劉海輝，李冬陽，田樹鵬

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.國家電網(wǎng)吉林敦化抽水蓄能有限公司，北京100044)

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)。電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的立軸單級(jí)混流可逆式機(jī)組，建成后并入東北電網(wǎng)，擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。2006年11月，遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司與哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司簽訂了主機(jī)供貨合同，法國ALSTOM公司提供技術(shù)支持。2007年12月，在法國ALSTOM公司水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室完成水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)。

1）電站基本參數(shù)：上水庫正常蓄水位為392.0 m；上水庫死水位為360.0 m；下水庫正常蓄水位為66.0 m；下水庫死水位為62.0 m；電站運(yùn)行最大毛水頭為330.0 m；電站運(yùn)行最小毛水頭為294.0 m。

2）水泵水輪機(jī)主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)直徑D1p為2750 mm；轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑D2p為4565 mm；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9；活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20；固定導(dǎo)葉數(shù)為20；額定轉(zhuǎn)速為333.3 r/min；水泵工況最大輸入功率不大于322 MW；水輪機(jī)工況額定輸出功率為306 MW。

2 模型試驗(yàn)臺(tái)及模型試驗(yàn)裝置簡介

法國ALSTOM水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室位于法國南部格林諾布市內(nèi)。蒲石河水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)是在TP3試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，該試驗(yàn)臺(tái)為一封閉、模型立式安裝試驗(yàn)臺(tái)，具有設(shè)施齊全、試驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)、測試精度高等特點(diǎn)，可以進(jìn)行水泵水輪機(jī)模型的效率、空化、飛逸、壓力脈動(dòng)、力特性、四象限等特性試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)如下：

1）水泵特性試驗(yàn)方式：最大輸入功率為360 kW；最高轉(zhuǎn)速為2400 r/min；最大流量為0.9 m3/s；最高揚(yáng)程為150 m。

2）水輪機(jī)特性試驗(yàn)方式：最大水頭為100 m；最大流量為0.9 m3/s；最大輸出功率為320 kW。

蒲石河電站模型機(jī)組由蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及軸系、尾水管等主要部件組成。模型機(jī)的蝸殼采用玻璃纖維和樹脂結(jié)構(gòu)，尾水直錐管上部為有機(jī)玻璃，下部及尾水肘管為金屬焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪葉片為銅材質(zhì)。模型機(jī)組主要參數(shù)如下：

轉(zhuǎn)輪低壓側(cè)直徑D1m為250 mm；轉(zhuǎn)輪高壓側(cè)直徑D2m為415 mm；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9；固定導(dǎo)葉數(shù)為20；活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20；活動(dòng)導(dǎo)葉高度為52 mm；活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓直徑為φ492 mm；固定導(dǎo)葉內(nèi)切圓直徑為φ553 mm；固定導(dǎo)葉外切圓直徑為φ650 mm；尾水管高度為1090.88 mm（尾水管底面至導(dǎo)葉中心線高度）；蝸殼進(jìn)口斷面直徑為φ266.36 mm；原模型比尺D2m/D2P為1/11。

3 模型驗(yàn)收試驗(yàn)主要結(jié)果

3.1 水泵水輪機(jī)能量試驗(yàn)

1）水泵工況能量試驗(yàn)。包括水泵工況效率試驗(yàn)、流量試驗(yàn)、輸入功率試驗(yàn)、零流量試驗(yàn)和駝峰區(qū)裕量試驗(yàn)。試驗(yàn)揚(yáng)程為34.8 m，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1200 r/min。主要試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水泵工況能量試驗(yàn)主要結(jié)果表

2）水輪機(jī)工況能量試驗(yàn)。包括水輪機(jī)工況效率試驗(yàn)和輸出功率試驗(yàn)。試驗(yàn)水頭為40.0 m，在電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行。主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 水輪機(jī)工況能量試驗(yàn)主要結(jié)果表

3.2 水泵水輪機(jī)空化試驗(yàn)

1）水泵工況空化試驗(yàn)。由于水泵工況的空化性能對(duì)于水泵水輪機(jī)空化性能起關(guān)鍵作用，因此，在驗(yàn)收試驗(yàn)期間，不僅對(duì)初步試驗(yàn)報(bào)告中的試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行了重復(fù)性檢驗(yàn)，同時(shí)增加了一些試驗(yàn)工況點(diǎn)。在驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，主要對(duì)高揚(yáng)程和低揚(yáng)程運(yùn)行工況初生空化現(xiàn)象進(jìn)行觀測，并確定初生空化系數(shù)。主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2）水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)。水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)主要考察了在水輪機(jī)工況整個(gè)運(yùn)行區(qū)域極限工況點(diǎn)的空化特性。主要試驗(yàn)結(jié)果見表4。

3.3 水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)合同要求，在模型機(jī)上共安裝有5個(gè)壓力脈動(dòng)傳感器：

表3 水泵工況空化試驗(yàn)主要結(jié)果表

表4 水輪機(jī)工況空化試驗(yàn)主要結(jié)果表

C1：蝸殼入口（高壓參考剖面）；C2：導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間；C3：2個(gè)固定導(dǎo)葉之間；C4：頂蓋和轉(zhuǎn)輪之間；C5：尾水管錐管的下游側(cè)。

1）水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)在電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行。主要試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 水泵工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)主要結(jié)果表

2）水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)水頭為HM=40.0 m，在電站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行。主要試驗(yàn)結(jié)果見表6。

3.4 其它試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、全特性（四象限特性）、導(dǎo)葉水力矩試驗(yàn)、Winter-Kennedy試驗(yàn)、水推力試驗(yàn)等均進(jìn)行了驗(yàn)證，因篇幅有限，在此不一一介紹了，其試驗(yàn)結(jié)果可以作為原型機(jī)設(shè)計(jì)的參考。

3.5 模型通流部件的幾何尺寸檢查

在模型驗(yàn)收試驗(yàn)最后階段，對(duì)模型機(jī)組通流部件進(jìn)行了幾何尺寸檢查和測量，主要檢測項(xiàng)目如下：蝸殼、尾水管過流部分的主要幾何尺寸；導(dǎo)葉的翼型、導(dǎo)葉高度、導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角與開度的關(guān)系；固定導(dǎo)葉的翼型、安裝角度及其主要尺寸；轉(zhuǎn)輪外形尺寸、葉片開口、進(jìn)口和出口斷面翼型；轉(zhuǎn)輪上、下迷宮尺寸；蝸殼與尾水管水頭測量斷面尺寸，各測量孔的位置等。

表6 水輪機(jī)工況壓力脈動(dòng)試驗(yàn)主要結(jié)果表

上述檢測結(jié)果均符合尺寸的允許公差要求。轉(zhuǎn)輪尺寸檢查測量完成后，連同轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)、出口斷面測量尺寸一起封存，不再進(jìn)行修改，直到合同保證期結(jié)束。

3.6 模型試驗(yàn)主要結(jié)果分析

1）水泵水輪機(jī)效率。本電站原型水輪機(jī)加權(quán)平均效率為92.36%，原型水泵加權(quán)平均效率為93.73%，在國內(nèi)已投產(chǎn)水泵水輪機(jī)中處于較高水平。

2）水泵水輪機(jī)空化特性。由于水泵工況葉片進(jìn)口脫流區(qū)與低壓區(qū)都發(fā)生在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口區(qū)，而水輪機(jī)工況的脫流區(qū)與低壓區(qū)分別發(fā)生在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口附近，因此，水泵工況更具有空蝕危險(xiǎn)性。

在本次模型驗(yàn)收試驗(yàn)中，根據(jù)合同要求對(duì)水泵水輪機(jī)空化特性進(jìn)行了認(rèn)真的試驗(yàn)，仔細(xì)觀察了轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口和流道中氣泡發(fā)生、發(fā)展的情況。驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果表明在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)（包括頻率49.5～50.5 Hz變化范圍內(nèi)）滿足合同要求。

3）水泵水輪機(jī)壓力脈動(dòng)。壓力脈動(dòng)驗(yàn)收試驗(yàn)在初步試驗(yàn)報(bào)告的基礎(chǔ)上增加了試驗(yàn)工況點(diǎn)測試，對(duì)于整個(gè)正常的運(yùn)行區(qū)域，無論是水輪機(jī)工況，還是水泵工況，尾水管的壓力脈動(dòng)測量幅值滿足合同要求。

水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)口和導(dǎo)葉出口之間的無葉區(qū)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值在空載及正常運(yùn)行范圍內(nèi)滿足合同保證值，但在空載（飛逸）工況當(dāng)導(dǎo)葉開度大于12°時(shí)，導(dǎo)水葉和轉(zhuǎn)輪之間（C2測點(diǎn)）壓力脈動(dòng)測量值將隨著導(dǎo)葉開度的增加也逐級(jí)增大，在導(dǎo)葉開度為20°時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值為37.2%。該測點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻成份分析表明均為轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)頻（fM=模型機(jī)組轉(zhuǎn)速×轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)/60）。因此，在原型機(jī)組上該主頻為49.9 Hz（fP=原型機(jī)組轉(zhuǎn)速×轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)/60），該頻率范圍不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行造成大的危害。

4 結(jié)語

經(jīng)過買方模型驗(yàn)收試驗(yàn)團(tuán)組和技術(shù)支持方法國ALSTOM公司的共同努力，嚴(yán)格、認(rèn)真地按照合同的要求及IEC規(guī)程完成了試驗(yàn)臺(tái)上的全部工作。本次模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果表明，遼寧蒲石河抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的各項(xiàng)性能和特性均滿足合同要求，是可以接受的，模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果可作為評(píng)價(jià)本水泵水輪機(jī)水力性能的依據(jù)。各項(xiàng)參數(shù)在類似水泵水輪機(jī)中處于較高水平，屬于比較理想的試驗(yàn)結(jié)果。