河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗

熊從峰，潘軍偉，雷家旺，胡旺興

（河南新華五岳抽水蓄能發電有限公司，河南 光山 213334）

1 概況

2021 年12 月，河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機模型在東方電機DF-150 水力機械通用試驗臺上進行了最終驗收試驗。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[1-3]。

模型驗收及模型復核試驗均以《河南新華五岳抽水蓄能電站機組及其附屬設備采購合同》及水泵水輪機模型驗收試驗相關規范為依據。

模型水泵水輪機包括轉輪、蝸殼、座環、導葉、尾水管等，流道與原型水輪機幾何相似。原型水泵水輪機轉輪進水邊Φ4.419 m，出水邊Φ2.945 m；模型轉輪進水邊Φ0.450 157 m，出水邊Φ0.300 m；原模型尺寸比為9.816 667。活動導葉20 個，轉輪葉片9 個。

2 模型試驗臺

DF-150 水力機械通用試驗臺可以進行水輪機、水泵、水泵水輪機等反擊式水力機械的水力性能試驗，試驗臺除進行水輪機、水泵、水泵水輪機等的常規水力性能試驗外，還可以進行導葉（槳葉）水力矩、軸向水推力、補氣、蝸殼壓差、流場測試、流態觀測、四象限特性等試驗以及其它用戶要求的特殊試驗。試驗臺的模型尺寸、試驗水頭、雷諾數等試驗參數均滿足IEC 有關規程的規定。最高試驗水頭150 m；最大流量1.50 m3/s；測功電機功率500 kW；測功電機最高轉速2 500 r/min；模型轉輪直徑范圍250～500 mm；綜合效率測試精度為±0.25%。

3 主要試驗結果

3.1 水輪機工況能量試驗

模型驗收試驗水頭為40 m，最優工況模型雷諾數為ReUmopt=4.730 7×106(Tw=18.75℃）。按恒水頭40 m 變轉速進行試驗。

（1）水輪機最優效率點

水輪機最優效率在無空化條件下試驗，對最優效率點測量10 次，取其平均值，模型效率為92.73%，換算到原型機效率為94.62%。水輪機最優效率見表1。

表1 水輪機最優效率

試驗結果表明換算到原型的水輪機最優效率滿足合同要求。

（2）水輪機加權平均效率

加權平均效率試驗在電站空化系數條件下進行，對Hp=269.62 m、260 m、250 m、241 m、230 m、220 m、214.66 m 下的水輪機加權平均效率因子工況點進行了復核，水輪機加權平均效率結果見表2。

表2 水輪機加權平均效率

根據模型試驗結果，模型水輪機加權平均效率 89.93%，預期的原型水輪機加權平均效率為91.81%，滿足合同要求。

3.2 水輪機工況空化試驗

試驗水頭40 m，空化參考面為導葉中心線。臨界空化系數σc值采用σ0.5，σ0.5 指與無空化工況效率相比，效率降低0.5%時的空化系數。初生空化系數σi定義為在2 個轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。對試驗用水進行30 min的抽氣運行后開始空化試驗。利用閃頻儀對所有空化現象包括氣泡、旋渦的發生、發展進行觀測拍照[4]。

驗收試驗對額定工況做了空化復核驗收，驗收試驗與初步試驗結果吻合，滿足合同對無空化運行的要求。

3.3 水輪機工況飛逸轉速試驗

在試驗水頭10 m，導葉開度為3°、18°、28.8°（額定開度）、32°，高空化系數條件下進行飛逸轉速特性試驗，調節測功電機的轉速，使水輪機輸出力矩近似為0（絕對值小于1.0 N.m），測量模型水輪機的單位飛逸轉速n11R[5]。試驗結果見表3。

表3 水輪機飛逸轉速

驗收試驗與初步試驗結果吻合，水輪機飛逸轉速滿足合同保證值要求。

3.4 水輪機工況壓力脈動試驗

在試驗水頭40 m，電站空化系數條件下進行水輪機工況壓力脈動試驗，空化系數參考面以導葉中心線為準。測試系統完成各通道信號的同步采樣，記錄時域上的模擬信號波形，調用FFT 分析處理模塊對信號進行頻譜分析，確定主要分頻幅值及其對應的頻率[6]。壓力脈動試驗采樣速率為2 000 Hz，采樣時間16 s，混頻峰峰值采用97%置信度，水輪機工況壓力脈動試驗結果見表4。

表4 水輪機工況壓力脈動試驗

試驗結果表明，水輪機壓力脈動驗收結果滿足合同要求。

3.5 水輪機工況異常低水頭試驗

上庫進水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛水頭為200.816 m，驗收試驗在推薦導葉角度20°下進行。

異常低水頭能量與空化、壓力脈動試驗結果見表5、表6、表7。

表5 異常低水頭能量試驗

表6 異常低水頭臨界空化系數試驗和初生空化系數試驗

表7 異常低水頭壓力脈動試驗

初生空化試驗表明，在電站空化系數（σp=0.462 7）下未觀察到葉片上出現任何氣泡，即在該工況下水輪機可以無空化運行。

水泵水輪機允許運行至異常低毛水頭200.816 m（上庫進水口最低水位），推薦的運行開度為20.0°。

3.6 水泵工況能量性能試驗

水泵性能試驗按恒轉速1 000 r/min 進行，在無空化條件下試驗。根據空化試驗結果，無空化條件與電站空化系數條件下的試驗結果一致。試驗開度范圍α=12°～34°，開度間隔2°，流量系數范圍0.10～0.40，覆蓋完整的水泵運行范圍。所有開度的試驗完成后求出水泵的協聯運行曲線。

水泵模型效率值為按二步法換算到模型雷諾數ReuM*＝7.0×106下的效率值。

（1）水泵工況最優效率

對最優效率點測量10 次，取其平均值，模型最優效率為92.17%，換算到原型機最優效率為93.91%。試驗結果見表8。

表8 水泵工況最優效率

驗收試驗與初步試驗結果吻合，水泵最優效率滿足合同保證值要求。

（2）水泵加權平均效率

對合同要求的水泵所有加權平均因子工況點進行了復核，加權平均效率計算結果見表9。

表9 水泵加權平均效率

根據模型試驗結果，模型水泵加權平均效率 91.94%，預期的原型水泵加權平均效率為93.69%，滿足合同要求。

（3）水泵工況最大入力

水泵工況最大入力在最小毛揚程222.32 m、對應的頻率分別為50.5 Hz 和50.0 Hz、電站空化系數條件下進行。試驗結果表明，在頻率為50 Hz 時包括原模型換算誤差在內的水泵工況最大輸入功率為252.97 MW，在電網正常頻率變化范圍內、包括原模型換算誤差在內的原型水泵工況最大輸入功率為262.2 MW，對應的頻率為50.5 Hz。

水泵工況最大入力滿足合同不大于267 MW 的要求。

（4）水泵流量特性

在50.0 Hz 頻率條件下，對最大、最小毛揚程下進行平均流量試驗，試驗在電站空化系數條件下進行，結果見表10。

表10 水泵流量特性

試驗結果表明，水泵流量特性滿足合同水泵平均流量不小于89.3 m3/s 的要求。

（5）駝峰區裕度

在水泵最大揚程對應的導葉開度16°下進行水泵駝峰裕度試驗，根據模型試驗結果計算水泵最大揚程時的駝峰裕度，結果見表11。

表11 水泵駝峰區裕度

驗收試驗與初步試驗結果吻合，駝峰區裕度滿足合同保證值要求。

3.7 水泵工況空化試驗

試驗轉速恒定為1 000 r/min，空化參考面為導葉中心線。臨界空化系數σc值采用σ0.5。對試驗用水進行30 min 的抽氣運行后開始空化試驗。在小于最優流量的運行區域，初生空化系數σi定義為在2 個及以上轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。利用閃頻儀對所有空化現象的發生、發展進行觀測拍照。

在正常頻率變化范圍內，空化性能驗收試驗結果見表12。

表12 水泵工況空化性能試驗

驗收試驗與初步試驗結果吻合，水泵工況空化性能滿足合同保證無空化運行的要求。

3.8 水泵工況壓力脈動試驗

試驗轉速1 000 r/min，在電站空化系數條件下進行試驗，空化系數參考面以導葉中心線為準。水泵工況壓力脈動試驗結果見表13。

表13 水泵工況壓力脈動試驗

試驗結果表明：尾水管錐管進口壓力脈動幅值不大于0.9%，滿足合同保證值不大于1.0%的要求，無優勢頻率成分。導葉與轉輪之間正常運行工況壓力脈動幅值不大于2.5%，滿足合同保證值不大于2.5%的要求，頻率為9 倍轉頻，為葉片通過頻率。

3.9 異常低揚程試驗

上庫進水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛揚程為200.816 m，驗收試驗在推薦導葉角度10°下進行。

異常低揚程能量、空化和壓力脈動試驗結果見表14、表15、表16。

表14 異常低揚程能量試驗

表15 異常低揚程臨界空化系數試驗和初生空化系數試驗

表16 異常低揚程壓力脈動試驗

初生空化試驗表明，在電站空化系數（σp=0.432 9）下未觀察到葉片上出現任何氣泡，即在該工況下水泵可以無空化運行。

水泵水輪機允許在異常低毛揚程200.816 m（上庫進水口最低水位）啟動向上庫充水運行，推薦的運行導葉角度為10°。

3.10 水泵工況零流量試驗

對水泵工況下的導葉開度3°、2°、1°進行了零流量試驗。在最小導葉開度1°下的壓力脈動最大相對幅值試驗結果見表17。

表17 水泵工況零流量試驗

驗收試驗與初步試驗結果吻合，零流量揚程、輸入功率和壓力脈動幅值滿足原型機組在正常頻率范圍內的合同保證要求。

3.11 四象限全特性和“S”區余量試驗

在高空化系數下進行的水泵水輪機四象限特性試驗，試驗水頭不低于10 m。試驗導葉角度為3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°、28.8°、30°、32°。試驗工況包括水輪機工況、水輪機制動工況、反水泵工況、水泵工況、制動工況。

四象限全特性試驗結果見圖1。

圖1 四象限特性試驗單位流量與單位轉速關系曲線

根據試驗結果，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)，水泵水輪機在空載開度范圍(導葉角度約3.0°～6.0°)內，等導葉角度線與飛逸線交點處均處于安全穩定的負斜率區域，未出現正斜率現象，并且還有較大的安全余量。“S”特性區臨界點的判斷標準為在M11～n11（M11 為單位力矩，n11 為單位轉速）四象限特性曲線上，觀察導葉開度線與n11 坐標軸（M11=0）的交點處，其切線與n11 坐標的夾角等于90°時即為“S”特性區臨界點[7]。該處的n11 值考慮正常頻率變化換算成的水頭與最小水頭的差值即為安全余量，計算結果見表18。

安全余量計算結果見表18。

表18 安全余量計算結果

模型試驗結果表明水輪機在空載開度（3.0°～6.0°）區域完全無“S”特性，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)條件，穩定區域具有72.83 m的安全余量，而在額定頻率(50.0 Hz)條件下，穩定區域具有74.02 m 的安全余量，滿足合同保證值不小于70 m 安全余量的要求，能確保水輪機空載平穩并網。

4 尺寸檢查

對水泵水輪機模型轉輪、過流部件等關鍵部件和關鍵部位尺寸進行了抽查，抽查結果與設計值的偏差滿足IEC 60193 規程規定的偏差要求。

5 結論

河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗按照采購合同、驗收試驗大綱及有關規范要求進行，通過針對五岳電站水泵水輪機水力模型的多輪水力開發，篩選出的模型水泵水輪機用于五岳電站是適宜的，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，S 特性良好，安全余量高達74.02 m，可實現安全平穩開機與并網。