五強溪水電站擴機工程水輪機模型復核試驗及性能分析

王建新，何旭輝，袁世鐸

（五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 沅陵 419642）

1 前言

五強溪水電站位于沅水干流中下游，湖南沅陵縣境內，上游距沅陵縣城73 km，下游距常德市130 km。電站以發電為主，兼有防洪、航運等綜合效益的樞紐工程。五強溪電站現裝機1 200 MW(5×240 MW)，保證出力262.7 MW，多年平均發電量53.29億kW·h，年利用小時數4 441 h，水量利用率80.94%。五強溪水電站擴機工程為岸邊式廠房，總裝機500 MW，裝機2臺，年利用小時數為1 117 h，多年平均年發電量為5.583億kW·h。

本次水輪機模型復核試驗在中國水利水電科學研究院水力機械實驗室TP3試驗臺上進行，本次模型試驗的目的是：通過模型復核試驗，驗證設備廠家提出的模型試驗報告成果的真實性，試驗內容包括模型的各種特性的抽查復核和對比，重點是水力穩定性。通過開展水輪機模型同臺復核試驗，對比模型試驗資料預測原型機組的穩定性，掌握水輪機組主要水力性能及其穩定性狀況，合理劃分機組的安全穩定運行區域，其經濟和社會效益巨大。五強溪電站擴機水輪機模型復核試驗主要包括：

對復核試驗時所采用的儀器進行標定；

出力及效率試驗；

空化試驗；

壓力脈動試驗；

葉道渦和卡門渦觀察試驗；

非遺轉速試驗。

2 五強溪電站擴機水輪發電機組主要參數

2.1 五強溪擴機機組運行條件

上游校核洪水位(P=0.1%） 114.53 m

上游設計洪水位(P=0.5%) 111.14 m

上游正常蓄水位 108.00 m

上游死水位 90.00 m

下游設計洪水位(P=0.5%) 74.61 m

下游校核洪水位(P=0.1%) 76.25 m

最大水頭 58.90 m

最小水頭 33.70 m

加權平均水頭 46.73 m

額定水頭 43.50 m

多年平均水溫 18.00 ℃

多年平均氣溫 16.70 ℃

水輪機額定轉速 68.2 r/min

水輪機安裝高程 49.00 m

水輪機額定出力 255.1 MW

電站所在地重力加速度 9.792 145 m/s2

2.2 五強溪電站水輪機模型復核試驗參數對照表

表1 五強溪電站水輪機模型復核試驗參數對照表

2.3 模型水輪機

2.3.1 模型水輪機概述

設備廠家針對湖南五強溪電站擴機工程開發的模型水輪機（型號為A1563）包括蝸殼、座環、頂蓋、導葉、轉輪、底環和尾水管等部件，其材料為金屬材料，其中尾水錐管采用了透明有機玻璃制造，可以對轉輪出口區及尾水錐管區的流態進行直接觀察。模型從蝸殼進口處延伸至尾水管末端與水輪機真機相似。

2.3.2 模型水輪機流道尺寸

表2 模型水輪機流道尺寸表

2.3.3 原模型水輪機主要控制尺寸

表3 原模型水輪機主要控制尺寸表

3 復核試驗結果

3.1 出力及效率試驗

3.1.1 模型最優效率試驗

試驗水頭：H≥25 m；通過調整活動導葉開度和水輪機模型試驗轉速進行水輪機最優效率點的復核試驗，最優效率點復核試驗在能量工況下進行。

試驗水頭為25 m，模型轉輪直徑D2m=0.374 37 m，模型試驗水溫在12℃～30℃之間。因此，試驗水溫下水的最大運動粘性系數：

因此，模型雷諾數ReuM*為：

原型水輪機效率按兩步法換算，最優效率點復核試驗結果見表4。表中給出的復核試驗模型效率值均為換算到標準雷諾數下的值，原型效率均采用兩步法換算，后表同。報告中兩步法換算用D2，單位參數換算用D1。

表4 最優效率點復核試驗結果

3.1.2 水輪機加權因子點效率試驗

試驗水頭：H≥25 m，空化系數：σ=σp；電站空化系數參考面為導葉中心線；水輪機加權因子的效率復核試驗在電站空化系數下進行，在每一代表電站運行特征水頭下通過調整活動導葉開度復核各水輪機出力下的效率。

水輪機加權因子的效率投標值復核試驗結果見表5，因數據較多，本文僅選取33.7 m、43.5 m、58.9 m 3個特征水頭復核試驗數據。

表5 水輪機加權因子的效率復核試驗結果

通過計算水輪機工況加權平均效率，與設備廠家試驗數值的比較見表6。

表6 水輪機加權平均效率與設備廠家試驗數值比較

3.1.3 水輪機出力試驗

試驗水頭：H≥25 m；空化系數：σ=σp；電站空化系數參考面為導葉中心線；

在額定轉速條件下，對保證原型水輪機出力的設備廠家試驗值進行復核，數據結果見表7。

表7 水輪機在額定轉速條件下，保證原型水輪機出力復核試驗結果

復核試驗結果表明，復核試驗與設備廠家試驗結果吻合，最優點效率與加權平均效率復核實驗結果均略優于設備廠家試驗結果。

3.2 空化試驗

進行初生空化系數及臨界空化系數試驗，在電站空化系數下對轉輪葉片空化、葉片進水邊正壓面和負壓面空化的初生線與發展進行觀測、拍照或錄像，試驗前應對前一天的試驗結果進行部分復核；電站空化系數參考面為導葉中心線。試驗水頭：H≥25 m；水中空氣含量滿足IEC要求；空化試驗內容見表8，復核試驗結果見表9；葉片進水邊正壓面和負壓面空化初生線觀察，見表10和表11。

（1）初生空化系數σi的定義為隨著尾水管的真空度的增加，在三個轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。臨界空化系數σc值采用σ1，σ1指與無空蝕工況效率相比，效率降低1%時的空化系數。

（2）葉片進水邊正壓面和負壓面空化初生線的判定準則：根據在復核試驗時，通過內窺鏡在轉輪進口處觀察轉輪葉片上出現目測可見氣泡來確定。

（3）在初生空化系數、電站空化系數及臨界空化系數下進行觀測和圖像記錄。

復核試驗數據見表8，典型點照片見表9。

表8 空化復核試驗結果與設備廠家試驗值的比較

表9 部分典型工況對應圖像

復核試驗結果表明，在電站全部正常運行范圍內，電站空化系數σp與臨界空化系數σ1的比值k1、電站空化系數σp與初生空化系數σi比值安全裕量ki均略優于設備廠家試驗值。

3.3 壓力脈動試驗

壓力脈動復核試驗，在電站空化系數下進行，空化系數參考面為導葉中心線，測定與水流不穩定或尾水管渦帶有關的蝸殼、轉輪與導葉之間、頂蓋與轉輪上冠之間及尾水管的壓力脈動的幅值和頻率，測壓孔布置應位于能測量壓力脈動最大幅值的位置。

壓力脈動復核試驗在不補氣的條件下進行，試驗內容包括不同水頭不同負荷壓力脈動試驗。試驗數據采用FFT分析軟件進行幅頻特性分析，試驗結果給出各測點的時域圖、頻域圖及相關試驗數據表格。

復核詳情見表10、表11。

表10 尾水管壓力脈動混頻雙振幅投標值復核試驗結果（±Y0.3D2）

表11 導葉后、轉輪前區域壓力脈動混頻雙振幅投標值復核試驗結果

復核試驗表明，在整個運行范圍，壓力脈動的幅值滿足要求，在整個運行區內未出現高部分負荷壓力脈動。空化系數壓力脈動試驗結果表明空化系數的變化對壓力脈動幅值影響不大，在33.70 m～58.90 m運行水頭條件下，水輪機能夠在空載以及45%～100%出力范圍內連續安全穩定運行。

3.4 葉道渦和卡門渦觀察試驗

通過目測觀察轉輪葉片出口側同時在3個轉輪葉道間開始出現的渦流，并根據觀測結果在水頭和出力關系圖中繪制出口側葉道渦初生線。

通過目測觀察轉輪葉片出口側的發展葉道渦（所有流道同時出現），并根據觀測結果在水頭和出力關系圖中繪制出口側葉道渦發展線,詳見表12。

表12 葉道渦初生和發展線復核試驗結果

通過目測觀察轉輪葉片出口邊可見卡門渦現象，并根據觀測結果在水頭和出力關系圖中繪制可見卡門渦發生線，詳見表13。

表13 可見卡門渦范圍

3.5 飛逸轉速試驗

試驗在能量工況下進行，試驗水頭：H≥10 m，復核情況見表14。

表14 飛逸轉速復核試驗結果

復核試驗表明，試驗結論與設備廠家試驗試驗結果吻合。在100%導葉開度時單位飛逸轉速與換算到最大水頭時飛逸轉速均略優于設備廠家試驗結果。

4 復核試驗小結

通過在第三方中立試驗臺進行五強溪擴機工程水輪機模型復核試驗，驗證設備廠家提出的模型試驗報告成果的真實性，可信度高。復核試驗表明A1563模型水輪機最優效率、加權平均效率均略優于設備廠家試驗數值，滿足合同文件中相應要求；在額定水頭43.5 m、額定轉速68.2 r/min時，水輪機工況額定出力達到255.1 MW，滿足合同文件相應要求；A1563模型水輪機在規定的水頭范圍內有較高的效率，且效率曲線變化平緩，在正常運行范圍內可長期連續安全穩定運行；A1563 模型水輪機空化性能滿足合同文件要求，空化性能優異，具有較大的空化安全裕度；在整個運行范圍，A1563 模型水輪機壓力脈動幅值滿足合同文件要求，在整個運行區內未出現高部分負荷壓力脈動，電站不同空化系數對壓力脈動幅值影響不大；在額定開度下，換算至最大水頭下對應飛逸轉速優于設備廠家試驗數值，兩者均優于合同要求；流態觀測方面，在電站運行范圍內，未發現葉片進水邊正、背面脫流及可見卡門渦現象[1]。

綜上分析，A1563模型水輪機綜合性能優良，具有良好的效率、出力、空化、飛逸和穩定性性能，各項性能指標均滿足五強溪水電站擴機工程水輪機安全、穩定、高效運行的要求。