20%，TG,QD在導(dǎo)葉開度小于22mm時都為負(fù)值，導(dǎo)葉受水力矩為導(dǎo)葉開啟方向；在筒閥開度大于20%，除了在部分大導(dǎo)葉開度外，TG,QD值基本為正值，導(dǎo)葉受水力矩為導(dǎo)葉關(guān)閉方向。

圖4 筒閥對導(dǎo)葉水力矩影響曲線

圖5 筒閥對水輪機(jī)效率影響曲線

圖6 筒閥對水輪機(jī)相對流量影響曲線

2.8 其他試驗

2.8.1 飛逸轉(zhuǎn)速試驗

飛逸試驗按額定開度的110%計算，原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為240.6r/min（A0=27mm、n11=109.65r/min），小于合同規(guī)定的最大飛逸轉(zhuǎn)速255r/min，滿足合同要求。初步試驗與驗收試驗結(jié)果吻合良好。

2.8.2 軸向水推力試驗

總軸向力通過靜壓軸承油腔的油壓進(jìn)行測量，試驗前已進(jìn)行標(biāo)定，其他部分根據(jù)IEC60193的要求進(jìn)行測量。選擇水頭 Hp=166m、200m、216.3m，開度A0=10mm～36mm，每個工況間隔2mm。根據(jù)專家驗收組的意見，進(jìn)行了單倍迷宮間隙下的軸向水推力（飛逸工況下）試驗，最大軸向水推力726kN。由于模型裝置沒有準(zhǔn)備雙倍迷宮間隙裝置，在初步試驗和驗收試驗期間未能進(jìn)行雙倍間隙的軸向力試驗。軸向正常運行工況下水推力在初步試驗中測得，最大軸向水推力9586.68kN，小于合同保證值11200kN。

2.8.3 指數(shù)試驗

指數(shù)試驗其水頭為25m，測量在水輪機(jī)蝸殼某斷面上兩側(cè)壓孔之間的壓差，選擇的測點符合IEC60193規(guī)程[1]要求，通過試驗建立蝸殼壓差與流量之間的相對關(guān)系。驗收試驗結(jié)果得到測點的壓差和流量的關(guān)系方程，Q和ΔP基本滿足指數(shù)關(guān)系，驗收試驗與初步試驗吻合。

3 結(jié)語

長河壩水電站水輪機(jī)模型驗收完成了合同規(guī)定的所有試驗，試驗項目齊全，試驗儀器儀表精度滿足規(guī)范要求。試驗結(jié)果表明，模型水輪機(jī)及換算得到的原型水輪機(jī)的出力、空化、壓力脈動、飛逸、軸向水推力、導(dǎo)葉水力矩、圓筒閥下拉力等性能指標(biāo)均滿足合同要求，效率基本滿足合同要求。驗收組同意按模型水輪機(jī)進(jìn)行長河壩水電站原型水輪機(jī)的設(shè)計和投產(chǎn)制造。

[1] IEC60193-1999, 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗收試驗規(guī)程[S]. 國際電工技術(shù)委員會, 瑞士日內(nèi)瓦, 1999.

[2] 劉大凱. 水輪機(jī)(第三版)[M]. 中國水利電力出版社, 北京, 1992.

[3] 孫文彬, 蔣登云, 田迅. 溪洛渡水電站水輪機(jī)巨型圓筒閥選擇及性能分析[C]. 大型水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)論文集, 2008.

審稿人：劉萬江

Analysis on Acceptance Test of the Turbine Model for the Changheba Hydropower Station

LI Guiji
(Sichuan Datang International Ganzi Hydroelectric Co.,Ltd, KangDing, 626001, China)

In order to verify the hydraulic characteristics of the Changheba Hydropower turbine model, the turbine model acceptance test is made at Harbin institute of large electrical machinery.The test includes efficiency test, cavitation test, the pressure pulsation test and the ring gate test, etc.altogether 10 tests. The inspection results show that the optimal efficiency of Changheba turbine model is 95.23%; the turbine output meets the contract requirements at each water head; in the normal operating range the leaf road vortex and visible Karman vortex don’t appear, cavitation margin meets the contract requirements; the max pressure pulsation dual amplitude values ΔH/H is at the position 0.3D2away downstream the taper pipe, the maximum is 5.80; the turbine guide vanes have self-closing trend at all operating range; turbine ring gate has self-closing trend except small opening. The results on the acceptance test is in good agreement with the initial test and the hydraulic characteristics of the turbine meet the contract requirements.

acceptance test of the turbine model; turbine efficiency; pressure pulsation; ring gate;changheba hydropower station

TK730.7

B

1000-3983(2014)03-0062-06

2013-08-20

李貴吉(1984-) ，男，2006年畢業(yè)于四川大學(xué)，從事水電工程建設(shè)與管理工作，工程師，碩士。