广东枫树坝水电站水轮机绝对效率试验及结论

刘 鹏，曾维强，付志远

（1.广东粤电枫树坝发电有限责任公司，广东 龙川 517300；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 工程概况

枫树坝电厂位于东江流域上游干流，广东省龙川县赤光镇梅光村附近，位置约为北纬24°24'54.04"、东经115°21'18.35"。该电厂至河源市龙川县的路程约60 km。

电厂于1974 年建成投产，是以防洪、供水和发电为主的综合利用工程。水库是一座不完全年调节水库。控制流域面积为5 150 km2，水库最大库容19.4 亿m3，设计正常高水位166.00 m，对应库容为15.3 亿m3。大坝为宽缝重力坝。坝内式厂房装设有两台混流式水轮发电机组，装机容量为200 MW。

枫树坝电站2 号机组于1974 年11 月发电，原装机容量80 MW，2009 年5 月完成机组增容改造工作，改造后装机容量为100 MW，引水钢管半径R为2.75 m；尾水管为4H 加长型，横直管段矩形断面面积约60 m2(10 m×6 m)。其主要参数如表1 和表2 所示。

表1 发电电动机主要参数

表2 水轮机主要参数

2 试验概述

本研究需对广东枫树坝水电站开展水轮机绝对效率试验，试验项目如表3 所示。

表3 水轮机绝对效率试验项目一览表

本研究开展基于流速仪法的水轮机原型效率试验，具体内容包括：

（1）根据IEC 和国标规程的要求,分析不同流量测量方法的特点。对安装适应性强、复杂程度高的流速仪法设计一套适用的测量支架[1]。流速仪法采用的测量传感器较多，拟针对性的设计一种基于流速仪法的优化安装测量支架，既能保证足够的结构强度，又能够将支架本身对扰流的影响减到最小，从而获取充分而准确的流速数据。

（2）选取适合的测试位置及采用最优的积分算法进行试验，控制测试误差最小。针对电站2 号机组的流道特点，分析流态对测量位置的影响，选取最优测量位置和方式。通过密布的流速仪传感器，开展计算分析，获取不同位置的流态分布，为真机测流结果的比较和验证提供基础数据。研究不同积分算法对流量及水轮机效率测量不确定度的影响，比较其误差分析结果，最终得到适合枫树坝水电站2 号机组的流量积分算法。

（3）采用流速仪法测量机组在试验水头下的流速分布,利用平均流速法计算机组流量,测量出工作水头与机组出力,最终计算出原型机组效率并率定机组Winter-Kennedy 系数[2]。开展研究应用。与机组模型试验报告进行分析，为优化机组耗水率，提高机组经济运行水平提供基础数据支持。

（4）分析试验数据和成果，出具试验及研究报告。分析测试数据，编制试验报告。归纳研究分析成果，对水轮机的效率进行分析，为机组经济运行提供实践指导。

3 水轮机绝对效率试验

3.1 试验原理

流速仪法测流量时，要求把一定数量的流速仪布置在封闭过流管道适当断面的测点处。试验时，利用流速仪测量过流断面的各点流速，然后沿断面积分求得过流断面的流量Q，进而计算出水轮机的绝对效率。

水轮机效率计算公式为：

式中：

——Pt，水轮机输出功率，kW

——Ph，水轮机输入功率，kW

——ρ，水的密度，根据水温和绝对压力在IEC 60041 附录E 中查得，kg·m-3

——Q，水轮机流量，m3·s-1

——g，当地重力加速度，根据现场纬度和海拔计算得出，m·s-2

——H，水轮机工作水头，m

3.2 设备安装

根据GB/T 20043 试验规程[3]的要求，对于圆形断面的压力钢管至少须有13 个测点，其中需要有一点布置在管道中心。每一半径上的测点数目（Z），除中心点外，可根据GB/T 20043 试验规程确定，其中R为管道内半径，以m 计。边壁流速仪轴线距管壁至少应为流速仪旋转直径的0.75 倍以上，相邻流速仪的间距应大于流速仪直径1.2 倍。ISO 3354-2008[4]推荐圆形断面测点布置如图1 所示。

图1 流速仪支架及测量断面尺寸图

流速仪安装支架固定在压力钢管内。流速仪支架及流道断面尺寸如图1 所示，经计算，断面面积为23.76 m2。

流速仪支架共有6 个支臂，每个支臂上按ISO 3354-2008 推荐的测点位置布置7 个流速仪，加上中心处一个流速仪，共计43 个流速仪。流速仪的信号线缆固定在安装支架上，一起封装延长至支架顶端，沿着管道内壁由蜗壳测压孔处引出。

3.3 试验结果

采用符合GB/T 20043 试验规程[3]的方法进行采集记录，试验工况点为有功功率阶梯式升至最高负荷。负荷点为：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，在以上负荷下采集各流速仪的流速[4]。部分负荷点6个支臂采集的流速值如图2所示。

图2 部分负荷点采集的流速值

根据GB/T 20043 试验规程流速仪法由水轮机净水头换算计算所得额定水头61 m 下的流量来计算水轮机效率，同时采集水轮机出力、水轮机蜗壳压差数据、水库水位、导叶开度等数据。

标定的水轮机蜗壳压差WINTER-KENNEDY 系数、流量与水头损失关系曲线、水轮机出力与水头损失关系曲线、水轮机效率与水轮机出力关系曲线、导叶开度与水轮机过流量关系曲线、导叶开度与水轮机出力关系曲线、机组有功功率与耗水率关系曲线、真机试验结果与原型试验换算效率曲线对比见图3~10。

图3 水轮机蜗壳压差的WINTER-KENNEDY 系数（61 m）

图4 流量与水头损失关系曲线（61 m）

图5 水轮机出力与水头损失关系曲线（61 m）

图6 水轮机效率与水轮机出力关系曲线（61 m）

图7 导叶开度与水轮机流量关系（61 m）

图8 导叶开度与水轮机出力关系（61 m）

图9 机组有功功率与耗水率关系（61 m）

图10 原型实测效率与原型设计效率对比（61 m）

4 结论

综上所述，广东枫树坝水电站水轮机效率在水轮机出力0~76.146 MW 间随着出力增大而增高，76.146 MW 时达到最高的94.67%，而后随着出力增大而降低。机组耗水率随着水轮机出力的增大而降低，当前试验水头下，机组有功在45.8 MW 以上运行时，机组耗水率低于7 m3/（kW·h），建议尽量使机组在高负荷区运行，减少发电耗水，从而提升发电效益[5]。