丹江口小機組水輪機改造模型的試驗成果分析

王振宇,王黎明

(1.湖北漢江王甫洲公司發電廠,湖北 老河口 441800;2.丹江口水利樞紐小水電有限公司,湖北 老河口 442700)

1 前 言

丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠,是一個利用丹江口水利樞紐大壩第八壩段 1號深孔進行改造、興建的壩后式水力發電企業,其主要任務是為丹江口水利樞紐提供安全、可靠的防汛備用電源。防汛電廠的位置設在大壩 6～8壩段下游側,距大壩軸線 107m,電廠的高程確定為上游水位157m高程,下游水位 92m高程。電廠在壩上第 8壩段上游側設有攔污柵、檢修閘門和固定吊桿的平臺及裝置。廠內安裝 2臺單機容量為 25MW的混流式水輪發電機組,年設計發電量 9200kW·h,機組引水采用 φ3.8m的鋼管,然后分成 2條 φ3m的支管。機組的主要技術參數見表1。

由于“南水北調中線方案”工程需要從丹江口水利樞紐水庫提水,使水自流向“北方”,因此丹江口水利樞紐大壩將加高到 176.6m海拔高程,比原來高程增高 14.6m,大壩常年蓄水位變為 170m高程。這將使丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的水輪發電機組的運行參數發生較大的變化,具體數據見表2。

由于自備防汛電廠的水能計算是在不考慮“南水北調”、“抬高運行水位”、“加高大壩”等前提條件下,水庫的高度確定和運用方式與庫水位 157m的水利規劃基本一致情況下計算得出的,因此由大壩加高而引起的水頭提高,將對自備防汛電廠的發電設備、金屬結構產生不利的影響,甚至產生一定的破壞作用。例如,大壩加高后,電廠發電的年平均運行水頭抬高 10m,水輪機發電機組絕大部分時間在 60 m以上水頭區間運行,導葉開度明顯減小,經常運行在 40%～70%左右。這時發電機組的水輪機運行區域嚴重偏離最優工況區,空化安全系數裕量偏小,水輪機的轉輪長期在惡劣工況下運行。即使在額定出力下,轉輪葉片進水邊負壓面將會出現渦流,導致轉輪葉片進水邊空化。這不僅對轉輪葉片產生破壞,甚至可能造成轉輪產生高頻振動,危及水輪發電機組的安全、穩定運行。因此,自備防汛電廠必須對水輪發電機組的轉輪進行改造。

2007年 4月,丹江口水利樞紐小水電有限公司委托華南理工大學電力學院對本公司的水輪機工作轉輪進行改造模型設計,在其 HLD75-LJ-220水輪機的基礎上,將水輪機的運行技術參數確定為:最大水頭 78m,平均水頭 68m,最小水頭 53m;設計水頭 66.5m(蝸殼進口測壓點的值),設計流量42.6m3/s,發電機出力 25MW。

表1 機組主要技術參數

表2 水輪發電機組運行參數m

2 水輪機增容改造模型的一般要求① 丹江口水利樞紐小水電有限公司模型轉輪設計技術開發合同書。

2.1 水輪機轉輪改造模型技術指標

改造模型的轉輪直徑:D1=0.367m;

改造模型的轉輪葉片數:n=13片;

改造模型的活動導葉數:Z=20個;

真機與模型機的比例:6.289。

2.2 水輪機轉輪改造模型技術性能指標

最優單位轉速:73～74r/m in;

最小單位轉速:68r/min;

最大單位轉速:83r/min;

最優單位流量:0.95～1.0m3/s;

設計單位流量:1.05～1.1m3/s;

設計點的空化系數σ:0.12～0.13;

壓力脈動(ΔH/H):＜8%～9%;

最優效率:92.7%～93.5%;

設計工況效率:91.5%～92.0%。

3 水輪機增容改造模型試驗結果② 丹江口水利樞紐小水電有限公司委托水輪機模型轉輪試驗合同書。

受丹江口水利樞紐小水電有限公司委托,東方電機股份有限公司于 2008年 3月 31日完成模型水輪機裝置的加工工作,于 2008年 10月 24日～2008年 11月 29日對模型水輪機裝置進行性能試驗。

試驗在東方電機股份有限公司水輪機轉輪實驗室進行,采用了 DF-60水力機械通用試驗臺(見圖1)。DF-60試驗臺主要進行大流量的軸流式、貫流式和中低水頭的混流式水輪機模型試驗研究。

該試驗臺主要參數見表3。

3.1 試驗項目

(1)能量試驗;(2)空化試驗;(3)壓力脈動試驗;(4)飛逸試驗。

3.2 能量試驗結果

模型水輪機最高效率 η=94.2%;模型水輪機額定效率 η=92.4%換算到原型機上額定效率 η=93.6%;原型水輪機額定流量 Q=41.6m3/s。

3.3 空化試驗結果

額定點臨界空化系數:σs=0.082。

表3 轉輪試驗試驗臺主要參數

3.4 壓力脈動試驗結果

在全部運行范圍內壓力脈動最大值為 6.0%;尾水管壓力脈動混頻幅值為 9.0%。

3.5 飛逸試驗結果

模型水輪機使用最大開度 α=36°時,最大單位飛逸轉速為 137.31r/min;電站最大水頭 78m時,原型水輪機最大飛逸轉速為 525.4r/min。

4 水輪機增容改造模型的見證試驗

筆者于 2008年 12月 1日在與模型試驗中完全相同的 DF-60水力機械通用試驗臺上,對設計的模型轉輪進行了見證試驗。

試驗內容包括能量試驗、空化試驗、壓力脈動試驗、飛逸試驗。現將見證試驗內容、成果及結論介紹如下:

(1)模型能量見證試驗結果與前期能量試驗結果基本一致。在進行最低水頭的能量試驗同時進行了葉道渦流初生和發展現象的觀察。

(2)額定工況點空化見證試驗的臨界空化系數σs=0.08,與初步空化試驗的 0.082基本一致。

(3)見證組選取 9個工況點進行壓力脈動見證試驗。模型壓力脈動見證試驗結果與初步壓力脈動試驗結果基本一致。

(4)選取額定導葉開度 αr=29.5°進行飛逸試驗見證。見證試驗結果與初步試驗結果基本一致。

筆者認為,試驗裝置模擬了丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的流道,試驗方已按照合同要求完成了初步試驗。試驗結果真實可靠,與初步試驗結果基本一致。

圖1 DF-60水力機械通用試驗臺的示意

5 水輪機增容改造模型的試驗分析

公司自備防汛電廠水輪機改造模型,是華南理工大學電力學院在水輪機流態數值的計算機模擬分析(CFD)基礎上,優化水輪機的水力設計和水力特性后設計制造的模型水輪機轉輪。通過對原型水輪機流道全模擬模型上進行性能試驗,以驗證新開發的水輪機轉輪各項水力性能參數是否滿足模型轉輪設計合同規定的保證值,模型試驗結果將作為原型水輪機設計和驗證出力、效率保證值的依據。

模型能量試驗見圖2。

由圖 2可以看出:(1)模型水輪機最優工況效率 η=94.2%,最優單位轉速 72r/min,最優單位流量 Q=0.8m3/s。(2)額定工況效率 η=92.4%(換算到原型機上額定效率為 93.6%),單位轉速76.98r/min,單位流量 Q=0.853m3/s(換算到原型機上額定 Q=41.6m3/s)。參數值均在模型轉輪設計要求之內。從額定工況來看,模型水輪機綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=92%和 η=93%之間,水輪機的效率一般。從最優工況來看,模型水輪機綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=93%和 η=94%之間,可認為水輪機的效率較好。

由于丹江口水利樞紐加高后的水庫正常蓄水為170m,故改造后的水輪機也將長期在 170m水位工況下運行。

通過驗證,空化試驗結果為:額定點臨界空化系數σs=0.082,σp/σs=1.98,均在模型轉輪設計要求之內。

通過驗證,壓力脈動試驗結果見圖3。

(1)在全部運行范圍內壓力脈動最大值:ΔH/H=6.0%左右。(2)尾水管壓力脈動混頻幅值:ΔH/H=9.0%。從模型水輪機綜合特性曲線壓力脈動圖上來看,模型導葉開度 15°時空化系數為最大,ΔH/H=9.0%,最優工況和額定工況下的空化系數分別為:ΔH/H=0.01。因此模型轉輪空化試驗結果比較理想,證明改造模型轉輪空化性能較好。

通過驗證,飛逸試驗結果為:(1)模型水輪機使用最大開度 α=36°時,最大單位飛逸轉速為137.31r/min(換算到原型機上的導葉開度為 α=122%)。(2)電站最大水頭 78m時,原型水輪機最大飛逸轉速為 525.4r/min。從模型飛逸試驗結果上來看,水輪機最大飛逸轉速為525.4r/m in。目前在用的水輪發電機組的最大飛逸轉速為550r/min,所以滿足改造后水輪發電機組的要求。

圖2 模型轉輪能量試驗結果

圖3 壓力脈動試驗結果

通過驗證,換算到原型機上的額定流量Q=41.6m3/s,而設計給定流量 Q=42.6m3/s,從能量性能來說,模型機的性能比較理想。

6 結束語

丹江口水利樞紐小水電公司自備防汛電廠水輪機模型轉輪試驗的結果,證明華南理工大學電力學院設計出的適應丹江口水利樞紐大壩加高后新工況下的水輪機轉輪,在能量、空化、飛逸等參數方面,具有好的性能,并有一定的裕度,滿足本電廠的要求。