大渡河長河壩水電站水輪機模型驗收試驗

施　彬，　孫 文 彬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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大渡河長河壩水電站水輪機模型驗收試驗

施彬，孫 文 彬

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：為了驗證長河壩水電站水輪機的水力性能指標是否達到合同文件要求，從而為將來水輪發電機組的運行擬定合理的運行方式，提高水電廠運行的經濟性和可靠性，進行了長河壩水電站水輪機模型驗收試驗。

關鍵詞：水輪機；模型驗收試驗；長河壩水電站

1概述

長河壩水電站地下廠房中安裝了4臺單機額定功率為650 MW的混流式水輪發電機組，該水輪發電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司(以下簡稱哈電)設計制造。為了驗證水輪機的水力性能指標，在哈電水輪機室高水頭試驗I臺進行了水輪機模型驗收試驗。

長河壩水電站機組主要參數如下：

單機額定功率650 MW

水輪機額定出力663 MW

水頭范圍217.7～166 m

額定水頭200 m

水輪機安裝高程1 463.45 m

轉輪進口直徑D16.7 m

額定轉速142.9 r/min

轉輪葉片數16片

活動導葉數24

固定導葉數23

長河壩水電站水輪機模型驗收試驗項目包括：效率試驗、空化試驗、水推力試驗、飛逸轉速試驗、導葉水力矩試驗、蝸殼測流壓力差試驗、壓力脈動試驗、流態觀測試驗(葉道渦、卡門渦、葉片進口空化)、補氣試驗和圓筒閥水力特性試驗及其它試驗。

2模型試驗臺的基本情況

2.1試驗臺的總體布置及特點

試驗臺為一個封閉式循環系統，由2臺功率為400 kW的雙吸離心泵及配套管路、閥門和模型水輪機等組成。通過管路連接、閥門切換，水泵可以單獨運行，也可做串、并聯運行。整個系統可雙向運行。

2.2模型水輪機

哈電針對長河壩水電站水輪機開發了HLA998模型，該模型裝置含整個流道，除部分尾水管直錐段為了便于觀測轉輪渦帶情況采用非金屬透明材料外，其它部位均采用金屬材料，水輪機原型與模型幾何相似。

轉輪名義直徑D1420 mm

轉輪葉片數Z016片

固定導葉數23

活動導葉數24

導葉分布圓直徑D0487.2 mm

活動導葉高度B076.68 mm

轉輪進口高度76.4 mm

尾水管高度(導葉中心到底板)1 504.48 mm

尾水管長度(出口到機組中心)2 789.55 mm

尾水管出口高度971.64 mm

尾水管出口寬度752.24 mm

高壓側測壓斷面面積A10.181 m2

低壓側測壓斷面面積A20.653 m2

3水輪機模型驗收試驗臺率定及誤差分析

3.1儀器儀表率定

模型驗收試驗前，哈電的技術人員介紹了模型試驗臺設備及數據采集系統，并出示了原級測試儀器的有效檢定合格證書。

驗收試驗前，對水頭傳感器、力矩傳感器、尾水壓力傳感器和電磁流量計等主要測量儀器儀表進行了原位率定。驗收試驗后，對電磁流量計進行了復核標定，率定結果滿足有關規程要求。

3.2誤差分析

根據合同要求，模型試驗臺效率綜合最大誤差不大于0.25%。

經對典型驗收試驗工況點進行的測試誤差計算得知，本次驗收試驗的效率測試綜合誤差為±0.233%，滿足合同規定的fη不大于±0.25%的要求。

4試驗內容及結論

4.1能量試驗

效率和出力試驗在合同規定的25 m試驗水頭和電站空化系數下進行。

驗收組分別對HLA998模型水輪機的最高效率點、額定點效率、合同文件要求的加權點效率和各水頭下出力保證值進行了見證。

4.1.1模型最優效率試驗

4.1.2額定點試驗

HLA998水輪機在額定水頭下的額定功率和額定效率試驗結果見表1。

額定點效率與初步試驗結果相符，低于保證值，在根據IEC60193-1999規程規定的試驗誤差修正后，模型效率基本達到保證值要求，換算后的原型效率滿足合同要求。

表1　額定工況點試驗結果表

4.1.3出力試驗

對合同文件要求的各水頭下出力保證值進行了見證試驗，試驗結果表2。

表2　不同水頭下輸出功率保證值表

出力試驗結果與初步試驗結果相符，滿足合同保證值。

4.1.4水輪機加權平均效率試驗

對合同文件要求的各水頭下效率保證值進行了見證試驗，加權平均效率試驗結果見表3。

表3　水輪機加權平均效率表

驗收試驗結果表明其與初步試驗相符，滿足合同規定要求。

4.2空化試驗

試驗時，保持試驗水頭25 m不變，調節尾水壓力使其逐漸降低以確定臨界空化系數值和初生空化系數值，原型水輪機在對應的水頭、尾水位和負荷條件下的空化特性由模型試驗確定。

臨界空化系數σ1值定義為與無空化工況的效率相比下降1%的σ值。初生空化系數定義為在3個轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。

驗收試驗對不同水頭下的空化保證值進行了見證試驗，試驗工況點及結果見表4。

表4　不同水頭下的空化保證值表

試驗結果滿足合同性能值σp/σ1>1.6、σp/σi>1.1的要求。

4.3飛逸轉速試驗

飛逸轉速試驗是在水輪機可能的全部運行水頭范圍和從導葉關閉位置到模型導葉可能的最大開度范圍內進行的、且試驗水頭不小于10 m。

按額定開度的110%計算，原型水輪機最大飛 逸 轉 速 為240.6 r/min(A0=27 mm、n11=109.65 r/min)，小于合同規定的最大飛逸轉速255 r/min，滿足合同要求。

4.4水推力試驗

驗收試驗進行了單倍迷宮間隙下的軸向水推力(飛逸工況)試驗。HLA998水輪機在單倍間隙能量狀態下最大軸向水推力為9 586.68 kN，滿足不大于合同保證值11 200 kN的要求。在單倍間隙飛逸工況下最大軸向水推力為726 kN。

4.5壓力脈動和葉道渦觀察試驗

驗收試驗時，在蝸殼進口、導葉后轉輪前、頂蓋與轉輪上冠間各布置了一個測點；錐管0.3D2+Y、0.3D2-Y方向各布置了一個測點；肘管進口上下游、肘管45°上下游凹凸處各布置了一個測點，選取了在導葉開度A0=12,13,14,15,16,18,20,21,22,24,26 mm、在表5中的特征水頭和空化系數條件下進行了驗收試驗。試驗結果見表5。

試驗證明，在長河壩水電站水輪機整個運行范圍內的電站空化系數下，各測點壓力脈動幅值滿足合同文件保證值的要求。HLA998轉輪具有良好的穩定性能，可以在整個運行范圍內安全穩定地運行。

表5　壓力脈動驗收試驗工況點表

通過對HLA998模型水輪機的氣泡進行觀測，發現葉道渦和葉片背面脫流發生在長河壩水電站水輪機運行范圍外，在最小水頭100%P出力附近有葉片頭部出現正面空化渦。鑒于該工況點實際運行可能性很小，故可以接受。

4.6導葉轉動力矩試驗

在進行水輪機工況導葉同步試驗時，將試驗水頭定為Hm=15 m，活動導葉開度定為A0=10、14、18、26 mm，對每一開口進行了原型機水頭Hr=200 m、對應的模型轉輪單位轉速n11=67.7 r/min的導葉水力矩的測試。此時，對應的非同步導葉的開度位于A0=18 mm。在進行水輪機工況導葉非同步試驗時，同步導葉開度為A0=14 mm，此時對應的非同步導葉的開度位于A0=18 mm。

通過試驗結果可以得到以下結論：在水輪機全部運行范圍內，導葉均具有自關閉的趨勢。

4.7補氣試驗

通過模型試驗確定自然補氣的必要性并(或)尋求降低尾水管壓力脈動或使水輪機在部分負荷區平穩運行的其它方法與措施。

驗收試驗是在電站空化系數下選擇最大壓力脈動點及最大水頭45%額定功率工況點進行中心孔補氣和邊壁補氣(距轉輪出口下方0.3D2處)試驗。

補氣試驗結果表明：中心孔補氣與邊壁補氣對水輪機尾水管壓力脈動的影響基本相同。雖然補氣對尾水管壓力脈動幅值有輕微減弱的趨勢，但對減弱水輪機尾水管壓力脈動沒有起到決定性作用。

4.8指數試驗

在模型上測取蝸殼測流斷面上兩測壓孔之間的壓差，所選擇的測流斷面應最適合于確定相對流量。

根據長河壩水電站確定的測點布置位置處的壓差和流量的關系式為：

Q=0.198 3(△P)0.509 7

式中Q為流量(m3/s)；△P為兩測壓孔之間的差壓值(kPa)。

4.9圓筒閥試驗

為了全面確定模型水輪機的各項性能，在水輪機模型試驗中，必須包括圓筒閥模型水力特性試驗，并且根據試驗結果優化圓筒閥的結構和設計，為原型水輪機圓筒閥設計提供可靠的依據。

圓筒閥試驗進行了以下4個試驗項目：圓筒閥靜態力試驗、圓筒閥開度對水輪機性能的影響試驗、圓筒閥開度對水輪機流量的影響試驗、圓筒閥開度對導葉水力矩的影響試驗。

通過試驗結果可以得到以下結論：圓筒閥除極小開度外，在絕大多數開度下都具有自關閉的趨勢。

5結論及分析

長河壩水電站水輪機模型試驗按合同文件要求完成了初步試驗和驗收試驗，其中模型驗收試驗是在模型驗收組專家的現場見證下完成的，根據試驗結果得到了以下結論：

(1)根據試驗臺原級測試設備原件的證明和率定結果得知，試驗臺誤差滿足合同及IEC60193 規程的要求。

(2)HLA998模型水輪機最高效率為95.23%，相應的原型機最高效率為96.7%，滿足合同文件保證值要求。

(3)HLA998模型水輪機加權平均效率為93.161%，對應的原型機加權平均效率為94.78%，滿足合同文件保證值要求。

(4)額定工況點模型效率實測值為92.88%，相應原型效率94.429%，基本滿足合同保證要求。

(5)HLA998轉輪具有良好的空化性能，滿足合同σp/σ1≥1.6、σp/σi≥1.1的要求。

(6)HLA998轉輪在最大水頭Hmax=216.2 m下最大飛逸轉速為240.6 r/min，小于合同文件保證值255 r/min，滿足合同文件要求。

(7)HLA998指數試驗建立了蝸殼壓差和流量的關系。

(8) HLA998水輪機的最大軸向水推力為

9 586.68 kN，小于合同保證值11 200 kN。

(9)HLA998原型水輪機運行各水頭壓力脈動值滿足合同要求。

(10)HLA998模型水輪機的觀測結果：葉道渦初生線和背面脫流線在電站運行范圍外，在最小水頭100%P附近有葉片頭部正面空化渦，鑒于該工況點實際運行可能性很小，故可以接受。

(11)HLA998圓筒閥試驗結果表明：圓筒閥除極小開度外，在絕大多數開度下都具有自關閉的趨勢。

(12)HLA998導葉水力矩試驗結果表明：在水輪機全部運行范圍內導葉均具有自關閉的趨勢。

(13)補氣試驗結果表明:中心孔補氣與邊壁補氣對水輪機尾水管壓力脈動的影響基本相同，雖然補氣對尾水管壓力脈動幅值有輕微減弱的趨勢，但對減弱水輪機尾水管壓力脈動沒有起到決定性作用。

從模型驗收試驗的成果可以看出：HLA998水輪機是一個綜合性能優良的轉輪，完全滿足技術協議的要求。我們有信心期待此轉輪在長河壩水電站長期安全、可靠、穩定、高效地運行，取得良好的經濟效益和影響！

施彬(1968-)，女，福建古田人，教授級高級工程師，學士，從事水電站水力機械設計工作；

孫文彬(1969-)，男，江西泰和人，副處長，教授級高級工程師，學士，從事水電站水力機械設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0054-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222