陳善貴，李 兵，周 葉，曹登峰

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城 245300；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)，靠近皖江城市帶，鄰近江蘇省，距合肥、南京、上海直線距離分別為240 km、210 km、280 km。電站安裝6 臺(tái)單機(jī)容量300 MW 的立軸單級混流式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘? 800 MW，年平均發(fā)電量30.15 億kW·h，年抽水用電量40.2 億kW·h。電站以500 kV 電壓等級出線接入華東電網(wǎng)，主要承擔(dān)調(diào)峰、填谷，調(diào)頻、調(diào)相、黑啟動(dòng)和事故備用等任務(wù)[1]?？兿娬臼侵袊樗钅軝C(jī)組國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)制造首次向600 m 高水頭段、高轉(zhuǎn)速方向發(fā)起挑戰(zhàn)的依托項(xiàng)目，建設(shè)、設(shè)計(jì)、研發(fā)制造、試驗(yàn)等多個(gè)單位參與了該型機(jī)組國產(chǎn)化的工作[2]。

2020 年12 月20 日，績溪電站最后一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著中國首次完全自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的超高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量可逆混流式抽水蓄能機(jī)組順利投產(chǎn)[3]?？兿娬緳C(jī)組是我國自主研發(fā)的長短葉片技術(shù)首次在抽蓄機(jī)組中應(yīng)用，其運(yùn)行性能受到多方關(guān)注[4]。機(jī)組由東方電機(jī)有限公司研發(fā)制造，其主要參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

表2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2 試驗(yàn)概述

根據(jù)合同規(guī)定，需對績溪電站機(jī)組開展性能驗(yàn)收試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與合同保證值進(jìn)行比較，檢驗(yàn)其是否滿足要求。合同規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目如表3 所示。

表3 性能驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

對水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 20043 的規(guī)定，指數(shù)法（相對效率法）不能用于任何涉及合同保證值內(nèi)容的考核；而對于水頭在100 m 以上的水輪機(jī)，適用熱力學(xué)法開展效率試驗(yàn)[5]。熱力學(xué)法在國內(nèi)水輪機(jī)效率試驗(yàn)中應(yīng)用較少，僅在廣州、天荒坪、張河灣等抽水蓄能電站進(jìn)行過實(shí)踐，但均以國外水輪機(jī)制造商為主體，缺少自主研究和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)[6-8]?？兿娬緳C(jī)組性能驗(yàn)收試驗(yàn)采用熱力學(xué)法開展水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)，為熱力學(xué)法在國內(nèi)首次自主實(shí)施。

對發(fā)電電動(dòng)機(jī)損耗及效率試驗(yàn)，績溪電站機(jī)組推力軸承設(shè)計(jì)首創(chuàng)開發(fā)了全新的低損耗熱邊界層隔離重載滑動(dòng)軸承，相較于傳統(tǒng)的推力軸承，該技術(shù)將原油箱內(nèi)較高的油位降低至鏡板工作面附近甚至以下運(yùn)行，通過供油環(huán)管向瓦間鏡板面噴油，從根源上減少了油霧的產(chǎn)生，可顯著降低軸承損耗[2]。因此，投運(yùn)后的推力軸承實(shí)測損耗值得特別關(guān)注。此外，在確定電機(jī)效率時(shí)，勵(lì)磁損耗常采用設(shè)計(jì)值，其與實(shí)際值往往存在明顯偏差，本次性能驗(yàn)收試驗(yàn)利用勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入和輸出功率差評定勵(lì)磁損耗。

隨著國產(chǎn)抽水蓄能機(jī)組的持續(xù)投運(yùn)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性問題日益嚴(yán)峻，國內(nèi)已發(fā)生多起水泵水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性導(dǎo)致的運(yùn)行安全問題，引發(fā)普遍關(guān)注[3]。隨著抽水蓄能機(jī)組向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量的方向發(fā)展，對機(jī)組的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)提出了更高的要求。為準(zhǔn)確評定績溪電站機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，本次性能驗(yàn)收試驗(yàn)采用位移和速度2 種低頻振動(dòng)傳感器測量機(jī)組振動(dòng)，壓力脈動(dòng)傳感器采用流道齊平的方式安裝。

本次性能驗(yàn)收試驗(yàn)由中國水利水電科學(xué)研究院下屬北京中水科水電科技開發(fā)有限公司實(shí)施，為國內(nèi)抽水蓄能電站首次由中立第三方單位開展機(jī)組的全部性能驗(yàn)收試驗(yàn)。受篇幅所限，本文僅對水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率試驗(yàn)、機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)（振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)測量）作分析，其余試驗(yàn)項(xiàng)目不一一論述。

3 水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)

3.1 熱力學(xué)法

根據(jù)熱力學(xué)第一定律（能量守恒原理），水泵水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，水流對轉(zhuǎn)輪做功，由于水流與轉(zhuǎn)輪間存在一些摩擦、漩渦、脫流等現(xiàn)象，產(chǎn)生能量損失，這些損失將轉(zhuǎn)化為熱能，使水流在水泵水輪機(jī)高低壓側(cè)斷面間產(chǎn)生一個(gè)溫差，通過測量這個(gè)溫差實(shí)現(xiàn)對水泵水輪機(jī)效率的測定方法即熱力學(xué)法[9]。具體而言，熱力學(xué)法是通過對水泵水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換中單位能量的測定來確定流量和效率，無需直接測量流量。熱力學(xué)法測量水泵水輪機(jī)的原理如圖1 所示。

圖1 熱力學(xué)法測定水泵水輪機(jī)效率原理圖

水流在流入轉(zhuǎn)輪前的單位水體的能量稱為單位水能：

式中：

ρ—水的密度，kg·m-3

g—重力加速度，m·s-2

Eh—水泵水輪機(jī)單位能，J·kg-1

p10，p20—高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20 的相對壓力，kPa

v10，v20—高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20 的水體流速，m·s-1

z10，z20—水輪機(jī)高壓側(cè)斷面10、低壓側(cè)斷面20的中心高程，m

轉(zhuǎn)輪獲得的單位水體的能量稱為單位機(jī)械能，由能量轉(zhuǎn)換前后的壓力、溫度、高程、流速等參數(shù)決定。實(shí)際測試中，由于在水泵水輪機(jī)高壓側(cè)流道中進(jìn)行直接測量存在一定困難，通常采用絕熱導(dǎo)管將流道中的水樣引入容器進(jìn)行測量，即圖1 中的斷面11，此時(shí)按式（2）進(jìn)行計(jì)算單位機(jī)械能。

式中：

a—水的等溫系數(shù)，10-3·m3·kg-1

Cp—水的比熱，J·kg-1·K-1

pabs11，pabs20—高壓側(cè)測量斷面11、低壓側(cè)斷面20 的絕對壓力，kPa

θ11，θ20—高壓側(cè)斷面11、低壓側(cè)斷面20 的水體溫度，K

v11，v20—水輪機(jī)高壓側(cè)斷面11、低壓側(cè)斷面20的水體流速，m·s-1

z11，z20—高壓側(cè)測量斷面11、低壓側(cè)斷面20 的中心高程，m

δEm—由于溫度波動(dòng)、外部熱交換等產(chǎn)生的單位機(jī)械能的修正項(xiàng)，J·kg-1

最終，水泵水輪機(jī)的水力效率ηh由單位機(jī)械能和單位水能計(jì)算得出：

3.2 設(shè)備安裝

在高壓側(cè)測量時(shí)，需將蝸殼內(nèi)的水流引入測量容器中測量。根據(jù)GB/T 20043 的規(guī)定，熱力學(xué)法測水泵效率需至少設(shè)置2 個(gè)采樣點(diǎn)，而壓力鋼管未預(yù)留相應(yīng)的安裝接口。考慮到臨時(shí)開孔的安全風(fēng)險(xiǎn)，在蝸殼排水管的起始位置，焊接一尺寸匹配的法蘭，安裝取水探針，探針末端通過高壓軟管引至混凝土墻壁外側(cè)，在蝸殼排水管上打孔引出。采樣探針取水口正對來流方向，與水流方向平行。測量容器尾端安裝有高精度溫度傳感器，側(cè)面安裝有壓力傳感器和電磁流量計(jì)，分別用來測量高壓側(cè)溫度、高壓側(cè)容器內(nèi)壓力和采樣容器流量，通過調(diào)節(jié)電磁流量計(jì)后端的膨脹閥來調(diào)節(jié)流經(jīng)容器的流量，從而調(diào)節(jié)高壓側(cè)容器內(nèi)的溫度。高壓側(cè)取水和測量設(shè)備如圖2 所示。

圖2 高壓側(cè)取水測量示意圖

對于低壓側(cè)單位水能則采用直接法進(jìn)行測量。試驗(yàn)前，將測量支架布置在水泵水輪機(jī)低壓測量斷面，采用4 根鋼管、兩端開口和均布的方式來采集水樣，測量4 個(gè)引水位置的混合平均溫度。低壓側(cè)測量支架通過焊接固定在尾水管內(nèi)，信號(hào)線纜通過預(yù)埋的管路延伸至廠房試驗(yàn)采集臺(tái)，如圖3 所示。

圖3 低壓側(cè)直接測量示意圖

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)合同規(guī)定，在發(fā)電工況下，須對9 個(gè)加權(quán)水頭的水輪機(jī)效率進(jìn)行考核；在抽水工況下，須對8 個(gè)加權(quán)揚(yáng)程的水泵效率進(jìn)行考核。在有限的試驗(yàn)時(shí)間里，在所有加權(quán)水頭（揚(yáng)程）下各開展一次水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的。而按照GB/T 20043 的規(guī)定，各加權(quán)水頭（揚(yáng)程）對應(yīng)的允許波動(dòng)范圍如表4所示。

如表4 所示，在600.4 m～600.5 m 的范圍內(nèi)開展水輪機(jī)效率試驗(yàn)，可涵蓋水輪機(jī)加權(quán)效率對應(yīng)的全部水頭；在613.6 m～622.8 m 的范圍內(nèi)開展水泵效率試驗(yàn)，可涵蓋水泵加權(quán)效率對應(yīng)的全部水頭。故在以上水頭（揚(yáng)程）范圍內(nèi)，可計(jì)算出所有加權(quán)水頭（揚(yáng)程）下的水泵水輪機(jī)效率，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。最終，額定水頭600 m 下的水泵水輪機(jī)實(shí)測效率與模型試驗(yàn)換算結(jié)果的對比如圖4 所示。

表4 各加權(quán)水頭（揚(yáng)程）允許波動(dòng)范圍一覽表

如圖4 所示，在200 MW 以上負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)，水泵水輪機(jī)原型實(shí)測效率明顯優(yōu)于模型試驗(yàn)換算預(yù)測的結(jié)果。試驗(yàn)當(dāng)時(shí)，同步采集了水泵水輪機(jī)蝸殼壓差數(shù)據(jù)，利用熱力學(xué)法計(jì)算出的過機(jī)流量，標(biāo)定了水泵水輪機(jī)蝸殼壓差測流系數(shù)，如圖5 所示。

圖4 額定水頭600 m 下的水泵水輪機(jī)實(shí)測效率曲線

圖5 蝸殼壓差測流系數(shù)標(biāo)定結(jié)果

4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率試驗(yàn)

4.1 量熱法

采用量熱法測定發(fā)電電動(dòng)機(jī)的損耗及效率，其基本原理為：在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗，最終都將變成熱量，傳遞給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度上升，因此可通過測量電機(jī)所產(chǎn)生的熱量來推算電機(jī)的損耗，從而計(jì)算電機(jī)的效率[10]。量熱法實(shí)施時(shí)，須劃定一個(gè)參考基準(zhǔn)面，如圖6 所示。

圖6 量熱法中電機(jī)各項(xiàng)損耗示意圖

圖6 中電機(jī)的各項(xiàng)損耗依次為：

（1）集電環(huán)裝置的損耗；

（2）上導(dǎo)軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（3）電機(jī)上蓋板外表面向廠房散出的損耗；

（4）電機(jī)下蓋板外表面向水輪機(jī)頂蓋散出的損耗；

（5）空氣冷卻器冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（6）電機(jī)外圍墻散出的損耗；

（7）應(yīng)計(jì)入發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)損耗；

（8）下導(dǎo)軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

（9）推力軸承冷卻介質(zhì)帶走的損耗。

參數(shù)測量時(shí)，冷卻介質(zhì)流量須采用經(jīng)過檢定的流量計(jì)進(jìn)行測量，根據(jù)IEC 60034-2-2 規(guī)程要求，流量計(jì)要求安裝于較長的直管段，以保證水流平順和測量準(zhǔn)確性。理想的直管段為流量計(jì)上游側(cè)具備10D、下游側(cè)具備5D距離；而通常流量計(jì)制造商的安裝要求為上游側(cè)至少5D、下游側(cè)至少3D距離；故冷卻介質(zhì)流量的測量至少應(yīng)滿足前5D后3D的安裝要求（D為管路內(nèi)徑）。

為了增加冷卻管路的進(jìn)出口溫差，通過調(diào)節(jié)排水管閥門開度，來減小冷卻水流量。為避免閥門對水流測量的影響，在冷卻管路改造中移除原有閥門。同時(shí)，試驗(yàn)過程中監(jiān)視冷卻管路壓力儀表數(shù)據(jù)，以保證調(diào)小流量后，冷卻管路的水壓不會(huì)超過技術(shù)供水泵的壓力要求。

4.2 勵(lì)磁損耗

在測定電機(jī)效率時(shí)，勵(lì)磁損耗由于數(shù)值較小，常受到忽視。發(fā)電電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，勵(lì)磁損耗常按照轉(zhuǎn)子銅損的一定比例取值，但發(fā)電電動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)通常由不同制造商供貨，而勵(lì)磁系統(tǒng)的實(shí)際損耗同機(jī)組安裝、勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)直接相關(guān)，不可避免地同設(shè)計(jì)值存在一定偏差。本次試驗(yàn)中，采用勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入和輸出功率差評定勵(lì)磁損耗，如式（5）所示。

式中：

Pe—?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)損耗，kW

Peh—?jiǎng)?lì)磁變高壓側(cè)輸入功率，kW

Pel—?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)輸出功率，kW

If—轉(zhuǎn)子電流，A

Uf—轉(zhuǎn)子電壓，V

4.3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)后，實(shí)測勵(lì)磁系統(tǒng)輸入與輸出功率同勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 不同勵(lì)磁電流下勵(lì)磁損耗的確定

最終，發(fā)電電動(dòng)機(jī)在額定工況下實(shí)測各項(xiàng)損耗同設(shè)計(jì)損耗的對比如表5 所示。

表5 發(fā)電電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)損耗實(shí)測值同設(shè)計(jì)值對比一覽表

如表5 所示，在發(fā)電機(jī)額定工況下，勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)測損耗值顯著高于設(shè)計(jì)值，達(dá)到了設(shè)計(jì)值的160%；推力軸承實(shí)測損耗值則明顯低于初期設(shè)計(jì)值，在電動(dòng)機(jī)額定工況下，只有設(shè)計(jì)值的52.3%。表明績溪電站首創(chuàng)的低損耗熱邊界層隔離重載滑動(dòng)軸承，相較于傳統(tǒng)的推力軸承，顯著降低了軸承損耗，提高了發(fā)電電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

5 機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)

5.1 設(shè)備安裝

機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)內(nèi)容包括振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)的測量。為保證壓力脈動(dòng)測量的準(zhǔn)確性，壓力脈動(dòng)傳感器測頭與流道內(nèi)壁齊平安裝，其中蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)傳感器安裝于主閥后伸縮節(jié)外壁，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間壓力脈動(dòng)傳感器安裝于頂蓋上表面，尾水進(jìn)口壓力脈動(dòng)傳感器安裝于尾水進(jìn)人門外側(cè)混凝土表面，如圖8 所示。

圖8 壓力脈動(dòng)傳感器的安裝

對機(jī)組振動(dòng)，考慮到位移輸出型的低頻振動(dòng)傳感器易受1 Hz 以下的水力激振成分?jǐn)_動(dòng)，故同時(shí)安裝低頻位移和低頻速度兩種振動(dòng)傳感器測量頂蓋振動(dòng)。

圖10 頂蓋振動(dòng)隨有功的變化趨勢曲線

5.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)水頭630 m、發(fā)電工況下，機(jī)組擺度、頂蓋振動(dòng)、壓力脈動(dòng)隨機(jī)組有功的變化趨勢曲線如圖9～圖11 所示。

圖9 機(jī)組擺度隨有功的變化趨勢曲線

圖11 壓力脈動(dòng)隨有功的變化趨勢曲線

從圖9～圖11 可以看出，當(dāng)前試驗(yàn)水頭下，機(jī)組擺度大致隨機(jī)組有功的增大而逐漸減小，在150 MW以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組擺度均小于140 μm；頂蓋振動(dòng)隨機(jī)組有功的增大而顯著減小，且振動(dòng)位移和振動(dòng)速度變化趨勢基本一致，在150 MW 以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，頂蓋振動(dòng)位移均小于30 μm，頂蓋振動(dòng)速度均小于0.8 mm/s；壓力脈動(dòng)大致隨機(jī)組有功的增大而逐漸減小，在150 MW 以上負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，壓力脈動(dòng)相對值低于8%，在150 MW～200 MW 負(fù)荷區(qū)間轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間壓力脈動(dòng)有小幅上升。

6 結(jié)論

本文對績溪抽水蓄能電站機(jī)組性能驗(yàn)收試驗(yàn)的實(shí)施情況做了介紹，重點(diǎn)闡述并分析了水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)、發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率試驗(yàn)、機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）作為國產(chǎn)長短葉片在抽蓄機(jī)組上的首例應(yīng)用，績溪電站水泵水輪機(jī)實(shí)測效率優(yōu)于模型試驗(yàn)換算和預(yù)測的結(jié)果，而熱力學(xué)法是開展水泵水輪機(jī)效率試驗(yàn)的有效方法，值得行業(yè)內(nèi)借鑒；

（2）績溪電站機(jī)組首創(chuàng)開發(fā)的低損耗熱邊界層隔離重載滑動(dòng)軸承，可顯著減低推力軸承損耗，降低了發(fā)電電動(dòng)機(jī)的能量損失，提高了電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率，值得行業(yè)內(nèi)推廣；

（3）試驗(yàn)水頭下，績溪電站機(jī)組在150 MW 以上負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)，機(jī)組擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)指標(biāo)優(yōu)異，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足當(dāng)前電站運(yùn)行調(diào)度的需要。