熊從峰，潘軍偉，雷家旺，胡旺興

（河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 光山 213334）

1 概況

2021 年12 月，河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型在東方電機(jī)DF-150 水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了最終驗(yàn)收試驗(yàn)。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[1-3]。

模型驗(yàn)收及模型復(fù)核試驗(yàn)均以《河南新華五岳抽水蓄能電站機(jī)組及其附屬設(shè)備采購合同》及水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范為依據(jù)。

模型水泵水輪機(jī)包括轉(zhuǎn)輪、蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、尾水管等，流道與原型水輪機(jī)幾何相似。原型水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊Φ4.419 m，出水邊Φ2.945 m；模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊Φ0.450 157 m，出水邊Φ0.300 m；原模型尺寸比為9.816 667。活動(dòng)導(dǎo)葉20 個(gè)，轉(zhuǎn)輪葉片9 個(gè)。

2 模型試驗(yàn)臺(tái)

DF-150 水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行水輪機(jī)、水泵、水泵水輪機(jī)等反擊式水力機(jī)械的水力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)除進(jìn)行水輪機(jī)、水泵、水泵水輪機(jī)等的常規(guī)水力性能試驗(yàn)外，還可以進(jìn)行導(dǎo)葉（槳葉）水力矩、軸向水推力、補(bǔ)氣、蝸殼壓差、流場測試、流態(tài)觀測、四象限特性等試驗(yàn)以及其它用戶要求的特殊試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)的模型尺寸、試驗(yàn)水頭、雷諾數(shù)等試驗(yàn)參數(shù)均滿足IEC 有關(guān)規(guī)程的規(guī)定。最高試驗(yàn)水頭150 m；最大流量1.50 m3/s；測功電機(jī)功率500 kW；測功電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min；模型轉(zhuǎn)輪直徑范圍250～500 mm；綜合效率測試精度為±0.25%。

3 主要試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水輪機(jī)工況能量試驗(yàn)

模型驗(yàn)收試驗(yàn)水頭為40 m，最優(yōu)工況模型雷諾數(shù)為ReUmopt=4.730 7×106(Tw=18.75℃）。按恒水頭40 m 變轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）水輪機(jī)最優(yōu)效率點(diǎn)

水輪機(jī)最優(yōu)效率在無空化條件下試驗(yàn)，對最優(yōu)效率點(diǎn)測量10 次，取其平均值，模型效率為92.73%，換算到原型機(jī)效率為94.62%。水輪機(jī)最優(yōu)效率見表1。

表1 水輪機(jī)最優(yōu)效率

試驗(yàn)結(jié)果表明換算到原型的水輪機(jī)最優(yōu)效率滿足合同要求。

（2）水輪機(jī)加權(quán)平均效率

加權(quán)平均效率試驗(yàn)在電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行，對Hp=269.62 m、260 m、250 m、241 m、230 m、220 m、214.66 m 下的水輪機(jī)加權(quán)平均效率因子工況點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)核，水輪機(jī)加權(quán)平均效率結(jié)果見表2。

表2 水輪機(jī)加權(quán)平均效率

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，模型水輪機(jī)加權(quán)平均效率 89.93%，預(yù)期的原型水輪機(jī)加權(quán)平均效率為91.81%，滿足合同要求。

3.2 水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)

試驗(yàn)水頭40 m，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。臨界空化系數(shù)σc值采用σ0.5，σ0.5 指與無空化工況效率相比，效率降低0.5%時(shí)的空化系數(shù)。初生空化系數(shù)σi定義為在2 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)所對應(yīng)的空化系數(shù)。對試驗(yàn)用水進(jìn)行30 min的抽氣運(yùn)行后開始空化試驗(yàn)。利用閃頻儀對所有空化現(xiàn)象包括氣泡、旋渦的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行觀測拍照[4]。

驗(yàn)收試驗(yàn)對額定工況做了空化復(fù)核驗(yàn)收，驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，滿足合同對無空化運(yùn)行的要求。

3.3 水輪機(jī)工況飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

在試驗(yàn)水頭10 m，導(dǎo)葉開度為3°、18°、28.8°（額定開度）、32°，高空化系數(shù)條件下進(jìn)行飛逸轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)，調(diào)節(jié)測功電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水輪機(jī)輸出力矩近似為0（絕對值小于1.0 N.m），測量模型水輪機(jī)的單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R[5]。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速

驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速滿足合同保證值要求。

3.4 水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

在試驗(yàn)水頭40 m，電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)，空化系數(shù)參考面以導(dǎo)葉中心線為準(zhǔn)。測試系統(tǒng)完成各通道信號(hào)的同步采樣，記錄時(shí)域上的模擬信號(hào)波形，調(diào)用FFT 分析處理模塊對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，確定主要分頻幅值及其對應(yīng)的頻率[6]。壓力脈動(dòng)試驗(yàn)采樣速率為2 000 Hz，采樣時(shí)間16 s，混頻峰峰值采用97%置信度，水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，水輪機(jī)壓力脈動(dòng)驗(yàn)收結(jié)果滿足合同要求。

3.5 水輪機(jī)工況異常低水頭試驗(yàn)

上庫進(jìn)水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛水頭為200.816 m，驗(yàn)收試驗(yàn)在推薦導(dǎo)葉角度20°下進(jìn)行。

異常低水頭能量與空化、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6、表7。

表5 異常低水頭能量試驗(yàn)

表6 異常低水頭臨界空化系數(shù)試驗(yàn)和初生空化系數(shù)試驗(yàn)

表7 異常低水頭壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

初生空化試驗(yàn)表明，在電站空化系數(shù)（σp=0.462 7）下未觀察到葉片上出現(xiàn)任何氣泡，即在該工況下水輪機(jī)可以無空化運(yùn)行。

水泵水輪機(jī)允許運(yùn)行至異常低毛水頭200.816 m（上庫進(jìn)水口最低水位），推薦的運(yùn)行開度為20.0°。

3.6 水泵工況能量性能試驗(yàn)

水泵性能試驗(yàn)按恒轉(zhuǎn)速1 000 r/min 進(jìn)行，在無空化條件下試驗(yàn)。根據(jù)空化試驗(yàn)結(jié)果，無空化條件與電站空化系數(shù)條件下的試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)開度范圍α=12°～34°，開度間隔2°，流量系數(shù)范圍0.10～0.40，覆蓋完整的水泵運(yùn)行范圍。所有開度的試驗(yàn)完成后求出水泵的協(xié)聯(lián)運(yùn)行曲線。

水泵模型效率值為按二步法換算到模型雷諾數(shù)ReuM*＝7.0×106下的效率值。

（1）水泵工況最優(yōu)效率

對最優(yōu)效率點(diǎn)測量10 次，取其平均值，模型最優(yōu)效率為92.17%，換算到原型機(jī)最優(yōu)效率為93.91%。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 水泵工況最優(yōu)效率

驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，水泵最優(yōu)效率滿足合同保證值要求。

（2）水泵加權(quán)平均效率

對合同要求的水泵所有加權(quán)平均因子工況點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)核，加權(quán)平均效率計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 水泵加權(quán)平均效率

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，模型水泵加權(quán)平均效率 91.94%，預(yù)期的原型水泵加權(quán)平均效率為93.69%，滿足合同要求。

（3）水泵工況最大入力

水泵工況最大入力在最小毛揚(yáng)程222.32 m、對應(yīng)的頻率分別為50.5 Hz 和50.0 Hz、電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，在頻率為50 Hz 時(shí)包括原模型換算誤差在內(nèi)的水泵工況最大輸入功率為252.97 MW，在電網(wǎng)正常頻率變化范圍內(nèi)、包括原模型換算誤差在內(nèi)的原型水泵工況最大輸入功率為262.2 MW，對應(yīng)的頻率為50.5 Hz。

水泵工況最大入力滿足合同不大于267 MW 的要求。

（4）水泵流量特性

在50.0 Hz 頻率條件下，對最大、最小毛揚(yáng)程下進(jìn)行平均流量試驗(yàn)，試驗(yàn)在電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行，結(jié)果見表10。

表10 水泵流量特性

試驗(yàn)結(jié)果表明，水泵流量特性滿足合同水泵平均流量不小于89.3 m3/s 的要求。

（5）駝峰區(qū)裕度

在水泵最大揚(yáng)程對應(yīng)的導(dǎo)葉開度16°下進(jìn)行水泵駝峰裕度試驗(yàn)，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算水泵最大揚(yáng)程時(shí)的駝峰裕度，結(jié)果見表11。

表11 水泵駝峰區(qū)裕度

驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，駝峰區(qū)裕度滿足合同保證值要求。

3.7 水泵工況空化試驗(yàn)

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速恒定為1 000 r/min，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。臨界空化系數(shù)σc值采用σ0.5。對試驗(yàn)用水進(jìn)行30 min 的抽氣運(yùn)行后開始空化試驗(yàn)。在小于最優(yōu)流量的運(yùn)行區(qū)域，初生空化系數(shù)σi定義為在2 個(gè)及以上轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時(shí)所對應(yīng)的空化系數(shù)。利用閃頻儀對所有空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行觀測拍照。

在正常頻率變化范圍內(nèi)，空化性能驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 水泵工況空化性能試驗(yàn)

驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，水泵工況空化性能滿足合同保證無空化運(yùn)行的要求。

3.8 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，在電站空化系數(shù)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，空化系數(shù)參考面以導(dǎo)葉中心線為準(zhǔn)。水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表13。

表13 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：尾水管錐管進(jìn)口壓力脈動(dòng)幅值不大于0.9%，滿足合同保證值不大于1.0%的要求，無優(yōu)勢頻率成分。導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間正常運(yùn)行工況壓力脈動(dòng)幅值不大于2.5%，滿足合同保證值不大于2.5%的要求，頻率為9 倍轉(zhuǎn)頻，為葉片通過頻率。

3.9 異常低揚(yáng)程試驗(yàn)

上庫進(jìn)水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛揚(yáng)程為200.816 m，驗(yàn)收試驗(yàn)在推薦導(dǎo)葉角度10°下進(jìn)行。

異常低揚(yáng)程能量、空化和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表14、表15、表16。

表14 異常低揚(yáng)程能量試驗(yàn)

表15 異常低揚(yáng)程臨界空化系數(shù)試驗(yàn)和初生空化系數(shù)試驗(yàn)

表16 異常低揚(yáng)程壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

初生空化試驗(yàn)表明，在電站空化系數(shù)（σp=0.432 9）下未觀察到葉片上出現(xiàn)任何氣泡，即在該工況下水泵可以無空化運(yùn)行。

水泵水輪機(jī)允許在異常低毛揚(yáng)程200.816 m（上庫進(jìn)水口最低水位）啟動(dòng)向上庫充水運(yùn)行，推薦的運(yùn)行導(dǎo)葉角度為10°。

3.10 水泵工況零流量試驗(yàn)

對水泵工況下的導(dǎo)葉開度3°、2°、1°進(jìn)行了零流量試驗(yàn)。在最小導(dǎo)葉開度1°下的壓力脈動(dòng)最大相對幅值試驗(yàn)結(jié)果見表17。

表17 水泵工況零流量試驗(yàn)

驗(yàn)收試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果吻合，零流量揚(yáng)程、輸入功率和壓力脈動(dòng)幅值滿足原型機(jī)組在正常頻率范圍內(nèi)的合同保證要求。

3.11 四象限全特性和“S”區(qū)余量試驗(yàn)

在高空化系數(shù)下進(jìn)行的水泵水輪機(jī)四象限特性試驗(yàn)，試驗(yàn)水頭不低于10 m。試驗(yàn)導(dǎo)葉角度為3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°、28.8°、30°、32°。試驗(yàn)工況包括水輪機(jī)工況、水輪機(jī)制動(dòng)工況、反水泵工況、水泵工況、制動(dòng)工況。

四象限全特性試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 四象限特性試驗(yàn)單位流量與單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)，水泵水輪機(jī)在空載開度范圍(導(dǎo)葉角度約3.0°～6.0°)內(nèi)，等導(dǎo)葉角度線與飛逸線交點(diǎn)處均處于安全穩(wěn)定的負(fù)斜率區(qū)域，未出現(xiàn)正斜率現(xiàn)象，并且還有較大的安全余量?！癝”特性區(qū)臨界點(diǎn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)為在M11～n11（M11 為單位力矩，n11 為單位轉(zhuǎn)速）四象限特性曲線上，觀察導(dǎo)葉開度線與n11 坐標(biāo)軸（M11=0）的交點(diǎn)處，其切線與n11 坐標(biāo)的夾角等于90°時(shí)即為“S”特性區(qū)臨界點(diǎn)[7]。該處的n11 值考慮正常頻率變化換算成的水頭與最小水頭的差值即為安全余量，計(jì)算結(jié)果見表18。

安全余量計(jì)算結(jié)果見表18。

表18 安全余量計(jì)算結(jié)果

模型試驗(yàn)結(jié)果表明水輪機(jī)在空載開度（3.0°～6.0°）區(qū)域完全無“S”特性，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)條件，穩(wěn)定區(qū)域具有72.83 m的安全余量，而在額定頻率(50.0 Hz)條件下，穩(wěn)定區(qū)域具有74.02 m 的安全余量，滿足合同保證值不小于70 m 安全余量的要求，能確保水輪機(jī)空載平穩(wěn)并網(wǎng)。

4 尺寸檢查

對水泵水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪、過流部件等關(guān)鍵部件和關(guān)鍵部位尺寸進(jìn)行了抽查，抽查結(jié)果與設(shè)計(jì)值的偏差滿足IEC 60193 規(guī)程規(guī)定的偏差要求。

5 結(jié)論

河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)按照采購合同、驗(yàn)收試驗(yàn)大綱及有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行，通過針對五岳電站水泵水輪機(jī)水力模型的多輪水力開發(fā)，篩選出的模型水泵水輪機(jī)用于五岳電站是適宜的，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，S 特性良好，安全余量高達(dá)74.02 m，可實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)開機(jī)與并網(wǎng)。