施　彬，　孫 文 彬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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大渡河長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

施彬，孫 文 彬

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：為了驗(yàn)證長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)的水力性能指標(biāo)是否達(dá)到合同文件要求，從而為將來(lái)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行擬定合理的運(yùn)行方式，提高水電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，進(jìn)行了長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；模型驗(yàn)收試驗(yàn)；長(zhǎng)河壩水電站

1概述

長(zhǎng)河壩水電站地下廠房中安裝了4臺(tái)單機(jī)額定功率為650 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，該水輪發(fā)電機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱哈電)設(shè)計(jì)制造。為了驗(yàn)證水輪機(jī)的水力性能指標(biāo)，在哈電水輪機(jī)室高水頭試驗(yàn)I臺(tái)進(jìn)行了水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)。

長(zhǎng)河壩水電站機(jī)組主要參數(shù)如下：

單機(jī)額定功率650 MW

水輪機(jī)額定出力663 MW

水頭范圍217.7～166 m

額定水頭200 m

水輪機(jī)安裝高程1 463.45 m

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑D16.7 m

額定轉(zhuǎn)速142.9 r/min

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)16片

活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)24

固定導(dǎo)葉數(shù)23

長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目包括：效率試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、水推力試驗(yàn)、飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)、蝸殼測(cè)流壓力差試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)(葉道渦、卡門渦、葉片進(jìn)口空化)、補(bǔ)氣試驗(yàn)和圓筒閥水力特性試驗(yàn)及其它試驗(yàn)。

2模型試驗(yàn)臺(tái)的基本情況

2.1試驗(yàn)臺(tái)的總體布置及特點(diǎn)

試驗(yàn)臺(tái)為一個(gè)封閉式循環(huán)系統(tǒng)，由2臺(tái)功率為400 kW的雙吸離心泵及配套管路、閥門和模型水輪機(jī)等組成。通過(guò)管路連接、閥門切換，水泵可以單獨(dú)運(yùn)行，也可做串、并聯(lián)運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)可雙向運(yùn)行。

2.2模型水輪機(jī)

哈電針對(duì)長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)開發(fā)了HLA998模型，該模型裝置含整個(gè)流道，除部分尾水管直錐段為了便于觀測(cè)轉(zhuǎn)輪渦帶情況采用非金屬透明材料外，其它部位均采用金屬材料，水輪機(jī)原型與模型幾何相似。

轉(zhuǎn)輪名義直徑D1420 mm

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Z016片

固定導(dǎo)葉數(shù)23

活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)24

導(dǎo)葉分布圓直徑D0487.2 mm

活動(dòng)導(dǎo)葉高度B076.68 mm

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度76.4 mm

尾水管高度(導(dǎo)葉中心到底板)1 504.48 mm

尾水管長(zhǎng)度(出口到機(jī)組中心)2 789.55 mm

尾水管出口高度971.64 mm

尾水管出口寬度752.24 mm

高壓側(cè)測(cè)壓斷面面積A10.181 m2

低壓側(cè)測(cè)壓斷面面積A20.653 m2

3水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)臺(tái)率定及誤差分析

3.1儀器儀表率定

模型驗(yàn)收試驗(yàn)前，哈電的技術(shù)人員介紹了模型試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并出示了原級(jí)測(cè)試儀器的有效檢定合格證書。

驗(yàn)收試驗(yàn)前，對(duì)水頭傳感器、力矩傳感器、尾水壓力傳感器和電磁流量計(jì)等主要測(cè)量?jī)x器儀表進(jìn)行了原位率定。驗(yàn)收試驗(yàn)后，對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行了復(fù)核標(biāo)定，率定結(jié)果滿足有關(guān)規(guī)程要求。

3.2誤差分析

根據(jù)合同要求，模型試驗(yàn)臺(tái)效率綜合最大誤差不大于0.25%。

經(jīng)對(duì)典型驗(yàn)收試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行的測(cè)試誤差計(jì)算得知，本次驗(yàn)收試驗(yàn)的效率測(cè)試綜合誤差為±0.233%，滿足合同規(guī)定的fη不大于±0.25%的要求。

4試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論

4.1能量試驗(yàn)

效率和出力試驗(yàn)在合同規(guī)定的25 m試驗(yàn)水頭和電站空化系數(shù)下進(jìn)行。

驗(yàn)收組分別對(duì)HLA998模型水輪機(jī)的最高效率點(diǎn)、額定點(diǎn)效率、合同文件要求的加權(quán)點(diǎn)效率和各水頭下出力保證值進(jìn)行了見(jiàn)證。

4.1.1模型最優(yōu)效率試驗(yàn)

4.1.2額定點(diǎn)試驗(yàn)

HLA998水輪機(jī)在額定水頭下的額定功率和額定效率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

額定點(diǎn)效率與初步試驗(yàn)結(jié)果相符，低于保證值，在根據(jù)IEC60193-1999規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)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。

表1　額定工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表

4.1.3出力試驗(yàn)

對(duì)合同文件要求的各水頭下出力保證值進(jìn)行了見(jiàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表2。

表2　不同水頭下輸出功率保證值表

出力試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)結(jié)果相符，滿足合同保證值。

4.1.4水輪機(jī)加權(quán)平均效率試驗(yàn)

對(duì)合同文件要求的各水頭下效率保證值進(jìn)行了見(jiàn)證試驗(yàn)，加權(quán)平均效率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　水輪機(jī)加權(quán)平均效率表

驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果表明其與初步試驗(yàn)相符，滿足合同規(guī)定要求。

4.2空化試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，保持試驗(yàn)水頭25 m不變，調(diào)節(jié)尾水壓力使其逐漸降低以確定臨界空化系數(shù)值和初生空化系數(shù)值，原型水輪機(jī)在對(duì)應(yīng)的水頭、尾水位和負(fù)荷條件下的空化特性由模型試驗(yàn)確定。

臨界空化系數(shù)σ1值定義為與無(wú)空化工況的效率相比下降1%的σ值。初生空化系數(shù)定義為在3個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見(jiàn)氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)。

驗(yàn)收試驗(yàn)對(duì)不同水頭下的空化保證值進(jìn)行了見(jiàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)工況點(diǎn)及結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同水頭下的空化保證值表

試驗(yàn)結(jié)果滿足合同性能值σp/σ1>1.6、σp/σi>1.1的要求。

4.3飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)是在水輪機(jī)可能的全部運(yùn)行水頭范圍和從導(dǎo)葉關(guān)閉位置到模型導(dǎo)葉可能的最大開度范圍內(nèi)進(jìn)行的、且試驗(yàn)水頭不小于10 m。

按額定開度的110%計(jì)算，原型水輪機(jī)最大飛 逸 轉(zhuǎn) 速 為240.6 r/min(A0=27 mm、n11=109.65 r/min)，小于合同規(guī)定的最大飛逸轉(zhuǎn)速255 r/min，滿足合同要求。

4.4水推力試驗(yàn)

驗(yàn)收試驗(yàn)進(jìn)行了單倍迷宮間隙下的軸向水推力(飛逸工況)試驗(yàn)。HLA998水輪機(jī)在單倍間隙能量狀態(tài)下最大軸向水推力為9 586.68 kN，滿足不大于合同保證值11 200 kN的要求。在單倍間隙飛逸工況下最大軸向水推力為726 kN。

4.5壓力脈動(dòng)和葉道渦觀察試驗(yàn)

驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，在蝸殼進(jìn)口、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前、頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠間各布置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)；錐管0.3D2+Y、0.3D2-Y方向各布置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)；肘管進(jìn)口上下游、肘管45°上下游凹凸處各布置了一個(gè)測(cè)點(diǎn)，選取了在導(dǎo)葉開度A0=12,13,14,15,16,18,20,21,22,24,26 mm、在表5中的特征水頭和空化系數(shù)條件下進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

試驗(yàn)證明，在長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的電站空化系數(shù)下，各測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值滿足合同文件保證值的要求。HLA998轉(zhuǎn)輪具有良好的穩(wěn)定性能，可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

表5　壓力脈動(dòng)驗(yàn)收試驗(yàn)工況點(diǎn)表

通過(guò)對(duì)HLA998模型水輪機(jī)的氣泡進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)葉道渦和葉片背面脫流發(fā)生在長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)運(yùn)行范圍外，在最小水頭100%P出力附近有葉片頭部出現(xiàn)正面空化渦。鑒于該工況點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行可能性很小，故可以接受。

4.6導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)力矩試驗(yàn)

在進(jìn)行水輪機(jī)工況導(dǎo)葉同步試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)水頭定為Hm=15 m，活動(dòng)導(dǎo)葉開度定為A0=10、14、18、26 mm，對(duì)每一開口進(jìn)行了原型機(jī)水頭Hr=200 m、對(duì)應(yīng)的模型轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速n11=67.7 r/min的導(dǎo)葉水力矩的測(cè)試。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的非同步導(dǎo)葉的開度位于A0=18 mm。在進(jìn)行水輪機(jī)工況導(dǎo)葉非同步試驗(yàn)時(shí)，同步導(dǎo)葉開度為A0=14 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的非同步導(dǎo)葉的開度位于A0=18 mm。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：在水輪機(jī)全部運(yùn)行范圍內(nèi)，導(dǎo)葉均具有自關(guān)閉的趨勢(shì)。

4.7補(bǔ)氣試驗(yàn)

通過(guò)模型試驗(yàn)確定自然補(bǔ)氣的必要性并(或)尋求降低尾水管壓力脈動(dòng)或使水輪機(jī)在部分負(fù)荷區(qū)平穩(wěn)運(yùn)行的其它方法與措施。

驗(yàn)收試驗(yàn)是在電站空化系數(shù)下選擇最大壓力脈動(dòng)點(diǎn)及最大水頭45%額定功率工況點(diǎn)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)試驗(yàn)。

補(bǔ)氣試驗(yàn)結(jié)果表明：中心孔補(bǔ)氣與邊壁補(bǔ)氣對(duì)水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)的影響基本相同。雖然補(bǔ)氣對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)幅值有輕微減弱的趨勢(shì)，但對(duì)減弱水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)沒(méi)有起到?jīng)Q定性作用。

4.8指數(shù)試驗(yàn)

在模型上測(cè)取蝸殼測(cè)流斷面上兩測(cè)壓孔之間的壓差，所選擇的測(cè)流斷面應(yīng)最適合于確定相對(duì)流量。

根據(jù)長(zhǎng)河壩水電站確定的測(cè)點(diǎn)布置位置處的壓差和流量的關(guān)系式為：

Q=0.198 3(△P)0.509 7

式中Q為流量(m3/s)；△P為兩測(cè)壓孔之間的差壓值(kPa)。

4.9圓筒閥試驗(yàn)

為了全面確定模型水輪機(jī)的各項(xiàng)性能，在水輪機(jī)模型試驗(yàn)中，必須包括圓筒閥模型水力特性試驗(yàn)，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化圓筒閥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，為原型水輪機(jī)圓筒閥設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

圓筒閥試驗(yàn)進(jìn)行了以下4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目：圓筒閥靜態(tài)力試驗(yàn)、圓筒閥開度對(duì)水輪機(jī)性能的影響試驗(yàn)、圓筒閥開度對(duì)水輪機(jī)流量的影響試驗(yàn)、圓筒閥開度對(duì)導(dǎo)葉水力矩的影響試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：圓筒閥除極小開度外，在絕大多數(shù)開度下都具有自關(guān)閉的趨勢(shì)。

5結(jié)論及分析

長(zhǎng)河壩水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)按合同文件要求完成了初步試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，其中模型驗(yàn)收試驗(yàn)是在模型驗(yàn)收組專家的現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證下完成的，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了以下結(jié)論：

(1)根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)原級(jí)測(cè)試設(shè)備原件的證明和率定結(jié)果得知，試驗(yàn)臺(tái)誤差滿足合同及IEC60193 規(guī)程的要求。

(2)HLA998模型水輪機(jī)最高效率為95.23%，相應(yīng)的原型機(jī)最高效率為96.7%，滿足合同文件保證值要求。

(3)HLA998模型水輪機(jī)加權(quán)平均效率為93.161%，對(duì)應(yīng)的原型機(jī)加權(quán)平均效率為94.78%，滿足合同文件保證值要求。

(4)額定工況點(diǎn)模型效率實(shí)測(cè)值為92.88%，相應(yīng)原型效率94.429%，基本滿足合同保證要求。

(5)HLA998轉(zhuǎn)輪具有良好的空化性能，滿足合同σp/σ1≥1.6、σp/σi≥1.1的要求。

(6)HLA998轉(zhuǎn)輪在最大水頭Hmax=216.2 m下最大飛逸轉(zhuǎn)速為240.6 r/min，小于合同文件保證值255 r/min，滿足合同文件要求。

(7)HLA998指數(shù)試驗(yàn)建立了蝸殼壓差和流量的關(guān)系。

(8) HLA998水輪機(jī)的最大軸向水推力為

9 586.68 kN，小于合同保證值11 200 kN。

(9)HLA998原型水輪機(jī)運(yùn)行各水頭壓力脈動(dòng)值滿足合同要求。

(10)HLA998模型水輪機(jī)的觀測(cè)結(jié)果：葉道渦初生線和背面脫流線在電站運(yùn)行范圍外，在最小水頭100%P附近有葉片頭部正面空化渦，鑒于該工況點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行可能性很小，故可以接受。

(11)HLA998圓筒閥試驗(yàn)結(jié)果表明：圓筒閥除極小開度外，在絕大多數(shù)開度下都具有自關(guān)閉的趨勢(shì)。

(12)HLA998導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)結(jié)果表明：在水輪機(jī)全部運(yùn)行范圍內(nèi)導(dǎo)葉均具有自關(guān)閉的趨勢(shì)。

(13)補(bǔ)氣試驗(yàn)結(jié)果表明:中心孔補(bǔ)氣與邊壁補(bǔ)氣對(duì)水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)的影響基本相同，雖然補(bǔ)氣對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)幅值有輕微減弱的趨勢(shì)，但對(duì)減弱水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)沒(méi)有起到?jīng)Q定性作用。

從模型驗(yàn)收試驗(yàn)的成果可以看出：HLA998水輪機(jī)是一個(gè)綜合性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪，完全滿足技術(shù)協(xié)議的要求。我們有信心期待此轉(zhuǎn)輪在長(zhǎng)河壩水電站長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和影響！

施彬(1968-)，女，福建古田人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作；

孫文彬(1969-)，男，江西泰和人，副處長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0054-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV222