福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验分析

熊 妍

（华电福新周宁抽水蓄能有限公司，福建省宁德市 352100）

0 引言

福建周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县，靠近福建沿海500kV主网，位于闽东沿海北部新兴能源基地和福建省网与华东区域电网连接处，距福州、宁德、南平三市的直线距离分别为110km、50km、120km，是一座日调节的纯抽水蓄能电站。电站内安装有4台单机容量300MW的立轴、单级、混流、可逆式水轮机发电机组，总装机容量1200MW，年平均发电量12×109 kW·h，年抽水耗电量16×109 kW·h。电站的主要任务是发电，承担福建电网的调峰、填谷、调频、调相及备用等，必要时为华东电网提供支持，承担紧急事故备用等。

福建周宁抽水蓄能电站上水库正常蓄水位716m，死水位691m；下水库正常蓄水位299m，死水位262m。最大毛水头/扬程454m，最小毛水头/扬程392m。机组发电工况正常频率变化范围49.5～50.2Hz，电动工况正常频率变化范围49.8～50.5Hz。机组电动工况启动以SFC启动为主，以BTB启动为备用。

1 模型试验概述

福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验于2018年12月6日～12月8日在哈尔滨电机厂有限责任公司水力机械试验6台进行，模型复核试验于2019年1月18日～1月22日在中国水利水电科学研究院水力试验室TP1试验台进行，试验内容主要有：能量试验、压力脉动试验、空化试验、飞逸转速试验、全特性试验等[1]。

模型验收及模型复核试验均以《福建周宁抽水蓄能电站机组设备采购合同》、IEC 60193—1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》、IEC 60609-1—2004《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的空蚀损坏评定 第1部：反击式水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的评定》、GB/T 15613—2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》等标准规范作为依据[2-4]。

模型水泵水轮机与原型水泵水轮机自蜗壳进口到尾水管出口几何相似，即整个流道几何相似[5]。原型、模型水泵水轮机的比尺系数（D2p/D2m）为9.24，原型、模型水泵水轮机的主要参数如表1所示。

表1 原型、模型水泵水轮机主要参数Table 1 Main parameters of prototype and model pump turbine

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2 模型试验主要结果与分析

在每次模型试验开始前，均对用于测量压力、水头、流量、力矩等关键参数的传感器进行现场原位标定，并对试验台的原级检验证书进行检查[6]。标定结果表明，传感器的测量精度符合合同规定。经过分析与计算：模型验收试验台的综合误差为±0.155%，模型复核试验台的综合误差为±0.1093%，都符合合同规定的不大于±0.25%的要求。

2.1 能量试验

2.1.1 水轮机工况能量试验

水轮机工况能量试验主要进行了效率试验。水轮机工况效率试验包括最优点效率试验和加权平均效率试验，都是在不发生空化的条件下进行的，模型试验水头为55m。将测量得到的模型效率按照IEC 60193—1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》规定的两步法，即可换算到原型效率[7]。取10次测量的效率平均值作为模型最优效率，水轮机工况效率试验的结果如表2所示。从表2中可看出，水轮机工况效率复核试验与验收试验结果基本一致，水轮机工况模型加权平均效率、原型加权平均效率均符合合同规定。

表2 水轮机工况效率试验结果Table 2 Results of efficiency test for hydraulic turbine condition

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2.1.2 水泵工况能量试验

水泵工况能量试验包括效率试验、流量试验、最大入力试验和驼峰试验，各项试验结果如表3所示。

水泵工况效率试验包括最优效率试验和加权平均效率试验。从表3中可看出，水泵工况效率复核试验与验收试验结果基本一致，水泵工况模型最优效率、原型最优效率、模型加权平均效率和原型加权平均效率均符合合同规定。

水泵工况流量试验进行了水泵协联工况扬程—流量特性曲线试验，得到了最小毛扬程392m和最大毛扬程454m下所对应的水泵最大流量和最小流量值，并由此计算出了水泵平均流量。从表3中可看出，水泵工况流量复核试验与验收试验结果基本一致，水泵工况最小流量、最大流量和平均流量均符合合同规定。

水泵工况最大入力试验是在导叶开度25°、频率50.5Hz的工况下进行的，所得到的原型最大入力考虑了可能的原模型比尺换算偏差[8]。从表3中可看出，水泵工况最大入力复核试验与验收试验结果基本一致，水泵工况原型最大入力符合合同规定。

水泵工况驼峰试验是在导叶开度16°、频率49.8Hz的工况下进行的。从表3中可看出，水泵工况驼峰复核试验与验收验收结果相同，在频率为49.8Hz时，驼峰裕度为2.91%，符合合同不低于2.50%的规定。

表3 水泵工况能量试验结果Table 3 Results of energy test for pump condition

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2.2 压力脉动试验

2.2.1 水轮机工况压力脉动试验

水轮机工况压力脉动试验是在原型水头410m、452m以及电站装置空化系数下进行的，测点分布在尾水管、无叶区、顶盖以及蜗壳进口，试验结果如表4所示。从表4中可看出，水轮机工况压力脉动复核试验与验收试验结果基本一致，各测点处的最大压力脉动值均符合合同规定。

表4 水轮机工况压力脉动试验结果Table 4 Results of pressure pulsation test for hydraulic turbine condition

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2.2.2 水泵工况压力脉动试验

水泵工况压力脉动试验范围涵盖水泵的全部运行工况，在装置空化系数下进行，测点位置与上述水轮机工况压力脉动试验测点位置相同，试验结果如表5所示。从表5中可看出，水泵工况压力脉动复核试验与验收试验结果基本一致，在水泵工况正常运行扬程范围内，各测点处最大压力脉动值均符合合同规定，没有异常压力脉动出现。

表5 水泵工况压力脉动试验结果Table 5 Results of pressure pulsation test for pump condition

2.3 空化试验

2.3.1 水轮机工况空化试验

水轮机工况空化试验仅在模型验收试验时进行，重点针对水轮机额定工况点进行了试验，试验结果如表6所示。从表6中可看出，在水轮机额定水头额定工况点，电站装置空化系数σp均大于初生空化系数σi和临界空化系数σ0.5，安全裕量较大，符合合同规定。

表6 水轮机工况空化动试验结果Table 6 Results of cavitation test for hydraulic turbine condition

2.3.2 水泵工况空化试验

水泵工况空化试验是在最大毛扬程454m、最小毛扬程392m共2个工况进行的，试验结果如表7所示。从表7中可看出，水泵工况空化复核试验与验收试验结果基本一致，装置空化系数σp均大于初生空化系数σi和临界空化系数σ0.5，符合合同规定。

表7 水泵工况空化动试验结果Table 7 Results of cavitation test for pump condition

图1 水泵水轮机全特性试验结果（n11～Q11特性曲线）Figure 1 Results of full characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and Q11)

2.4 飞逸转速试验

飞逸转速试验在100%额定开度下进行，试验结果如表8所示。从表8中可看出，飞逸转速复核试验与验收试验结果相等，在100%额定开度下，相应的原型飞逸转速为571.9r/min，符合合同不大于600r/min的规定。

表8 飞逸转速试验结果Table 8 Results of runaway speed test

图2 水泵水轮机S特性试验结果（n11～T11特性曲线）Figure 2 Results of “S” characteristic test for pump turbine(characteristic curve of n11 and T11)

2.5 全特性试验

模型验收试验和模型复核试验均在临界导叶开度14°时进行了完整的全特性试验。除此之外，模型验收试验在导叶开度为6°和8°下进行了S特性试验，模型复核试验在导叶开度6°、8°和11°下进行了S特性试验。水泵水轮机全特性试验结果详见图1，S特性试验结果详见图2。从图1和图2中可看出，模型验收试验与模型复核试验的结果基本一致。水轮机工况S区稳定并网的最低水头试验值为303.83m；考虑电网正常的频率变化，水轮机正常运行的最低净水头为381.94m，相应水轮机工况S区稳定并网水头裕量高达78.11m，符合合同大于42m的规定。

3 结论

福建周宁抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验结果说明：水泵水轮机的效率、流量、压力脉动等各参数均符合采购合同的规定，符合电站安全运行的要求；水泵水轮机的水力设计比较先进，S特性良好，安全裕量高达78.11m，可实现安全平稳开机与并网。以模型试验的数据为基础，可计算出原型性能，为原型的设计及制造、安装及运行提供了可靠的依据。