蒲石河抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析

劉海輝，李冬陽，田樹鵬

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；2.國家電網吉林敦化抽水蓄能有限公司，北京100044)

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內。電站裝設4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式機組，建成后并入東北電網，擔任調峰、填谷、調頻、調相和事故備用任務。2006年11月，遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司與哈爾濱電機廠有限責任公司簽訂了主機供貨合同，法國ALSTOM公司提供技術支持。2007年12月，在法國ALSTOM公司水力機械實驗室完成水泵水輪機模型驗收試驗。

1）電站基本參數：上水庫正常蓄水位為392.0 m；上水庫死水位為360.0 m；下水庫正常蓄水位為66.0 m；下水庫死水位為62.0 m；電站運行最大毛水頭為330.0 m；電站運行最小毛水頭為294.0 m。

2）水泵水輪機主要參數：轉輪低壓側直徑D1p為2750 mm；轉輪高壓側直徑D2p為4565 mm；轉輪葉片數為9；活動導葉數為20；固定導葉數為20；額定轉速為333.3 r/min；水泵工況最大輸入功率不大于322 MW；水輪機工況額定輸出功率為306 MW。

2 模型試驗臺及模型試驗裝置簡介

法國ALSTOM水力機械實驗室位于法國南部格林諾布市內。蒲石河水泵水輪機模型驗收試驗是在TP3試驗臺上進行的，該試驗臺為一封閉、模型立式安裝試驗臺，具有設施齊全、試驗技術先進、測試精度高等特點，可以進行水泵水輪機模型的效率、空化、飛逸、壓力脈動、力特性、四象限等特性試驗。試驗臺主要參數如下：

1）水泵特性試驗方式：最大輸入功率為360 kW；最高轉速為2400 r/min；最大流量為0.9 m3/s；最高揚程為150 m。

2）水輪機特性試驗方式：最大水頭為100 m；最大流量為0.9 m3/s；最大輸出功率為320 kW。

蒲石河電站模型機組由蝸殼、固定導葉、活動導葉及調節機構、轉輪及軸系、尾水管等主要部件組成。模型機的蝸殼采用玻璃纖維和樹脂結構，尾水直錐管上部為有機玻璃，下部及尾水肘管為金屬焊接結構，轉輪葉片為銅材質。模型機組主要參數如下：

轉輪低壓側直徑D1m為250 mm；轉輪高壓側直徑D2m為415 mm；轉輪葉片數為9；固定導葉數為20；活動導葉數為20；活動導葉高度為52 mm；活動導葉分布圓直徑為φ492 mm；固定導葉內切圓直徑為φ553 mm；固定導葉外切圓直徑為φ650 mm；尾水管高度為1090.88 mm（尾水管底面至導葉中心線高度）；蝸殼進口斷面直徑為φ266.36 mm；原模型比尺D2m/D2P為1/11。

3 模型驗收試驗主要結果

3.1 水泵水輪機能量試驗

1）水泵工況能量試驗。包括水泵工況效率試驗、流量試驗、輸入功率試驗、零流量試驗和駝峰區裕量試驗。試驗揚程為34.8 m，試驗轉速為1200 r/min。主要試驗結果見表1。

表1 水泵工況能量試驗主要結果表

2）水輪機工況能量試驗。包括水輪機工況效率試驗和輸出功率試驗。試驗水頭為40.0 m，在電站裝置空化系數下進行。主要試驗結果見表2。

表2 水輪機工況能量試驗主要結果表

3.2 水泵水輪機空化試驗

1）水泵工況空化試驗。由于水泵工況的空化性能對于水泵水輪機空化性能起關鍵作用，因此，在驗收試驗期間，不僅對初步試驗報告中的試驗工況點進行了重復性檢驗，同時增加了一些試驗工況點。在驗收試驗時，主要對高揚程和低揚程運行工況初生空化現象進行觀測，并確定初生空化系數。主要試驗結果見表3。

2）水輪機工況空化試驗。水輪機工況空化試驗主要考察了在水輪機工況整個運行區域極限工況點的空化特性。主要試驗結果見表4。

3.3 水泵水輪機壓力脈動試驗

根據合同要求，在模型機上共安裝有5個壓力脈動傳感器：

表3 水泵工況空化試驗主要結果表

表4 水輪機工況空化試驗主要結果表

C1：蝸殼入口（高壓參考剖面）；C2：導葉和轉輪之間；C3：2個固定導葉之間；C4：頂蓋和轉輪之間；C5：尾水管錐管的下游側。

1）水泵工況壓力脈動試驗。水泵工況壓力脈動試驗在電站裝置空化系數下進行。主要試驗結果見表5。

表5 水泵工況壓力脈動試驗主要結果表

2）水輪機工況壓力脈動試驗。水輪機工況壓力脈動試驗水頭為HM=40.0 m，在電站裝置空化系數下進行。主要試驗結果見表6。

3.4 其它試驗

飛逸轉速試驗、全特性（四象限特性）、導葉水力矩試驗、Winter-Kennedy試驗、水推力試驗等均進行了驗證，因篇幅有限，在此不一一介紹了，其試驗結果可以作為原型機設計的參考。

3.5 模型通流部件的幾何尺寸檢查

在模型驗收試驗最后階段，對模型機組通流部件進行了幾何尺寸檢查和測量，主要檢測項目如下：蝸殼、尾水管過流部分的主要幾何尺寸；導葉的翼型、導葉高度、導葉轉角與開度的關系；固定導葉的翼型、安裝角度及其主要尺寸；轉輪外形尺寸、葉片開口、進口和出口斷面翼型；轉輪上、下迷宮尺寸；蝸殼與尾水管水頭測量斷面尺寸，各測量孔的位置等。

表6 水輪機工況壓力脈動試驗主要結果表

上述檢測結果均符合尺寸的允許公差要求。轉輪尺寸檢查測量完成后，連同轉輪葉片進、出口斷面測量尺寸一起封存，不再進行修改，直到合同保證期結束。

3.6 模型試驗主要結果分析

1）水泵水輪機效率。本電站原型水輪機加權平均效率為92.36%，原型水泵加權平均效率為93.73%，在國內已投產水泵水輪機中處于較高水平。

2）水泵水輪機空化特性。由于水泵工況葉片進口脫流區與低壓區都發生在轉輪進口區，而水輪機工況的脫流區與低壓區分別發生在轉輪進、出口附近，因此，水泵工況更具有空蝕危險性。

在本次模型驗收試驗中，根據合同要求對水泵水輪機空化特性進行了認真的試驗，仔細觀察了轉輪進、出口和流道中氣泡發生、發展的情況。驗收試驗結果表明在整個運行范圍內（包括頻率49.5～50.5 Hz變化范圍內）滿足合同要求。

3）水泵水輪機壓力脈動。壓力脈動驗收試驗在初步試驗報告的基礎上增加了試驗工況點測試，對于整個正常的運行區域，無論是水輪機工況，還是水泵工況，尾水管的壓力脈動測量幅值滿足合同要求。

水輪機工況轉輪進口和導葉出口之間的無葉區測點壓力脈動幅值在空載及正常運行范圍內滿足合同保證值，但在空載（飛逸）工況當導葉開度大于12°時，導水葉和轉輪之間（C2測點）壓力脈動測量值將隨著導葉開度的增加也逐級增大，在導葉開度為20°時，壓力脈動幅值為37.2%。該測點壓力脈動主頻成份分析表明均為轉輪葉片轉頻（fM=模型機組轉速×轉輪葉片數/60）。因此，在原型機組上該主頻為49.9 Hz（fP=原型機組轉速×轉輪葉片數/60），該頻率范圍不會對機組運行造成大的危害。

4 結語

經過買方模型驗收試驗團組和技術支持方法國ALSTOM公司的共同努力，嚴格、認真地按照合同的要求及IEC規程完成了試驗臺上的全部工作。本次模型驗收試驗結果表明，遼寧蒲石河抽水蓄能電站水泵水輪機的各項性能和特性均滿足合同要求，是可以接受的，模型驗收試驗結果可作為評價本水泵水輪機水力性能的依據。各項參數在類似水泵水輪機中處于較高水平，屬于比較理想的試驗結果。