洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗分析

熊 濤，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

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洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗分析

熊 濤，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

江西洪屏抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗主要包括率定檢查、效率和出力試驗、空化試驗、飛逸試驗、低揚程試驗、壓力脈動試驗、軸向水推力試驗、活動導葉水力矩試驗、壓差指數試驗、水泵零流量試驗、四象限全特性曲線和模型通流部件尺寸檢查等。試驗結果表明，該水泵水輪機的S特性良好，安全裕度比較大；水泵水輪機的效率和出力、空化、壓力脈動等各種性能指標均滿足了合同規定及電站運行要求，各項綜合性能指標達到國際先進水平。

水泵水輪機；模型試驗；抽水蓄能電站

1 工程概況

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省宜春市靖安縣三爪侖鄉境內，距南昌、九江、武漢的直線距離分別為65、100 km和190 km，處于江西負荷中心，屬周調節純抽水蓄能電站。電站裝機容量1 200 MW，裝設4臺單機容量300 MW的立軸單級可逆混流式水泵水輪機組。電站建成后，平均年發電量17.43億kW·h，平均年抽水耗電量22.93億 kW·h，以500 kV一級電壓、兩回出線接入華中電網，在系統中擔任調峰、填谷、調頻、調相作用和事故備用等任務。

1.1 電站主要參數

水泵水輪機型式為立軸、單級、混流可逆式。電站運行最大毛水頭/揚程570.0 m；最小毛水頭/揚程535.0 m；額定凈水頭540.0 m；水泵水輪機安裝高程93.0 m；水輪機工況正常頻率變化范圍49.5～50.2 Hz；水泵工況正常頻率變化范圍49.8～50.5 Hz；短時允許頻率變化范圍48.5～50.5 Hz。

1.2 機組主要參數

轉輪進水邊直徑3 850 mm；轉輪出口邊直徑1 934.9 mm；額定轉速500 r/min；水輪機工況額定輸出功率306 MW；機組4臺。

2 驗收試驗項目

洪屏電站水泵水輪機模型試驗在德國海登海姆福伊特水電公司水力試驗室的通用型高水頭2號試驗臺(UHD2)上進行，海登海姆試驗臺的精度不大于±0.25%。驗收試驗主要依據為《江西洪屏抽水蓄能電站機組及其附屬設備采購合同》(以下簡稱合同)和IEC60193—1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》。

水泵水輪機模型驗收試驗主要包括：率定檢查、效率和出力試驗、空化試驗、飛逸試驗、低揚程試驗、壓力脈動試驗、軸向水推力試驗、活動導葉水力矩試驗、壓差指數試驗、水泵零流量試驗、四象限全特性曲線和模型通流部件尺寸檢查等。

在模型驗收試驗前，對電磁流量計、水頭和軸向水推力差壓傳感器、扭矩傳感器、轉速感應器、壓力脈動傳感器及含氧測量儀等均進行了標定，在水輪機工況和水泵工況下測試的效率試驗綜合誤差分別為±0.2269%和±0.2270%，滿足合同要求的±0.25%。

2.1 效率特性試驗

效率特性試驗內容包括：①水輪機工況下的模型最優效率點、運行區內最優效率點、額定效率及加權平均效率試驗；②在水泵工況下模型的最優效率、加權平均效率。效率試驗結果見表1、2。

表1 水輪機工況效率 %

表2 水泵工況效率 %

由表1、2可知，洪屏電站水泵水輪機各效率驗收值與初步試驗相符且滿足合同要求。

2.2 空化特性試驗

空化特性試驗包括水輪機工況、水泵工況的臨界空化和初生空化的確定。而對初生空化系數和臨界空化系數的定義在IEC60193—1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》中有明確的定義。

水輪機工況的空化現象往往發生在葉片出口邊的背面，而水泵工況發生在葉片進口處的背面，造成低壓區的重合，該區域更易發生空化，因此水泵水輪機的空化性能主要取決于水泵工況的空化性能。故在進行空化驗收試驗時，重點對水輪機額定工況進行了空化特性驗收試驗，實驗結果為：流量QP=62.09 m3/s，功率P=306 MW，水頭HP=540 m，σC(裝置空化系數)0.053 0，σi(初生空化系數)0.093 1，σpi(臨界空化系數)0.148 0，σpi/σC(初生空化裕度)2.792，σpi/σi(臨界空化裕度)1.590。可以看出，電站裝置空化系數要遠高于初生空化系數，空化裕度非常大，滿足合同要求。對水泵工況的最大、最小毛揚程進行了空化驗收試驗，見圖1。

圖1 水泵工況空化系數驗收結果

從水泵工況空化試驗驗收結果來看，在運行區，初生空化系數和臨界空化系數都遠遠小于電站裝置空化系數，都滿足合同要求。

2.3 飛逸特性試驗

模型驗收試驗時，對初步模型試驗進行了復核。從真機特性曲線上，顯示了要求的最大出力時導葉開度和真機水頭的關系及最大飛逸轉速的保證值，驗收結果如圖2所示。

圖2 單位飛逸轉速、單位流量與導葉開度對應關系

根據公式將圖中的單位飛逸轉速換算成真機的最大飛逸轉速為615 r/min，滿足合同規定的最大穩態飛逸轉速的保證值700 r/min的要求。

2.4 壓力脈動試驗

壓力脈動驗收試驗共采用4個壓力脈動測點，分別是尾水管管壁、導葉與轉輪之間、頂蓋與轉輪之間、蝸殼進口。表4、5分別列出了在電站空化條件下，最小水頭520 m、額定水頭540 m和最大水頭565 m的水輪機工況壓力脈動和對6個效率加權點及10個16°導葉開度下水泵工況的模型壓力脈動驗收試驗結果。

從表3、4中可以看出，洪屏電站水泵水輪機在水輪機工況和水泵工況的壓力脈動幅值與初步試驗結果一致且滿足合同要求。

表3 水輪機工況壓力脈動試驗 %

表4 水泵工況壓力脈動試驗 %

2.5 低揚程試驗

水泵異常低揚程試驗確定了第一次充水運行點的揚程和活動導葉開度分別為10°，揚程510 m。

2.6 水輪機異常低水頭試驗

水輪機工況異常低水頭試驗是為了找出允許的最低水頭用于上游水庫排水期間短期發電的異常低水頭。在部分負荷壓力脈動允許的條件下，異常最低凈水頭是493.29 m。洪屏電站一臺機運行時的最小毛水頭是496.74 m。該水頭下的最小輸出功率是142.72 MW；最小導葉開度是11.6 °。

2.7 軸向水推力試驗

模型試驗進行并驗證了最大水頭565 m時進行了水輪機工況的軸向水推力試驗。模型驗收試驗測得在穩態工況時，水輪機工況最大向下水推力為1 250 kN，合同保證值為2 400 kN；水泵工況最大向下水推力為800 kN，合同保證值為2 400 kN。試驗結果都滿足合同要求。

2.8 水泵零流量揚程

在水頭680.26 m進行了水泵0流量揚程試驗，水泵最大入力為57.26 MW，水泵0流量揚程試驗值為680.26 m，保證值為725 m。

2.9 全特性曲線

S 特性穩定性的界限定義在飛逸曲線與等導葉開度線的交點，該交點處斜率由正轉換為負，即等開度線與飛逸線交點處不允許出現正斜率的要求。

圖3給出了S 特性區域附近的詳細結果。模型試驗結果表明在機組正常運行范圍內包括正常頻率變化范圍內在有關的等導葉開度線上(4°～6.2°)沒有正斜率出現。機組在50 Hz 同步并網時最大導葉開度為4.5°，在50.2 Hz 同步并網時最大導葉開度為4.7°。因此模型試驗顯示S 特性穩定性的界限在Dj=6.2°。安全裕量在50.2 Hz 和50 Hz 時分別是32.4 m和36.8 m。S 型特性的模型驗收試驗結果滿足合同規定的正常運行范圍內。

圖3 S特性區域附近曲線

2.10 水泵駝峰裕度試驗

合同規定當兩臺機運行在最大揚程，頻率在49.8 Hz下的水泵運行外包絡線駝峰裕量為3.1%，本次驗收試驗與此相對應的的駝峰裕量計算值為3.90%。

本次驗收試驗計算值為：一臺機在50 Hz下的最大揚程點對應的導葉開度(16°)的H-Q曲線駝峰裕量為2.68%；一臺機在49.8 Hz 下的最大揚程點對應的導葉開度(16°)的H-Q曲線駝峰裕量為1.90%，廠家福伊特根據已建工程的經驗認為有足夠的安全裕量，能確保機組穩定運行，圖4給出了真機水泵駝峰裕量在不同給定條件下的數值。

圖4 水泵駝峰曲線

3 結 語

江西洪屏抽水蓄能電站模型水泵水輪機采用了近幾年來國內外大型水泵水輪機較為先進而又成熟的一系列技術。水泵水輪機的S特性良好，安全裕度比較大；水泵水輪機的效率和出力、空化、壓力脈動等各種性能指標均滿足了合同規定及電站運行要求，各項綜合性能指標達到國際先進水平。

[1]劉大愷. 水輪機[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 1996．

[2]梅祖彥. 抽水蓄能發電技術[M]. 北京： 機械工業出版社．

[3]IEC60193—1999 水輪機、 蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗[S]．

(責任編輯 高 瑜)

Analysis on Model Acceptance Test of Pump-Turbine for Hongping Pumped-storage Power Station

XIONG Tao, WANG Kangsheng

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The model acceptance test of pump-turbine for Hongping Pumped-storage Power Station consists of calibration check, efficiency and output test, cavitation test, runaway test, low lift operation test, pressure pulsation test, axial thrust test, guide vane torque test, pressure index test, pump zero flow test, four-quadrant complete characteristic curves and flow-through component size examination. The test results show that, (a) the S-characteristics of pump-turbine is good and the safety margin is relatively large; (b) the efficiency, output, cavitation, pressure pulsation and other performance indicators of pump-turbine meet the requirements of contract and unit operation, and the comprehensive performance indicators reach international advanced level．

pump-turbine; model test; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 09

熊濤(1982—)，男，江西南昌人，高級工程師，主要從事水電站檢修與技術管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0074- 03