湘江土谷塘航電樞紐工程貫流式水輪機模型驗收試驗效果論述

【摘要】本文簡要介紹了土谷塘電站的主要參數及性能要求，較詳細的介紹了水輪機模型驗收試驗的設備、方法、過程及結果，對轉輪的效率、空化、壓力脈動、飛逸及軸向水推力特性進行了分析，認為其性能參數滿足技術保證值。文章還就高頻壓力脈動分析、臨界空化系數確定方法及差壓傳感器標定設備量程等問題進行了探討。

【關鍵詞】土谷塘水電站；貫流式水輪機；模型驗收；壓力脈動；臨界空化系數

1、土谷塘航電樞紐工程概況

湘江土谷塘航電樞紐工程是湘江中游、衡陽市區南部，上距近尾洲樞紐壩址50km，下距大源渡樞紐100km，為湘江干流航道八個梯級樞紐之一，是一個以航運為主、航電結合，并兼有交通、灌溉、供水與養殖等綜合利用效益的工程。樞紐工程正常蓄水位為58.0m，水庫相應庫容1.97億m3，電站裝有燈泡貫流式機組4臺，總裝機4x 22.5MW，年發電量3.68億Kw/h， 年利用小時數4033h。設計通航船舶噸級1000t。工程等別為Ⅱ等、工程總投資約為30億元，總工期50個月。

2、土谷塘樞紐電站設計參數

最大水頭：9.8m 最小水頭：2.5m 額定水頭：5.8m 權平均水頭：6.58 m水輪機額定出力：23.2MW 額定轉速： 75r/min轉輪直徑： 7.3m轉輪葉片數： 3輪轂體直徑： 2.409m導葉數： 16

3、土谷塘樞紐電站水輪機模型驗收試驗

水輪機模型驗收試驗于2015年4月在瑞士洛桑的瑞士聯邦工業大學工學院水力實驗室（ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE INSTITUT DE GENIE MECANIQUE，以下簡稱“EPFL”）試驗臺進行。驗收試驗技術規定，試驗臺的綜合誤差應小于0.3%。

3.1 模型試驗臺簡介

EPFL模型實驗室共有三個試驗臺，土谷塘航電的燈泡貫流式水輪機模型驗收試驗在EPFL的1號試驗臺進行。1號試驗臺是一封閉循環系統，即可作封閉式運行，亦可作開敞式運行，主要設備參數如下：最高試驗水頭：100m 最大測試流量：1.4m3/s 測功電機功率：300kW 水泵驅動功率：900kW 測功電機轉速：1500r/min

模型機組為臥式結構，模型機組的雙套軸承為靜壓軸承，模型轉輪通過一套靜壓軸承系統、傘齒輪和一個萬向節與電動/發電機軸聯接。模型水輪機軸安裝于一個擺動式的雙套軸承系統中，由軸承和密封引起的摩擦力矩可直接傳遞到擺動套上。

3.2 模型水輪機驗收試驗結果

模型驗收試驗在初步試驗的基礎上進行。初步試驗共進行了能量、空化、飛逸、壓力脈動、軸向水推力等5個方面的全面試驗，其性能基本滿足技術要求。

模型驗收試驗期間，除進行了如上5個方面的水輪機性能驗收外，還對試驗臺的主要傳感器進行了標定，對水輪機流道主要尺寸進行了檢測。

（1）出力和效率試驗

絕大多數出力和效率驗收試驗在電站空化系數下測試，只有最高效率點在大空化系數下進行，初步試驗和驗收試驗的模型效率均采用換算至雷諾數ReM*=7×106時模型效率。

驗收試驗中，在最優效率工況進行了重復10次測試，模型最優效率為93.74%，原型最優效率為95.84%，高于保證值，和初步試驗結果基本一致（如表1所示），滿足技術要求。

額定工況的原模型效率如表2所示，在額定凈水頭6.58m（nED=1.1371）的大空化系數（定義為σa）及電站裝置空化系數（σp=2.964）兩種不同條件下進行，雖略低于技術保證值，但基本滿足技術要求。

由于轉槳式水輪機保證的效率均為協聯工況效率，故很難準確測量到加權平均效率要求的工況點，絕大多數工況效率需采用插值的方法確定。由于驗收工況有限，無法獲得驗收的加權平均效率。但由重復試驗可判斷，試驗臺重復性較好，驗收試驗未測試工況的效率采用初步試驗效率值代替。加權平均效率驗收在大空化系數σa及電站裝置空化系數σp兩種不同條件下進行。技術規定的原型加權平均效率保證值為94.43%，在大空化系數下原型加權平均效率為94.64%，在電站裝置空化系數下原型加權平均效率為94.48%，滿足技術要求。

（2）空化試驗

模型空化試驗的主要目的是觀測模型轉輪的空化現象和驗證在電站運行范圍內臨界空化系數σc、初生空化系數σi與電站空化系數σp的關系。

初生空化系數σi為轉輪葉片表面空泡剛開始出現時的空化系數；而臨界空化系數σC

需作圖確定，η=f（σ）圖上過高空化系數點作該效率的水平線，并作效率急劇下降曲線部分的切線，兩條直線的交點所對應的空化系數即σc（如圖2所示）。技術要求，電站裝置空化系數σp與臨界空化系數σc、初生空化系數σi之間的關系為：臨界空化安全系數Kc=σp/σc ≥1. 2；初生空化安全系數Ki=σp/σi ≥1. 1，計算電站裝置空化系數σp的基準為轉輪中心線.

對于大型貫流式水輪機而言，易發生空化的最危險點位于轉輪葉片頂端，而相對于該點的電站空化系數σP*=σP-0.5·D1/HP（式中D1為轉輪直徑，HP為電站水頭）。就土谷塘電站水輪機來說，葉片頂端點比轉輪中心線高出D1/2=3.65m，相應的空化系數σP*比σP小很多。因此在驗收試驗時，驗收組建議將σP*也作為空化試驗內容，與σP、σc、σi一樣進行流態觀測及描繪，其結果不作為考核使用，僅作為電站運行及維修的參考資料。

在最大水頭9.8m、加權平均水頭6.58m、額定水頭5.8m及最小水頭2.5m條件下進行了空化驗收試驗，并在σp及σp*兩個電站空化系數下進行了空化狀況觀測及拍照，試驗結果與初步試驗基本一致。在低水頭，無論是臨界空化系數還是初生空化系數，其安全系數都大于技術要求值，滿足技術要求。在額定水頭及加權平均水頭，臨界空化系數和初生空化系數都基本滿足技術要求，有一定安全余量。

（3）飛逸轉速試驗

飛逸轉速試驗在高空化系數（σ>σp）的協聯工況和非協聯工況進行，驗收試驗只進行非協聯工況試驗。

初步試驗時，非協聯工況下的最大飛逸轉速因數nEDR=3.1556，發生在葉片轉角β=15°，導葉開度α=83.1°。在最大水頭Hp=9.8m時，對應的最大飛逸轉速nRmax=254.1r/min。

驗收試驗選擇葉片轉角β=15°進行飛逸試驗，在導葉開度α= 83.1°測得最大飛逸轉速因數nEDR=3.1508，換算到電站最高水頭的最大飛逸轉速nRmax=253.7r/min。驗收試驗結果、初步試驗結果及與技術保證值的比較如表3所示。

顯然，無論是初步試驗還是驗收試驗，所測原型飛逸轉速均比技術保證值稍高。因此，驗收組要求東芝水電設備（杭州）有限公司和株式會社東芝做出承諾，確保設計的安全余量滿足技術要求。

（4）壓力脈動試驗

根據技術規定，壓力脈動的考核標準是峰峰值，試驗中要求分析出其幅值最大的脈動分量，并確定其頻率和幅值。技術規定的壓力脈動保證值如表4所示。

初步試驗共選擇了22個工況點進行測試，對應的電站水頭分別為HP=9.8m、6.58m、5.8m和2.5m，在尾水管4個位置測量壓力脈動并進行頻譜分析。

驗收試驗在兩個電站空化系數條件下進行，分別為對應轉輪中心線的σp和對應轉輪葉片頂端的σp*。對應各電站運行水頭和兩個電站空化系數的壓力脈動測試結果如表5所示，滿足技術保證值要求。

（5）軸向水推力試驗

在最大凈水頭9.8m條件下，技術規定的最大水推力保證不超過3622.7kN。

軸向水推力根據模型水輪機雙套靜壓推力軸承高、低壓油腔油壓力之差確定，利用差壓傳感器測量。靜壓推力軸承壓差與軸向力的關系用標準砝碼進行原位標定，試驗時根據測量的差壓傳感器信號計算出總軸向力Ft。

軸向水推力驗收試驗在初步試驗的基礎上進行。在相當于電站最大水頭9.8m、額定水頭5.8m和最小水頭2.5m工況進行了軸向水推力試驗，試驗結果繪制到初步試驗的曲線上，并進行了特殊標注（見圖3），和初步試驗結果基本一致。換算到真機后，在最高水頭H=9.8m、出力23.2MW時軸向水推力約2814kN，遠小于保證值3633kN，滿足技術要求。

6）模型水輪機尺寸檢測

驗收試驗后，驗收組在驗收最后對模型水輪機過流部件的主要尺寸及轉輪葉片等進行了檢查測量。測量結果與設計圖紙相比較，誤差均在許可范圍之內，滿足技術及IEC60193：1999的驗收要求。

4、對部分模型驗收試驗中遇到問題的探討

4.1 壓力脈動分析及高頻部分顯示問題

在壓力脈動的初步試驗中，采集頻率為1000Hz，可分析出500Hz以內的頻率成分。但是，在初步試驗報告中，對所有試驗工況的壓力脈動頻譜分析結果只顯示了0～100Hz的頻率-幅值（f-?H/H）曲線，如圖4所示。受試驗雷諾數要求限制，在本次模型試驗中，模型轉速通常都高于900r/min，轉速頻率fn≥15Hz，葉片頻率fZ≥45Hz。如只顯示到100Hz，自然更高頻率的壓力脈動幅值無法得以展示，即使其幅值有可能比已分析出的主頻分量幅值還要高。

在驗收試驗中，驗收組提出了該問題，也得到了東芝和EPFL的積極響應，增加了顯示到500Hz的頻譜分析曲線，如圖5所示。在這些顯示最高頻率到500Hz的頻譜曲線中，許多幅值超過轉頻和葉頻的高頻分量凸顯出來，成為主頻或次主頻等，豐富了我們對貫流式水輪機壓力脈動的了解，提升了對其內部規律的認識水平。而對于電站來說，是提醒我們要注意這些高頻壓力脈動可能產生的危害。

4.2 高水頭工況空化試驗問題

在空化試驗中（包括驗收試驗和初步試驗），驗收組發現電站最高水頭（HP=9.8m）所有工況的空化試驗均呈現隨空化系數降低效率單調下降的現象（如圖6所示）。這帶來兩個問題，其一是效率和出力下降，其二是臨界空化系數如何確定。

以電站最高水頭HP=9.8m為例，在β=5゜，在不同的空化系數下的模型及真機效率如表6所示。在電站空化系數σP條件下，比大空化系數時效率下降近2%。需要注意的是，在更小的空化系數下，效率進一步下降，比σP時又下降近1%。

在驗收試驗中，通過空化觀測發現，在高水頭運行工況葉片進水邊有比較嚴重的空化發生，這是葉片進水邊脫流空化造成的。這除可能造成真機轉輪葉片進水邊背面空蝕外，還可能因此而帶來效率和出力的大幅度降低。

此外，在初步試驗時，東芝曾以圖6中效率快速下降的斜線和效率慢速下降的斜線交點來確定臨界空化系數σc，其不符合IEC60193對臨界空化系數確定方法的規定（以效率快速下降部分斜線和過能量工況效率點水平線交點確定），故參考IEC標準按不確定進行處理。希望在對IEC60193和國家類似標準進行修訂時，對類似問題給出明確的確定方法。

4.3 貫流式水輪機模型參數的測試及標定問題

眾所周知，對于貫流式水輪機而言，由于其電站水頭低，流量大，模型試驗的水頭也非常低，水頭測量的相對誤差有可能會相應增大，降低測試精度。

土谷塘模型測試水頭采用ROSEMOUNT 3051SCD4A差壓傳感器測量，采用Huber標準壓力計進行原位標定。由于貫流式水輪機單位轉速比較高，其模型試驗水頭通常也不超過5m，驗收試驗最優工況的試驗水頭約為3.8m，但用于標定水頭差壓傳感器的Huber標準壓力計的量程是10bar，在計量部門標定的證書顯示其相對誤差為0.03%，其絕對誤差為0.003bar，約為0.03m，相對于模型試驗水頭的相對誤差約為0.79%。也就是說，即使不考慮差壓傳感器標定的線性度誤差和動水頭測量誤差，僅只原級設備給水頭測量帶來的誤差就高達0.79%。即使模型試驗水頭提高到5m，該誤差也高達0.6%。

究其原因，是因為該實驗臺在測試水頭非常低的試驗中采用了量程遠超傳感器量程的標準裝置。而在進行誤差換算時，沒有將原級設備的滿量程誤差0.03%換算至傳感器實際使用量程。

正確的換算方法應當是：如原級設備的滿量程為Afs，傳感器量程為Tfs，原級設備的滿量程相對誤差為EA，則原級設備在標定中傳遞給被標定傳感器的相對誤差。

因此，在對小量程差壓傳感器進行標定時，需采用與被標定設備量程匹配的原級設備。同樣是對ROSEMOUNT 3051SCD4A差壓傳感器進行標定，如采用的標定設備量程為1bar，其相對誤差同樣為0.03%，帶給差壓傳感器的原級設備相對誤差為0.08%。

5、結論

（1）土谷塘水電站貫流式水輪機模型驗收于2015年4月在瑞士洛桑EPFL試驗臺進行，試驗基本按技術及IEC60193有關規定進行。

（2）經驗收，土谷塘水電站貫流式水輪機效率、穩定性、空化性能及軸向水推力滿足技術要求；飛逸轉速雖略高于技術保證值，但東芝水電設備（杭州）有限公司承諾確保設計的安全余量滿足技術要求。

3）壓力脈動試驗中發現許多工況壓力脈動主頻比較高，如導葉頻率等，應引起重視。

（4）在驗收試驗中發現了臨界空化系數確定方法不規范及差壓傳感器標定設備量程太高等問題，希望在今后的試驗或標準修訂中規避或解決。

參考文獻：

[1]IEC60193：1999，Hydraulic turbines， storage pumps and pump-turbinesModel acceptance tests（水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗）。

[2]徐洪泉、張海平、張建光、陳瑩，提高水力機械模型效率試驗精度方法探討[J].中國水利水電科學研究院學報，2014年第2期。202-205.