四川九龍河江邊水電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

方 曉 紅

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，杭州 310014）

前言

九龍河江邊水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣，電站總裝機(jī)330MW，共裝3臺(tái)單機(jī)容量110MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組（包括進(jìn)水球閥）設(shè)備由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“東芝公司”）制造，水輪機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

江邊水電站水輪發(fā)電機(jī)組合同于 2008年 1月簽訂。2008年7月在日本東京橫濱電力和工業(yè)系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，東芝水力研究實(shí)驗(yàn)室2號(hào)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)。

1 水輪機(jī)模型相似性問題說明

江邊水電站的水輪機(jī)模型引用東芝公司為國(guó)內(nèi)類似水頭段某電站開發(fā)的水輪機(jī)模型，在此水輪機(jī)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)江邊電站的水能參數(shù)和合同水輪機(jī)性能保證要求，按IEC60193（1999）標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，重新進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)和最終驗(yàn)收試驗(yàn)。

從蝸殼進(jìn)口到尾水錐管進(jìn)口，該模型水輪機(jī)與江邊水電站水輪機(jī)完全相似，但根據(jù)江邊水電站實(shí)際布置的需要，從尾水錐管出口到尾水管擴(kuò)散段出口兩者不相似，江邊機(jī)組尾水管與模型尾水管形狀對(duì)比詳見圖1所示。

圖1 原型與模型尾水管形狀比較

江邊機(jī)組尾水管與模型尾水管換算后尺寸相比：尾水管長(zhǎng)度加長(zhǎng)28.5%，尾水管高度加高4.9%。一般來說，若尾水管高度較大，則尾水管內(nèi)的有效壓力回收會(huì)比較好，機(jī)組性能也會(huì)較好。且經(jīng)比較，尾水管各斷面面積分布與模型尾水管各斷面面積分布非常相似，因此從宏觀上分析，尾水管的差異對(duì)水輪機(jī)水力性能的影響甚小。為了進(jìn)一步證實(shí)其結(jié)果的可靠性，東芝公司專門針對(duì)尾水管不相似部分進(jìn)行了CFD流體解析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示：模型尾水管與江邊尾水管的水力損失差異僅為 0.01%，因此，可忽略尾水管差異對(duì)水輪機(jī)能量指標(biāo)的影響。

2 水輪機(jī)模型試驗(yàn)裝置

2.1 模型試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

2號(hào)模型試驗(yàn)臺(tái)由1600m3水池、冷卻泵、工作泵、流量計(jì)、壓力水箱、模型水輪機(jī)和尾水箱等組成，模型試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖 2所示，試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)如表2所示，江邊水電站水輪機(jī)模型主要參數(shù)如表3所示。

圖2 模型試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表2 試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)

表3 水輪機(jī)模型主要參數(shù)

2.2 模型試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備、標(biāo)定和誤差

模型試驗(yàn)臺(tái)安裝自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，主要測(cè)量設(shè)備和儀表均為高精度原級(jí)標(biāo)定設(shè)備。

轉(zhuǎn)速測(cè)量：由電子脈沖計(jì)數(shù)器測(cè)量，由設(shè)置在脈沖計(jì)數(shù)器內(nèi)的高精度振蕩器控制，晶體振蕩器的精度高達(dá)±1×10-6，無需校準(zhǔn)。

水頭測(cè)量：一只差壓變送器用于測(cè)量進(jìn)口和出口壓差以確定水輪機(jī)的水力比能，另一只差壓變送器用于測(cè)量出口壓力以用于確定有效吸出比能；差壓變送器由空氣活塞式重錘壓力計(jì)校準(zhǔn)。

流量測(cè)量：由電磁流量計(jì)測(cè)量，電磁流量計(jì)通過稱重法來校準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 稱重法簡(jiǎn)圖

扭矩測(cè)量：一只500kW電磁測(cè)功器用來測(cè)量由水輪機(jī)產(chǎn)生的扭矩。裝在測(cè)功器定子機(jī)座上的全自動(dòng)高精度負(fù)載傳感器測(cè)量扭矩臂末端的反作用力，用標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)；

軸向水推力測(cè)量：由壓力傳感器測(cè)量測(cè)功器的靜壓軸承的油壓；

尾水管渦帶和轉(zhuǎn)輪出口空化觀測(cè)：用頻閃燈，安裝在接近尾水管進(jìn)口上端部位；

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口脫流觀察：用頻閃燈和CCD照相機(jī)，安裝在頂蓋上；

壓力脈動(dòng)測(cè)量：壓力傳感器，直接裝在測(cè)點(diǎn)上；

導(dǎo)葉水力矩測(cè)量：應(yīng)變片，貼在4只活動(dòng)導(dǎo)葉上。

各種參數(shù)的測(cè)量?jī)x器、儀表均已按要求，在試驗(yàn)前由日本權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)定。在水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)期間對(duì)流量、力矩、軸向水推力測(cè)量裝置等做了重復(fù)性檢查，對(duì)未做重復(fù)標(biāo)定的儀器進(jìn)行原級(jí)證書驗(yàn)證，各項(xiàng)標(biāo)定結(jié)果滿足IEC規(guī)程的相關(guān)規(guī)定。

試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)儀器標(biāo)定及效率誤差分析表明，模型試驗(yàn)臺(tái)效率綜合誤差為±0.27%，未超過±0.3%的合同規(guī)定。

3 水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)

3.1 模型驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目

在模型驗(yàn)收試驗(yàn)前，東芝公司已按合同提交了《水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)大綱》和《水輪機(jī)模型試驗(yàn)初步試驗(yàn)報(bào)告》。驗(yàn)收試驗(yàn)包括對(duì)水輪機(jī)初步試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果的復(fù)核試驗(yàn)，以及對(duì)效率試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、水輪機(jī)軸向水推力試驗(yàn)、Winter-Kennedy指數(shù)試驗(yàn)、飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、補(bǔ)氣試驗(yàn)等主要性能指標(biāo)的見證試驗(yàn)。見證和復(fù)核項(xiàng)目的工況點(diǎn)及數(shù)目由驗(yàn)收組確定。

3.2 模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果

由于模型試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)葉開度不能任意角度調(diào)整，在進(jìn)行模型試驗(yàn)前，東芝公司事先在控制環(huán)相應(yīng)位置根據(jù)導(dǎo)葉開度打好銷釘孔，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)確定的導(dǎo)葉開度用銷釘固定在某開度位置（導(dǎo)葉開度從2mm、4mm、6mm……20mm、22mm、24mm、26mm、28mm 及一些合同規(guī)定工況開度），如圖4所示。因此見證試驗(yàn)的工況點(diǎn)與合同的效率保證的工況不完全對(duì)應(yīng)，保證點(diǎn)的效率值通過試驗(yàn)值作成的曲線插值得到。控制環(huán)上導(dǎo)葉開度定位銷釘孔

圖4 控制環(huán)上導(dǎo)葉開度定位銷孔

3.2.1 效率試驗(yàn)

原型水輪機(jī)效率按合同采用 2/3moody公式等值修正。在電站空化系數(shù)下，共對(duì)31個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行水輪機(jī)模型效率見證試驗(yàn)。其中21個(gè)工況點(diǎn)的效率高于初步模型試驗(yàn)報(bào)告提供數(shù)值，另有9個(gè)工況點(diǎn)的效率略低于初步模型試驗(yàn)報(bào)告值，但是其偏差均在模型效率試驗(yàn)綜合誤差允許范圍內(nèi)。效率驗(yàn)收結(jié)果表明，原型水輪機(jī)最優(yōu)效率、額定效率和加權(quán)平均效率均滿足合同保證值的要求，效率試驗(yàn)成果如表4所示。

表4 效率試驗(yàn)成果

3.2.2 水輪機(jī)空化試驗(yàn)

根據(jù)合同要求，臨界空化系數(shù)定義為與無空化工況效率相比，效率開始變化時(shí)的系數(shù)（如圖5中σco）。但東芝公司認(rèn)為此點(diǎn)試驗(yàn)難以確定，而是采用與效率保持不變的延伸線與效率急劇變化的交點(diǎn)確定為臨界空化系數(shù)σcs，如圖5所示，經(jīng)商議，驗(yàn)收組表示認(rèn)可。初生空化系數(shù)合同中定義為在任意三個(gè)葉片上產(chǎn)生第一個(gè)可見氣泡時(shí)的空化系數(shù)，而驗(yàn)收試驗(yàn)以觀察到葉片背面出口第一個(gè)氣泡來確定的初生空化系數(shù)。空化基準(zhǔn)面按IEC60193規(guī)定的Zc，如圖5所示。

圖5 臨界空化系數(shù)定義和空化基準(zhǔn)面簡(jiǎn)圖

水輪機(jī)空化驗(yàn)收試驗(yàn)重點(diǎn)針對(duì)空化性能較為嚴(yán)峻的額定工況點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，驗(yàn)收試驗(yàn)額定工況臨界空化系數(shù)σcs=0.044，小于合同保證值σcs=0.057，且水輪機(jī)空化性能驗(yàn)收試驗(yàn)得到的數(shù)值與初步試驗(yàn)數(shù)值符合性較好。按照試驗(yàn)所得到的初生空化系數(shù)計(jì)算確定的電站允許吸出高度為-7.9m，滿足電站實(shí)際吸出高度（-8.2m）要求。

3.2.3 水輪機(jī)軸向水推力試驗(yàn)

水輪機(jī)軸向水推力試驗(yàn)是在設(shè)計(jì)間隙下進(jìn)行的。為獲得作用于轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力，先測(cè)量靜壓軸承的油壓力，根據(jù)測(cè)量的油壓力計(jì)算軸向水推力。軸向水推力驗(yàn)收試驗(yàn)，共對(duì)18個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行見證試驗(yàn)，得到的數(shù)值與初步試驗(yàn)報(bào)告提供的數(shù)值基本符合。因合同保證值為兩倍設(shè)計(jì)間隙下軸向水推力，最大水頭、兩倍設(shè)計(jì)間隙下軸向水推力根據(jù)設(shè)計(jì)間隙下軸向水推力換算得到。經(jīng)計(jì)算，最大水頭、兩倍設(shè)計(jì)間隙下的軸向水推力T為2905kN，小于合同保證值3334kN。轉(zhuǎn)輪軸向水推力受力分析圖，如圖6所示。

圖6 受力分析圖

3.2.4 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)增加了高水頭、小導(dǎo)葉開度下的18個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)，進(jìn)行壓力脈動(dòng)驗(yàn)收試驗(yàn)。由于江邊原型水輪機(jī)空載開度為6mm，模型水輪機(jī)的空載開度約為1mm，模型試驗(yàn)最小導(dǎo)葉開度為2mm，難以確定空載開度下的壓力脈動(dòng)值。對(duì)合同保證值中其它的尾水管壓力脈動(dòng)，見證試驗(yàn)結(jié)果與初步試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，且試驗(yàn)值均低于合同保證值，詳見圖7和表5。

圖7 尾水管壓力脈動(dòng)見證試驗(yàn)與初步試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

表5 最大水頭306.2m尾水管上部壓力脈動(dòng)見證試驗(yàn)與初步試驗(yàn)對(duì)比

3.2.5 Winter-Kennedy指數(shù)試驗(yàn)

模型蝸殼同一斷面兩測(cè)點(diǎn)用差壓變送器測(cè)量其差壓，同時(shí)用電磁流量計(jì)測(cè)量水輪機(jī)的流量，得出模型水輪機(jī)流量與壓差之間的關(guān)系，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。共對(duì)18個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行水輪機(jī)模型Winter-Kennedy指數(shù)驗(yàn)收試驗(yàn)，得到的數(shù)值與初步試驗(yàn)結(jié)果一致，認(rèn)同初步試驗(yàn)報(bào)告中提供的Winter-Kennedy指數(shù)。

3.2.6 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸試驗(yàn)是在電站空化系數(shù)、一定導(dǎo)葉開度下進(jìn)行。在做飛逸試驗(yàn)之前，將測(cè)功器裝置調(diào)整為電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)的輸入功率與測(cè)功裝置所消耗的功率相等，即水輪機(jī)完全不帶負(fù)荷運(yùn)行。在輸出功率為零時(shí)，加大流量，轉(zhuǎn)速能達(dá)到的最大值即為飛逸轉(zhuǎn)速。根據(jù)模型試驗(yàn)成果，得到原型水輪機(jī)的最大飛逸轉(zhuǎn)速為556.8r/min，低于合同保證值590 r/min。

3.2.7 補(bǔ)氣試驗(yàn)

水輪機(jī)補(bǔ)氣試驗(yàn)采用在尾水錐管處安裝十字補(bǔ)氣管向轉(zhuǎn)輪中心補(bǔ)氣。通過空壓機(jī)補(bǔ)入壓縮空氣，補(bǔ)氣壓力為 0.25MPa，將其流量轉(zhuǎn)換為大氣壓下的流量。在電站空化系數(shù)下，分別對(duì)額定水頭272m、導(dǎo)葉開度12mm，補(bǔ)氣量為0、～0.5%Qr、～1.0%Qr，以及最大水頭 306.2m、導(dǎo)葉開度 8mm，補(bǔ)氣量為 0、～0.5%Qr、～1.0%Qr和～1.5%Qr進(jìn)行補(bǔ)氣試驗(yàn)，補(bǔ)氣試驗(yàn)結(jié)果詳見表6。

從表中可見，補(bǔ)氣使水輪機(jī)效率略有下降，對(duì)壓力脈動(dòng)有一定的改善。但因水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)壓力脈動(dòng)值均較小，補(bǔ)氣對(duì)進(jìn)一步減小壓力脈動(dòng)幅值效果不是十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)按規(guī)定程序及合同要求順利完成，試驗(yàn)項(xiàng)目完整，驗(yàn)收試驗(yàn)的結(jié)果與模型初步試驗(yàn)結(jié)果一致，模型試驗(yàn)成果可作為原型水輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)。

[1]GB/T15613-2008. 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)[S].

[2]IEC 60193-1999. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines model acceptance test[S].

[3]東芝水電.四川江邊水電站水輪機(jī)模型試驗(yàn)報(bào)告[R].2008.