熊 妍

（華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建省寧德市 352100）

0 引言

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣，靠近福建沿海500kV主網(wǎng)，位于閩東沿海北部新興能源基地和福建省網(wǎng)與華東區(qū)域電網(wǎng)連接處，距福州、寧德、南平三市的直線距離分別為110km、50km、120km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站內(nèi)安裝有4臺(tái)單機(jī)容量300MW的立軸、單級(jí)、混流、可逆式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1200MW，年平均發(fā)電量12×109 kW·h，年抽水耗電量16×109 kW·h。電站的主要任務(wù)是發(fā)電，承擔(dān)福建電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及備用等，必要時(shí)為華東電網(wǎng)提供支持，承擔(dān)緊急事故備用等。

福建周寧抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位716m，死水位691m；下水庫正常蓄水位299m，死水位262m。最大毛水頭/揚(yáng)程454m，最小毛水頭/揚(yáng)程392m。機(jī)組發(fā)電工況正常頻率變化范圍49.5～50.2Hz，電動(dòng)工況正常頻率變化范圍49.8～50.5Hz。機(jī)組電動(dòng)工況啟動(dòng)以SFC啟動(dòng)為主，以BTB啟動(dòng)為備用。

1 模型試驗(yàn)概述

福建周寧抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)于2018年12月6日～12月8日在哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司水力機(jī)械試驗(yàn)6臺(tái)進(jìn)行，模型復(fù)核試驗(yàn)于2019年1月18日～1月22日在中國水利水電科學(xué)研究院水力試驗(yàn)室TP1試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容主要有：能量試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、全特性試驗(yàn)等[1]。

模型驗(yàn)收及模型復(fù)核試驗(yàn)均以《福建周寧抽水蓄能電站機(jī)組設(shè)備采購合同》、IEC 60193—1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》、IEC 60609-1—2004《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)的空蝕損壞評(píng)定 第1部：反擊式水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)的評(píng)定》、GB/T 15613—2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為依據(jù)[2-4]。

模型水泵水輪機(jī)與原型水泵水輪機(jī)自蝸殼進(jìn)口到尾水管出口幾何相似，即整個(gè)流道幾何相似[5]。原型、模型水泵水輪機(jī)的比尺系數(shù)（D2p/D2m）為9.24，原型、模型水泵水輪機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 原型、模型水泵水輪機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of prototype and model pump turbine

續(xù)表

2 模型試驗(yàn)主要結(jié)果與分析

在每次模型試驗(yàn)開始前，均對(duì)用于測量壓力、水頭、流量、力矩等關(guān)鍵參數(shù)的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場原位標(biāo)定，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的原級(jí)檢驗(yàn)證書進(jìn)行檢查[6]。標(biāo)定結(jié)果表明，傳感器的測量精度符合合同規(guī)定。經(jīng)過分析與計(jì)算：模型驗(yàn)收試驗(yàn)臺(tái)的綜合誤差為±0.155%，模型復(fù)核試驗(yàn)臺(tái)的綜合誤差為±0.1093%，都符合合同規(guī)定的不大于±0.25%的要求。

2.1 能量試驗(yàn)

2.1.1 水輪機(jī)工況能量試驗(yàn)

水輪機(jī)工況能量試驗(yàn)主要進(jìn)行了效率試驗(yàn)。水輪機(jī)工況效率試驗(yàn)包括最優(yōu)點(diǎn)效率試驗(yàn)和加權(quán)平均效率試驗(yàn)，都是在不發(fā)生空化的條件下進(jìn)行的，模型試驗(yàn)水頭為55m。將測量得到的模型效率按照IEC 60193—1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》規(guī)定的兩步法，即可換算到原型效率[7]。取10次測量的效率平均值作為模型最優(yōu)效率，水輪機(jī)工況效率試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示。從表2中可看出，水輪機(jī)工況效率復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，水輪機(jī)工況模型加權(quán)平均效率、原型加權(quán)平均效率均符合合同規(guī)定。

表2 水輪機(jī)工況效率試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of efficiency test for hydraulic turbine condition

續(xù)表

2.1.2 水泵工況能量試驗(yàn)

水泵工況能量試驗(yàn)包括效率試驗(yàn)、流量試驗(yàn)、最大入力試驗(yàn)和駝峰試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

水泵工況效率試驗(yàn)包括最優(yōu)效率試驗(yàn)和加權(quán)平均效率試驗(yàn)。從表3中可看出，水泵工況效率復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，水泵工況模型最優(yōu)效率、原型最優(yōu)效率、模型加權(quán)平均效率和原型加權(quán)平均效率均符合合同規(guī)定。

水泵工況流量試驗(yàn)進(jìn)行了水泵協(xié)聯(lián)工況揚(yáng)程—流量特性曲線試驗(yàn)，得到了最小毛揚(yáng)程392m和最大毛揚(yáng)程454m下所對(duì)應(yīng)的水泵最大流量和最小流量值，并由此計(jì)算出了水泵平均流量。從表3中可看出，水泵工況流量復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，水泵工況最小流量、最大流量和平均流量均符合合同規(guī)定。

水泵工況最大入力試驗(yàn)是在導(dǎo)葉開度25°、頻率50.5Hz的工況下進(jìn)行的，所得到的原型最大入力考慮了可能的原模型比尺換算偏差[8]。從表3中可看出，水泵工況最大入力復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，水泵工況原型最大入力符合合同規(guī)定。

水泵工況駝峰試驗(yàn)是在導(dǎo)葉開度16°、頻率49.8Hz的工況下進(jìn)行的。從表3中可看出，水泵工況駝峰復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收驗(yàn)收結(jié)果相同，在頻率為49.8Hz時(shí)，駝峰裕度為2.91%，符合合同不低于2.50%的規(guī)定。

表3 水泵工況能量試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of energy test for pump condition

續(xù)表

2.2 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

2.2.1 水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)是在原型水頭410m、452m以及電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行的，測點(diǎn)分布在尾水管、無葉區(qū)、頂蓋以及蝸殼進(jìn)口，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中可看出，水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，各測點(diǎn)處的最大壓力脈動(dòng)值均符合合同規(guī)定。

表4 水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of pressure pulsation test for hydraulic turbine condition

續(xù)表

2.2.2 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)范圍涵蓋水泵的全部運(yùn)行工況，在裝置空化系數(shù)下進(jìn)行，測點(diǎn)位置與上述水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)測點(diǎn)位置相同，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5中可看出，水泵工況壓力脈動(dòng)復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在水泵工況正常運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，各測點(diǎn)處最大壓力脈動(dòng)值均符合合同規(guī)定，沒有異常壓力脈動(dòng)出現(xiàn)。

表5 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of pressure pulsation test for pump condition

2.3 空化試驗(yàn)

2.3.1 水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)

水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)僅在模型驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行，重點(diǎn)針對(duì)水輪機(jī)額定工況點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6中可看出，在水輪機(jī)額定水頭額定工況點(diǎn)，電站裝置空化系數(shù)σp均大于初生空化系數(shù)σi和臨界空化系數(shù)σ0.5，安全裕量較大，符合合同規(guī)定。

表6 水輪機(jī)工況空化動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of cavitation test for hydraulic turbine condition

2.3.2 水泵工況空化試驗(yàn)

水泵工況空化試驗(yàn)是在最大毛揚(yáng)程454m、最小毛揚(yáng)程392m共2個(gè)工況進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。從表7中可看出，水泵工況空化復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果基本一致，裝置空化系數(shù)σp均大于初生空化系數(shù)σi和臨界空化系數(shù)σ0.5，符合合同規(guī)定。

表7 水泵工況空化動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of cavitation test for pump condition

圖1 水泵水輪機(jī)全特性試驗(yàn)結(jié)果（n11～Q11特性曲線）Figure 1 Results of full characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and Q11)

2.4 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)在100%額定開度下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表8中可看出，飛逸轉(zhuǎn)速復(fù)核試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果相等，在100%額定開度下，相應(yīng)的原型飛逸轉(zhuǎn)速為571.9r/min，符合合同不大于600r/min的規(guī)定。

表8 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of runaway speed test

圖2 水泵水輪機(jī)S特性試驗(yàn)結(jié)果（n11～T11特性曲線）Figure 2 Results of “S” characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and T11)

2.5 全特性試驗(yàn)

模型驗(yàn)收試驗(yàn)和模型復(fù)核試驗(yàn)均在臨界導(dǎo)葉開度14°時(shí)進(jìn)行了完整的全特性試驗(yàn)。除此之外，模型驗(yàn)收試驗(yàn)在導(dǎo)葉開度為6°和8°下進(jìn)行了S特性試驗(yàn)，模型復(fù)核試驗(yàn)在導(dǎo)葉開度6°、8°和11°下進(jìn)行了S特性試驗(yàn)。水泵水輪機(jī)全特性試驗(yàn)結(jié)果詳見圖1，S特性試驗(yàn)結(jié)果詳見圖2。從圖1和圖2中可看出，模型驗(yàn)收試驗(yàn)與模型復(fù)核試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。水輪機(jī)工況S區(qū)穩(wěn)定并網(wǎng)的最低水頭試驗(yàn)值為303.83m；考慮電網(wǎng)正常的頻率變化，水輪機(jī)正常運(yùn)行的最低凈水頭為381.94m，相應(yīng)水輪機(jī)工況S區(qū)穩(wěn)定并網(wǎng)水頭裕量高達(dá)78.11m，符合合同大于42m的規(guī)定。

3 結(jié)論

福建周寧抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果說明：水泵水輪機(jī)的效率、流量、壓力脈動(dòng)等各參數(shù)均符合采購合同的規(guī)定，符合電站安全運(yùn)行的要求；水泵水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)比較先進(jìn)，S特性良好，安全裕量高達(dá)78.11m，可實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)開機(jī)與并網(wǎng)。以模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可計(jì)算出原型性能，為原型的設(shè)計(jì)及制造、安裝及運(yùn)行提供了可靠的依據(jù)。