蒲石河抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验及性能分析

刘海辉，李冬阳，田树鹏

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.国家电网吉林敦化抽水蓄能有限公司，北京100044)

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县境内。电站装设4台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式机组，建成后并入东北电网，担任调峰、填谷、调频、调相和事故备用任务。2006年11月，辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司与哈尔滨电机厂有限责任公司签订了主机供货合同，法国ALSTOM公司提供技术支持。2007年12月，在法国ALSTOM公司水力机械实验室完成水泵水轮机模型验收试验。

1）电站基本参数：上水库正常蓄水位为392.0 m；上水库死水位为360.0 m；下水库正常蓄水位为66.0 m；下水库死水位为62.0 m；电站运行最大毛水头为330.0 m；电站运行最小毛水头为294.0 m。

2）水泵水轮机主要参数：转轮低压侧直径D1p为2750 mm；转轮高压侧直径D2p为4565 mm；转轮叶片数为9；活动导叶数为20；固定导叶数为20；额定转速为333.3 r/min；水泵工况最大输入功率不大于322 MW；水轮机工况额定输出功率为306 MW。

2 模型试验台及模型试验装置简介

法国ALSTOM水力机械实验室位于法国南部格林诺布市内。蒲石河水泵水轮机模型验收试验是在TP3试验台上进行的，该试验台为一封闭、模型立式安装试验台，具有设施齐全、试验技术先进、测试精度高等特点，可以进行水泵水轮机模型的效率、空化、飞逸、压力脉动、力特性、四象限等特性试验。试验台主要参数如下：

1）水泵特性试验方式：最大输入功率为360 kW；最高转速为2400 r/min；最大流量为0.9 m3/s；最高扬程为150 m。

2）水轮机特性试验方式：最大水头为100 m；最大流量为0.9 m3/s；最大输出功率为320 kW。

蒲石河电站模型机组由蜗壳、固定导叶、活动导叶及调节机构、转轮及轴系、尾水管等主要部件组成。模型机的蜗壳采用玻璃纤维和树脂结构，尾水直锥管上部为有机玻璃，下部及尾水肘管为金属焊接结构，转轮叶片为铜材质。模型机组主要参数如下：

转轮低压侧直径D1m为250 mm；转轮高压侧直径D2m为415 mm；转轮叶片数为9；固定导叶数为20；活动导叶数为20；活动导叶高度为52 mm；活动导叶分布圆直径为φ492 mm；固定导叶内切圆直径为φ553 mm；固定导叶外切圆直径为φ650 mm；尾水管高度为1090.88 mm（尾水管底面至导叶中心线高度）；蜗壳进口断面直径为φ266.36 mm；原模型比尺D2m/D2P为1/11。

3 模型验收试验主要结果

3.1 水泵水轮机能量试验

1）水泵工况能量试验。包括水泵工况效率试验、流量试验、输入功率试验、零流量试验和驼峰区裕量试验。试验扬程为34.8 m，试验转速为1200 r/min。主要试验结果见表1。

表1 水泵工况能量试验主要结果表

2）水轮机工况能量试验。包括水轮机工况效率试验和输出功率试验。试验水头为40.0 m，在电站装置空化系数下进行。主要试验结果见表2。

表2 水轮机工况能量试验主要结果表

3.2 水泵水轮机空化试验

1）水泵工况空化试验。由于水泵工况的空化性能对于水泵水轮机空化性能起关键作用，因此，在验收试验期间，不仅对初步试验报告中的试验工况点进行了重复性检验，同时增加了一些试验工况点。在验收试验时，主要对高扬程和低扬程运行工况初生空化现象进行观测，并确定初生空化系数。主要试验结果见表3。

2）水轮机工况空化试验。水轮机工况空化试验主要考察了在水轮机工况整个运行区域极限工况点的空化特性。主要试验结果见表4。

3.3 水泵水轮机压力脉动试验

根据合同要求，在模型机上共安装有5个压力脉动传感器：

表3 水泵工况空化试验主要结果表

表4 水轮机工况空化试验主要结果表

C1：蜗壳入口（高压参考剖面）；C2：导叶和转轮之间；C3：2个固定导叶之间；C4：顶盖和转轮之间；C5：尾水管锥管的下游侧。

1）水泵工况压力脉动试验。水泵工况压力脉动试验在电站装置空化系数下进行。主要试验结果见表5。

表5 水泵工况压力脉动试验主要结果表

2）水轮机工况压力脉动试验。水轮机工况压力脉动试验水头为HM=40.0 m，在电站装置空化系数下进行。主要试验结果见表6。

3.4 其它试验

飞逸转速试验、全特性（四象限特性）、导叶水力矩试验、Winter-Kennedy试验、水推力试验等均进行了验证，因篇幅有限，在此不一一介绍了，其试验结果可以作为原型机设计的参考。

3.5 模型通流部件的几何尺寸检查

在模型验收试验最后阶段，对模型机组通流部件进行了几何尺寸检查和测量，主要检测项目如下：蜗壳、尾水管过流部分的主要几何尺寸；导叶的翼型、导叶高度、导叶转角与开度的关系；固定导叶的翼型、安装角度及其主要尺寸；转轮外形尺寸、叶片开口、进口和出口断面翼型；转轮上、下迷宫尺寸；蜗壳与尾水管水头测量断面尺寸，各测量孔的位置等。

表6 水轮机工况压力脉动试验主要结果表

上述检测结果均符合尺寸的允许公差要求。转轮尺寸检查测量完成后，连同转轮叶片进、出口断面测量尺寸一起封存，不再进行修改，直到合同保证期结束。

3.6 模型试验主要结果分析

1）水泵水轮机效率。本电站原型水轮机加权平均效率为92.36%，原型水泵加权平均效率为93.73%，在国内已投产水泵水轮机中处于较高水平。

2）水泵水轮机空化特性。由于水泵工况叶片进口脱流区与低压区都发生在转轮进口区，而水轮机工况的脱流区与低压区分别发生在转轮进、出口附近，因此，水泵工况更具有空蚀危险性。

在本次模型验收试验中，根据合同要求对水泵水轮机空化特性进行了认真的试验，仔细观察了转轮进、出口和流道中气泡发生、发展的情况。验收试验结果表明在整个运行范围内（包括频率49.5～50.5 Hz变化范围内）满足合同要求。

3）水泵水轮机压力脉动。压力脉动验收试验在初步试验报告的基础上增加了试验工况点测试，对于整个正常的运行区域，无论是水轮机工况，还是水泵工况，尾水管的压力脉动测量幅值满足合同要求。

水轮机工况转轮进口和导叶出口之间的无叶区测点压力脉动幅值在空载及正常运行范围内满足合同保证值，但在空载（飞逸）工况当导叶开度大于12°时，导水叶和转轮之间（C2测点）压力脉动测量值将随着导叶开度的增加也逐级增大，在导叶开度为20°时，压力脉动幅值为37.2%。该测点压力脉动主频成份分析表明均为转轮叶片转频（fM=模型机组转速×转轮叶片数/60）。因此，在原型机组上该主频为49.9 Hz（fP=原型机组转速×转轮叶片数/60），该频率范围不会对机组运行造成大的危害。

4 结语

经过买方模型验收试验团组和技术支持方法国ALSTOM公司的共同努力，严格、认真地按照合同的要求及IEC规程完成了试验台上的全部工作。本次模型验收试验结果表明，辽宁蒲石河抽水蓄能电站水泵水轮机的各项性能和特性均满足合同要求，是可以接受的，模型验收试验结果可作为评价本水泵水轮机水力性能的依据。各项参数在类似水泵水轮机中处于较高水平，属于比较理想的试验结果。