福建周寧抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗分析

熊 妍

（華電福新周寧抽水蓄能有限公司，福建省寧德市 352100）

0 引言

福建周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣，靠近福建沿海500kV主網，位于閩東沿海北部新興能源基地和福建省網與華東區域電網連接處，距福州、寧德、南平三市的直線距離分別為110km、50km、120km，是一座日調節的純抽水蓄能電站。電站內安裝有4臺單機容量300MW的立軸、單級、混流、可逆式水輪機發電機組，總裝機容量1200MW，年平均發電量12×109 kW·h，年抽水耗電量16×109 kW·h。電站的主要任務是發電，承擔福建電網的調峰、填谷、調頻、調相及備用等，必要時為華東電網提供支持，承擔緊急事故備用等。

福建周寧抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位716m，死水位691m；下水庫正常蓄水位299m，死水位262m。最大毛水頭/揚程454m，最小毛水頭/揚程392m。機組發電工況正常頻率變化范圍49.5～50.2Hz，電動工況正常頻率變化范圍49.8～50.5Hz。機組電動工況啟動以SFC啟動為主，以BTB啟動為備用。

1 模型試驗概述

福建周寧抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗于2018年12月6日～12月8日在哈爾濱電機廠有限責任公司水力機械試驗6臺進行，模型復核試驗于2019年1月18日～1月22日在中國水利水電科學研究院水力試驗室TP1試驗臺進行，試驗內容主要有：能量試驗、壓力脈動試驗、空化試驗、飛逸轉速試驗、全特性試驗等[1]。

模型驗收及模型復核試驗均以《福建周寧抽水蓄能電站機組設備采購合同》、IEC 60193—1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》、IEC 60609-1—2004《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機的空蝕損壞評定 第1部：反擊式水輪機、蓄能泵和水泵水輪機的評定》、GB/T 15613—2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》等標準規范作為依據[2-4]。

模型水泵水輪機與原型水泵水輪機自蝸殼進口到尾水管出口幾何相似，即整個流道幾何相似[5]。原型、模型水泵水輪機的比尺系數（D2p/D2m）為9.24，原型、模型水泵水輪機的主要參數如表1所示。

表1 原型、模型水泵水輪機主要參數Table 1 Main parameters of prototype and model pump turbine

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2 模型試驗主要結果與分析

在每次模型試驗開始前，均對用于測量壓力、水頭、流量、力矩等關鍵參數的傳感器進行現場原位標定，并對試驗臺的原級檢驗證書進行檢查[6]。標定結果表明，傳感器的測量精度符合合同規定。經過分析與計算：模型驗收試驗臺的綜合誤差為±0.155%，模型復核試驗臺的綜合誤差為±0.1093%，都符合合同規定的不大于±0.25%的要求。

2.1 能量試驗

2.1.1 水輪機工況能量試驗

水輪機工況能量試驗主要進行了效率試驗。水輪機工況效率試驗包括最優點效率試驗和加權平均效率試驗，都是在不發生空化的條件下進行的，模型試驗水頭為55m。將測量得到的模型效率按照IEC 60193—1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》規定的兩步法，即可換算到原型效率[7]。取10次測量的效率平均值作為模型最優效率，水輪機工況效率試驗的結果如表2所示。從表2中可看出，水輪機工況效率復核試驗與驗收試驗結果基本一致，水輪機工況模型加權平均效率、原型加權平均效率均符合合同規定。

表2 水輪機工況效率試驗結果Table 2 Results of efficiency test for hydraulic turbine condition

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2.1.2 水泵工況能量試驗

水泵工況能量試驗包括效率試驗、流量試驗、最大入力試驗和駝峰試驗，各項試驗結果如表3所示。

水泵工況效率試驗包括最優效率試驗和加權平均效率試驗。從表3中可看出，水泵工況效率復核試驗與驗收試驗結果基本一致，水泵工況模型最優效率、原型最優效率、模型加權平均效率和原型加權平均效率均符合合同規定。

水泵工況流量試驗進行了水泵協聯工況揚程—流量特性曲線試驗，得到了最小毛揚程392m和最大毛揚程454m下所對應的水泵最大流量和最小流量值，并由此計算出了水泵平均流量。從表3中可看出，水泵工況流量復核試驗與驗收試驗結果基本一致，水泵工況最小流量、最大流量和平均流量均符合合同規定。

水泵工況最大入力試驗是在導葉開度25°、頻率50.5Hz的工況下進行的，所得到的原型最大入力考慮了可能的原模型比尺換算偏差[8]。從表3中可看出，水泵工況最大入力復核試驗與驗收試驗結果基本一致，水泵工況原型最大入力符合合同規定。

水泵工況駝峰試驗是在導葉開度16°、頻率49.8Hz的工況下進行的。從表3中可看出，水泵工況駝峰復核試驗與驗收驗收結果相同，在頻率為49.8Hz時，駝峰裕度為2.91%，符合合同不低于2.50%的規定。

表3 水泵工況能量試驗結果Table 3 Results of energy test for pump condition

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2.2 壓力脈動試驗

2.2.1 水輪機工況壓力脈動試驗

水輪機工況壓力脈動試驗是在原型水頭410m、452m以及電站裝置空化系數下進行的，測點分布在尾水管、無葉區、頂蓋以及蝸殼進口，試驗結果如表4所示。從表4中可看出，水輪機工況壓力脈動復核試驗與驗收試驗結果基本一致，各測點處的最大壓力脈動值均符合合同規定。

表4 水輪機工況壓力脈動試驗結果Table 4 Results of pressure pulsation test for hydraulic turbine condition

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2.2.2 水泵工況壓力脈動試驗

水泵工況壓力脈動試驗范圍涵蓋水泵的全部運行工況，在裝置空化系數下進行，測點位置與上述水輪機工況壓力脈動試驗測點位置相同，試驗結果如表5所示。從表5中可看出，水泵工況壓力脈動復核試驗與驗收試驗結果基本一致，在水泵工況正常運行揚程范圍內，各測點處最大壓力脈動值均符合合同規定，沒有異常壓力脈動出現。

表5 水泵工況壓力脈動試驗結果Table 5 Results of pressure pulsation test for pump condition

2.3 空化試驗

2.3.1 水輪機工況空化試驗

水輪機工況空化試驗僅在模型驗收試驗時進行，重點針對水輪機額定工況點進行了試驗，試驗結果如表6所示。從表6中可看出，在水輪機額定水頭額定工況點，電站裝置空化系數σp均大于初生空化系數σi和臨界空化系數σ0.5，安全裕量較大，符合合同規定。

表6 水輪機工況空化動試驗結果Table 6 Results of cavitation test for hydraulic turbine condition

2.3.2 水泵工況空化試驗

水泵工況空化試驗是在最大毛揚程454m、最小毛揚程392m共2個工況進行的，試驗結果如表7所示。從表7中可看出，水泵工況空化復核試驗與驗收試驗結果基本一致，裝置空化系數σp均大于初生空化系數σi和臨界空化系數σ0.5，符合合同規定。

表7 水泵工況空化動試驗結果Table 7 Results of cavitation test for pump condition

圖1 水泵水輪機全特性試驗結果（n11～Q11特性曲線）Figure 1 Results of full characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and Q11)

2.4 飛逸轉速試驗

飛逸轉速試驗在100%額定開度下進行，試驗結果如表8所示。從表8中可看出，飛逸轉速復核試驗與驗收試驗結果相等，在100%額定開度下，相應的原型飛逸轉速為571.9r/min，符合合同不大于600r/min的規定。

表8 飛逸轉速試驗結果Table 8 Results of runaway speed test

圖2 水泵水輪機S特性試驗結果（n11～T11特性曲線）Figure 2 Results of “S” characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and T11)

2.5 全特性試驗

模型驗收試驗和模型復核試驗均在臨界導葉開度14°時進行了完整的全特性試驗。除此之外，模型驗收試驗在導葉開度為6°和8°下進行了S特性試驗，模型復核試驗在導葉開度6°、8°和11°下進行了S特性試驗。水泵水輪機全特性試驗結果詳見圖1，S特性試驗結果詳見圖2。從圖1和圖2中可看出，模型驗收試驗與模型復核試驗的結果基本一致。水輪機工況S區穩定并網的最低水頭試驗值為303.83m；考慮電網正常的頻率變化，水輪機正常運行的最低凈水頭為381.94m，相應水輪機工況S區穩定并網水頭裕量高達78.11m，符合合同大于42m的規定。

3 結論

福建周寧抽水蓄能電站水泵水輪機模型試驗結果說明：水泵水輪機的效率、流量、壓力脈動等各參數均符合采購合同的規定，符合電站安全運行的要求；水泵水輪機的水力設計比較先進，S特性良好，安全裕量高達78.11m，可實現安全平穩開機與并網。以模型試驗的數據為基礎，可計算出原型性能，為原型的設計及制造、安裝及運行提供了可靠的依據。