廣東楓樹壩水電站水輪機絕對效率試驗及結論

劉 鵬，曾維強，付志遠

（1.廣東粵電楓樹壩發電有限責任公司，廣東 龍川 517300；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 工程概況

楓樹壩電廠位于東江流域上游干流，廣東省龍川縣赤光鎮梅光村附近，位置約為北緯24°24'54.04"、東經115°21'18.35"。該電廠至河源市龍川縣的路程約60 km。

電廠于1974 年建成投產，是以防洪、供水和發電為主的綜合利用工程。水庫是一座不完全年調節水庫。控制流域面積為5 150 km2，水庫最大庫容19.4 億m3，設計正常高水位166.00 m，對應庫容為15.3 億m3。大壩為寬縫重力壩。壩內式廠房裝設有兩臺混流式水輪發電機組，裝機容量為200 MW。

楓樹壩電站2 號機組于1974 年11 月發電，原裝機容量80 MW，2009 年5 月完成機組增容改造工作，改造后裝機容量為100 MW，引水鋼管半徑R為2.75 m；尾水管為4H 加長型，橫直管段矩形斷面面積約60 m2(10 m×6 m)。其主要參數如表1 和表2 所示。

表1 發電電動機主要參數

表2 水輪機主要參數

2 試驗概述

本研究需對廣東楓樹壩水電站開展水輪機絕對效率試驗，試驗項目如表3 所示。

表3 水輪機絕對效率試驗項目一覽表

本研究開展基于流速儀法的水輪機原型效率試驗，具體內容包括：

（1）根據IEC 和國標規程的要求,分析不同流量測量方法的特點。對安裝適應性強、復雜程度高的流速儀法設計一套適用的測量支架[1]。流速儀法采用的測量傳感器較多，擬針對性的設計一種基于流速儀法的優化安裝測量支架，既能保證足夠的結構強度，又能夠將支架本身對擾流的影響減到最小，從而獲取充分而準確的流速數據。

（2）選取適合的測試位置及采用最優的積分算法進行試驗，控制測試誤差最小。針對電站2 號機組的流道特點，分析流態對測量位置的影響，選取最優測量位置和方式。通過密布的流速儀傳感器，開展計算分析，獲取不同位置的流態分布，為真機測流結果的比較和驗證提供基礎數據。研究不同積分算法對流量及水輪機效率測量不確定度的影響，比較其誤差分析結果，最終得到適合楓樹壩水電站2 號機組的流量積分算法。

（3）采用流速儀法測量機組在試驗水頭下的流速分布,利用平均流速法計算機組流量,測量出工作水頭與機組出力,最終計算出原型機組效率并率定機組Winter-Kennedy 系數[2]。開展研究應用。與機組模型試驗報告進行分析，為優化機組耗水率，提高機組經濟運行水平提供基礎數據支持。

（4）分析試驗數據和成果，出具試驗及研究報告。分析測試數據，編制試驗報告。歸納研究分析成果，對水輪機的效率進行分析，為機組經濟運行提供實踐指導。

3 水輪機絕對效率試驗

3.1 試驗原理

流速儀法測流量時，要求把一定數量的流速儀布置在封閉過流管道適當斷面的測點處。試驗時，利用流速儀測量過流斷面的各點流速，然后沿斷面積分求得過流斷面的流量Q，進而計算出水輪機的絕對效率。

水輪機效率計算公式為：

式中：

——Pt，水輪機輸出功率，kW

——Ph，水輪機輸入功率，kW

——ρ，水的密度，根據水溫和絕對壓力在IEC 60041 附錄E 中查得，kg·m-3

——Q，水輪機流量，m3·s-1

——g，當地重力加速度，根據現場緯度和海拔計算得出，m·s-2

——H，水輪機工作水頭，m

3.2 設備安裝

根據GB/T 20043 試驗規程[3]的要求，對于圓形斷面的壓力鋼管至少須有13 個測點，其中需要有一點布置在管道中心。每一半徑上的測點數目（Z），除中心點外，可根據GB/T 20043 試驗規程確定，其中R為管道內半徑，以m 計。邊壁流速儀軸線距管壁至少應為流速儀旋轉直徑的0.75 倍以上，相鄰流速儀的間距應大于流速儀直徑1.2 倍。ISO 3354-2008[4]推薦圓形斷面測點布置如圖1 所示。

圖1 流速儀支架及測量斷面尺寸圖

流速儀安裝支架固定在壓力鋼管內。流速儀支架及流道斷面尺寸如圖1 所示，經計算，斷面面積為23.76 m2。

流速儀支架共有6 個支臂，每個支臂上按ISO 3354-2008 推薦的測點位置布置7 個流速儀，加上中心處一個流速儀，共計43 個流速儀。流速儀的信號線纜固定在安裝支架上，一起封裝延長至支架頂端，沿著管道內壁由蝸殼測壓孔處引出。

3.3 試驗結果

采用符合GB/T 20043 試驗規程[3]的方法進行采集記錄，試驗工況點為有功功率階梯式升至最高負荷。負荷點為：10.2 MW、17.6 MW、24.3 MW、31.4 MW、45.8 MW、54.6 MW、59.9 MW、70.8 MW、75.0 MW、78.9 MW、84.2 MW，在以上負荷下采集各流速儀的流速[4]。部分負荷點6個支臂采集的流速值如圖2所示。

圖2 部分負荷點采集的流速值

根據GB/T 20043 試驗規程流速儀法由水輪機凈水頭換算計算所得額定水頭61 m 下的流量來計算水輪機效率，同時采集水輪機出力、水輪機蝸殼壓差數據、水庫水位、導葉開度等數據。

標定的水輪機蝸殼壓差WINTER-KENNEDY 系數、流量與水頭損失關系曲線、水輪機出力與水頭損失關系曲線、水輪機效率與水輪機出力關系曲線、導葉開度與水輪機過流量關系曲線、導葉開度與水輪機出力關系曲線、機組有功功率與耗水率關系曲線、真機試驗結果與原型試驗換算效率曲線對比見圖3~10。

圖3 水輪機蝸殼壓差的WINTER-KENNEDY 系數（61 m）

圖4 流量與水頭損失關系曲線（61 m）

圖5 水輪機出力與水頭損失關系曲線（61 m）

圖6 水輪機效率與水輪機出力關系曲線（61 m）

圖7 導葉開度與水輪機流量關系（61 m）

圖8 導葉開度與水輪機出力關系（61 m）

圖9 機組有功功率與耗水率關系（61 m）

圖10 原型實測效率與原型設計效率對比（61 m）

4 結論

綜上所述，廣東楓樹壩水電站水輪機效率在水輪機出力0~76.146 MW 間隨著出力增大而增高，76.146 MW 時達到最高的94.67%，而后隨著出力增大而降低。機組耗水率隨著水輪機出力的增大而降低，當前試驗水頭下，機組有功在45.8 MW 以上運行時，機組耗水率低于7 m3/（kW·h），建議盡量使機組在高負荷區運行，減少發電耗水，從而提升發電效益[5]。