大渡河长河坝水电站水轮机模型验收试验

2016-03-17施彬，孙文彬

四川水力发电 2016年1期

关键词：水轮机

施　彬，　孙文彬

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

大渡河长河坝水电站水轮机模型验收试验

施彬，孙文彬

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：为了验证长河坝水电站水轮机的水力性能指标是否达到合同文件要求，从而为将来水轮发电机组的运行拟定合理的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性，进行了长河坝水电站水轮机模型验收试验。

关键词：水轮机；模型验收试验；长河坝水电站

1概述

长河坝水电站地下厂房中安装了4台单机额定功率为650 MW的混流式水轮发电机组，该水轮发电机组由哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)设计制造。为了验证水轮机的水力性能指标，在哈电水轮机室高水头试验I台进行了水轮机模型验收试验。

长河坝水电站机组主要参数如下：

单机额定功率650 MW

水轮机额定出力663 MW

水头范围217.7～166 m

额定水头200 m

水轮机安装高程1 463.45 m

转轮进口直径D16.7 m

额定转速142.9 r/min

转轮叶片数16片

活动导叶数24

固定导叶数23

长河坝水电站水轮机模型验收试验项目包括：效率试验、空化试验、水推力试验、飞逸转速试验、导叶水力矩试验、蜗壳测流压力差试验、压力脉动试验、流态观测试验(叶道涡、卡门涡、叶片进口空化)、补气试验和圆筒阀水力特性试验及其它试验。

2模型试验台的基本情况

2.1试验台的总体布置及特点

试验台为一个封闭式循环系统，由2台功率为400 kW的双吸离心泵及配套管路、阀门和模型水轮机等组成。通过管路连接、阀门切换，水泵可以单独运行，也可做串、并联运行。整个系统可双向运行。

2.2模型水轮机

哈电针对长河坝水电站水轮机开发了HLA998模型，该模型装置含整个流道，除部分尾水管直锥段为了便于观测转轮涡带情况采用非金属透明材料外，其它部位均采用金属材料，水轮机原型与模型几何相似。

转轮名义直径D1420 mm

转轮叶片数Z016片

固定导叶数23

活动导叶数24

导叶分布圆直径D0487.2 mm

活动导叶高度B076.68 mm

转轮进口高度76.4 mm

尾水管高度(导叶中心到底板)1 504.48 mm

尾水管长度(出口到机组中心)2 789.55 mm

尾水管出口高度971.64 mm

尾水管出口宽度752.24 mm

高压侧测压断面面积A10.181 m2

低压侧测压断面面积A20.653 m2

3水轮机模型验收试验台率定及误差分析

3.1仪器仪表率定

模型验收试验前，哈电的技术人员介绍了模型试验台设备及数据采集系统，并出示了原级测试仪器的有效检定合格证书。

验收试验前，对水头传感器、力矩传感器、尾水压力传感器和电磁流量计等主要测量仪器仪表进行了原位率定。验收试验后，对电磁流量计进行了复核标定，率定结果满足有关规程要求。

3.2误差分析

根据合同要求，模型试验台效率综合最大误差不大于0.25%。

经对典型验收试验工况点进行的测试误差计算得知，本次验收试验的效率测试综合误差为±0.233%，满足合同规定的fη不大于±0.25%的要求。

4试验内容及结论

4.1能量试验

效率和出力试验在合同规定的25 m试验水头和电站空化系数下进行。

验收组分别对HLA998模型水轮机的最高效率点、额定点效率、合同文件要求的加权点效率和各水头下出力保证值进行了见证。

4.1.1模型最优效率试验

4.1.2额定点试验

HLA998水轮机在额定水头下的额定功率和额定效率试验结果见表1。

额定点效率与初步试验结果相符，低于保证值，在根据IEC60193-1999规程规定的试验误差修正后，模型效率基本达到保证值要求，换算后的原型效率满足合同要求。

表1　额定工况点试验结果表

4.1.3出力试验

对合同文件要求的各水头下出力保证值进行了见证试验，试验结果表2。

表2　不同水头下输出功率保证值表

出力试验结果与初步试验结果相符，满足合同保证值。

4.1.4水轮机加权平均效率试验

对合同文件要求的各水头下效率保证值进行了见证试验，加权平均效率试验结果见表3。

表3　水轮机加权平均效率表

验收试验结果表明其与初步试验相符，满足合同规定要求。

4.2空化试验

试验时，保持试验水头25 m不变，调节尾水压力使其逐渐降低以确定临界空化系数值和初生空化系数值，原型水轮机在对应的水头、尾水位和负荷条件下的空化特性由模型试验确定。

临界空化系数σ1值定义为与无空化工况的效率相比下降1%的σ值。初生空化系数定义为在3个转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。

验收试验对不同水头下的空化保证值进行了见证试验，试验工况点及结果见表4。

表4　不同水头下的空化保证值表

试验结果满足合同性能值σp/σ1>1.6、σp/σi>1.1的要求。

4.3飞逸转速试验

飞逸转速试验是在水轮机可能的全部运行水头范围和从导叶关闭位置到模型导叶可能的最大开度范围内进行的、且试验水头不小于10 m。

按额定开度的110%计算，原型水轮机最大飞逸转速为240.6 r/min(A0=27 mm、n11=109.65 r/min)，小于合同规定的最大飞逸转速255 r/min，满足合同要求。

4.4水推力试验

验收试验进行了单倍迷宫间隙下的轴向水推力(飞逸工况)试验。HLA998水轮机在单倍间隙能量状态下最大轴向水推力为9 586.68 kN，满足不大于合同保证值11 200 kN的要求。在单倍间隙飞逸工况下最大轴向水推力为726 kN。

4.5压力脉动和叶道涡观察试验

验收试验时，在蜗壳进口、导叶后转轮前、顶盖与转轮上冠间各布置了一个测点；锥管0.3D2+Y、0.3D2-Y方向各布置了一个测点；肘管进口上下游、肘管45°上下游凹凸处各布置了一个测点，选取了在导叶开度A0=12,13,14,15,16,18,20,21,22,24,26 mm、在表5中的特征水头和空化系数条件下进行了验收试验。试验结果见表5。

试验证明，在长河坝水电站水轮机整个运行范围内的电站空化系数下，各测点压力脉动幅值满足合同文件保证值的要求。HLA998转轮具有良好的稳定性能，可以在整个运行范围内安全稳定地运行。

表5　压力脉动验收试验工况点表

通过对HLA998模型水轮机的气泡进行观测，发现叶道涡和叶片背面脱流发生在长河坝水电站水轮机运行范围外，在最小水头100%P出力附近有叶片头部出现正面空化涡。鉴于该工况点实际运行可能性很小，故可以接受。

4.6导叶转动力矩试验

在进行水轮机工况导叶同步试验时，将试验水头定为Hm=15 m，活动导叶开度定为A0=10、14、18、26 mm，对每一开口进行了原型机水头Hr=200 m、对应的模型转轮单位转速n11=67.7 r/min的导叶水力矩的测试。此时，对应的非同步导叶的开度位于A0=18 mm。在进行水轮机工况导叶非同步试验时，同步导叶开度为A0=14 mm，此时对应的非同步导叶的开度位于A0=18 mm。

通过试验结果可以得到以下结论：在水轮机全部运行范围内，导叶均具有自关闭的趋势。

4.7补气试验

通过模型试验确定自然补气的必要性并(或)寻求降低尾水管压力脉动或使水轮机在部分负荷区平稳运行的其它方法与措施。

验收试验是在电站空化系数下选择最大压力脉动点及最大水头45%额定功率工况点进行中心孔补气和边壁补气(距转轮出口下方0.3D2处)试验。

补气试验结果表明：中心孔补气与边壁补气对水轮机尾水管压力脉动的影响基本相同。虽然补气对尾水管压力脉动幅值有轻微减弱的趋势，但对减弱水轮机尾水管压力脉动没有起到决定性作用。

4.8指数试验

在模型上测取蜗壳测流断面上两测压孔之间的压差，所选择的测流断面应最适合于确定相对流量。

根据长河坝水电站确定的测点布置位置处的压差和流量的关系式为：

Q=0.198 3(△P)0.509 7

式中Q为流量(m3/s)；△P为两测压孔之间的差压值(kPa)。

4.9圆筒阀试验

为了全面确定模型水轮机的各项性能，在水轮机模型试验中，必须包括圆筒阀模型水力特性试验，并且根据试验结果优化圆筒阀的结构和设计，为原型水轮机圆筒阀设计提供可靠的依据。