丹江口小机组水轮机改造模型的试验成果分析

王振宇,王黎明

(1.湖北汉江王甫洲公司发电厂,湖北 老河口 441800;2.丹江口水利枢纽小水电有限公司,湖北 老河口 442700)

1 前 言

丹江口水利枢纽小水电有限公司自备防汛电厂,是一个利用丹江口水利枢纽大坝第八坝段 1号深孔进行改造、兴建的坝后式水力发电企业,其主要任务是为丹江口水利枢纽提供安全、可靠的防汛备用电源。防汛电厂的位置设在大坝 6～8坝段下游侧,距大坝轴线 107m,电厂的高程确定为上游水位157m高程,下游水位 92m高程。电厂在坝上第 8坝段上游侧设有拦污栅、检修闸门和固定吊杆的平台及装置。厂内安装 2台单机容量为 25MW的混流式水轮发电机组,年设计发电量 9200kW·h,机组引水采用 φ3.8m的钢管,然后分成 2条 φ3m的支管。机组的主要技术参数见表1。

由于“南水北调中线方案”工程需要从丹江口水利枢纽水库提水,使水自流向“北方”,因此丹江口水利枢纽大坝将加高到 176.6m海拔高程,比原来高程增高 14.6m,大坝常年蓄水位变为 170m高程。这将使丹江口水利枢纽小水电有限公司自备防汛电厂的水轮发电机组的运行参数发生较大的变化,具体数据见表2。

由于自备防汛电厂的水能计算是在不考虑“南水北调”、“抬高运行水位”、“加高大坝”等前提条件下,水库的高度确定和运用方式与库水位 157m的水利规划基本一致情况下计算得出的,因此由大坝加高而引起的水头提高,将对自备防汛电厂的发电设备、金属结构产生不利的影响,甚至产生一定的破坏作用。例如,大坝加高后,电厂发电的年平均运行水头抬高 10m,水轮机发电机组绝大部分时间在 60 m以上水头区间运行,导叶开度明显减小,经常运行在 40%～70%左右。这时发电机组的水轮机运行区域严重偏离最优工况区,空化安全系数裕量偏小,水轮机的转轮长期在恶劣工况下运行。即使在额定出力下,转轮叶片进水边负压面将会出现涡流,导致转轮叶片进水边空化。这不仅对转轮叶片产生破坏,甚至可能造成转轮产生高频振动,危及水轮发电机组的安全、稳定运行。因此,自备防汛电厂必须对水轮发电机组的转轮进行改造。

2007年 4月,丹江口水利枢纽小水电有限公司委托华南理工大学电力学院对本公司的水轮机工作转轮进行改造模型设计,在其 HLD75-LJ-220水轮机的基础上,将水轮机的运行技术参数确定为:最大水头 78m,平均水头 68m,最小水头 53m;设计水头 66.5m(蜗壳进口测压点的值),设计流量42.6m3/s,发电机出力 25MW。

表1 机组主要技术参数

表2 水轮发电机组运行参数m

2 水轮机增容改造模型的一般要求① 丹江口水利枢纽小水电有限公司模型转轮设计技术开发合同书。

2.1 水轮机转轮改造模型技术指标

改造模型的转轮直径:D1=0.367m;

改造模型的转轮叶片数:n=13片;

改造模型的活动导叶数:Z=20个;

真机与模型机的比例:6.289。

2.2 水轮机转轮改造模型技术性能指标

最优单位转速:73～74r/m in;

最小单位转速:68r/min;

最大单位转速:83r/min;

最优单位流量:0.95～1.0m3/s;

设计单位流量:1.05～1.1m3/s;

设计点的空化系数σ:0.12～0.13;

压力脉动(ΔH/H):＜8%～9%;

最优效率:92.7%～93.5%;

设计工况效率:91.5%～92.0%。

3 水轮机增容改造模型试验结果② 丹江口水利枢纽小水电有限公司委托水轮机模型转轮试验合同书。

受丹江口水利枢纽小水电有限公司委托,东方电机股份有限公司于 2008年 3月 31日完成模型水轮机装置的加工工作,于 2008年 10月 24日～2008年 11月 29日对模型水轮机装置进行性能试验。

试验在东方电机股份有限公司水轮机转轮实验室进行,采用了 DF-60水力机械通用试验台(见图1)。DF-60试验台主要进行大流量的轴流式、贯流式和中低水头的混流式水轮机模型试验研究。

该试验台主要参数见表3。

3.1 试验项目

(1)能量试验;(2)空化试验;(3)压力脉动试验;(4)飞逸试验。

3.2 能量试验结果

模型水轮机最高效率 η=94.2%;模型水轮机额定效率 η=92.4%换算到原型机上额定效率 η=93.6%;原型水轮机额定流量 Q=41.6m3/s。

3.3 空化试验结果

额定点临界空化系数:σs=0.082。

表3 转轮试验试验台主要参数

3.4 压力脉动试验结果

在全部运行范围内压力脉动最大值为 6.0%;尾水管压力脉动混频幅值为 9.0%。

3.5 飞逸试验结果

模型水轮机使用最大开度 α=36°时,最大单位飞逸转速为 137.31r/min;电站最大水头 78m时,原型水轮机最大飞逸转速为 525.4r/min。

4 水轮机增容改造模型的见证试验

笔者于 2008年 12月 1日在与模型试验中完全相同的 DF-60水力机械通用试验台上,对设计的模型转轮进行了见证试验。

试验内容包括能量试验、空化试验、压力脉动试验、飞逸试验。现将见证试验内容、成果及结论介绍如下:

(1)模型能量见证试验结果与前期能量试验结果基本一致。在进行最低水头的能量试验同时进行了叶道涡流初生和发展现象的观察。

(2)额定工况点空化见证试验的临界空化系数σs=0.08,与初步空化试验的 0.082基本一致。

(3)见证组选取 9个工况点进行压力脉动见证试验。模型压力脉动见证试验结果与初步压力脉动试验结果基本一致。

(4)选取额定导叶开度 αr=29.5°进行飞逸试验见证。见证试验结果与初步试验结果基本一致。

笔者认为,试验装置模拟了丹江口水利枢纽小水电有限公司自备防汛电厂的流道,试验方已按照合同要求完成了初步试验。试验结果真实可靠,与初步试验结果基本一致。

图1 DF-60水力机械通用试验台的示意

5 水轮机增容改造模型的试验分析

公司自备防汛电厂水轮机改造模型,是华南理工大学电力学院在水轮机流态数值的计算机模拟分析(CFD)基础上,优化水轮机的水力设计和水力特性后设计制造的模型水轮机转轮。通过对原型水轮机流道全模拟模型上进行性能试验,以验证新开发的水轮机转轮各项水力性能参数是否满足模型转轮设计合同规定的保证值,模型试验结果将作为原型水轮机设计和验证出力、效率保证值的依据。

模型能量试验见图2。

由图 2可以看出:(1)模型水轮机最优工况效率 η=94.2%,最优单位转速 72r/min,最优单位流量 Q=0.8m3/s。(2)额定工况效率 η=92.4%(换算到原型机上额定效率为 93.6%),单位转速76.98r/min,单位流量 Q=0.853m3/s(换算到原型机上额定 Q=41.6m3/s)。参数值均在模型转轮设计要求之内。从额定工况来看,模型水轮机综合特性曲线图上反映出力线,落在效率曲线的 η=92%和 η=93%之间,水轮机的效率一般。从最优工况来看,模型水轮机综合特性曲线图上反映出力线,落在效率曲线的 η=93%和 η=94%之间,可认为水轮机的效率较好。

由于丹江口水利枢纽加高后的水库正常蓄水为170m,故改造后的水轮机也将长期在 170m水位工况下运行。

通过验证,空化试验结果为:额定点临界空化系数σs=0.082,σp/σs=1.98,均在模型转轮设计要求之内。

通过验证,压力脉动试验结果见图3。

(1)在全部运行范围内压力脉动最大值:ΔH/H=6.0%左右。(2)尾水管压力脉动混频幅值:ΔH/H=9.0%。从模型水轮机综合特性曲线压力脉动图上来看,模型导叶开度 15°时空化系数为最大,ΔH/H=9.0%,最优工况和额定工况下的空化系数分别为:ΔH/H=0.01。因此模型转轮空化试验结果比较理想,证明改造模型转轮空化性能较好。

通过验证,飞逸试验结果为:(1)模型水轮机使用最大开度 α=36°时,最大单位飞逸转速为137.31r/min(换算到原型机上的导叶开度为 α=122%)。(2)电站最大水头 78m时,原型水轮机最大飞逸转速为 525.4r/min。从模型飞逸试验结果上来看,水轮机最大飞逸转速为525.4r/m in。目前在用的水轮发电机组的最大飞逸转速为550r/min,所以满足改造后水轮发电机组的要求。

图2 模型转轮能量试验结果

图3 压力脉动试验结果

通过验证,换算到原型机上的额定流量Q=41.6m3/s,而设计给定流量 Q=42.6m3/s,从能量性能来说,模型机的性能比较理想。

6 结束语

丹江口水利枢纽小水电公司自备防汛电厂水轮机模型转轮试验的结果,证明华南理工大学电力学院设计出的适应丹江口水利枢纽大坝加高后新工况下的水轮机转轮,在能量、空化、飞逸等参数方面,具有好的性能,并有一定的裕度,满足本电厂的要求。