熊從峰，潘軍偉，雷家旺，胡旺興

（河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 光山 213334）

1 概況

2021 年12 月，河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機模型在東方電機DF-150 水力機械通用試驗臺上進行了最終驗收試驗。試驗內(nèi)容主要有：能量試驗、壓力脈動試驗、空化試驗、飛逸轉(zhuǎn)速試驗、全特性試驗等[1-3]。

模型驗收及模型復(fù)核試驗均以《河南新華五岳抽水蓄能電站機組及其附屬設(shè)備采購合同》及水泵水輪機模型驗收試驗相關(guān)規(guī)范為依據(jù)。

模型水泵水輪機包括轉(zhuǎn)輪、蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)葉、尾水管等，流道與原型水輪機幾何相似。原型水泵水輪機轉(zhuǎn)輪進水邊Φ4.419 m，出水邊Φ2.945 m；模型轉(zhuǎn)輪進水邊Φ0.450 157 m，出水邊Φ0.300 m；原模型尺寸比為9.816 667?；顒訉?dǎo)葉20 個，轉(zhuǎn)輪葉片9 個。

2 模型試驗臺

DF-150 水力機械通用試驗臺可以進行水輪機、水泵、水泵水輪機等反擊式水力機械的水力性能試驗，試驗臺除進行水輪機、水泵、水泵水輪機等的常規(guī)水力性能試驗外，還可以進行導(dǎo)葉（槳葉）水力矩、軸向水推力、補氣、蝸殼壓差、流場測試、流態(tài)觀測、四象限特性等試驗以及其它用戶要求的特殊試驗。試驗臺的模型尺寸、試驗水頭、雷諾數(shù)等試驗參數(shù)均滿足IEC 有關(guān)規(guī)程的規(guī)定。最高試驗水頭150 m；最大流量1.50 m3/s；測功電機功率500 kW；測功電機最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min；模型轉(zhuǎn)輪直徑范圍250～500 mm；綜合效率測試精度為±0.25%。

3 主要試驗結(jié)果

3.1 水輪機工況能量試驗

模型驗收試驗水頭為40 m，最優(yōu)工況模型雷諾數(shù)為ReUmopt=4.730 7×106(Tw=18.75℃）。按恒水頭40 m 變轉(zhuǎn)速進行試驗。

（1）水輪機最優(yōu)效率點

水輪機最優(yōu)效率在無空化條件下試驗，對最優(yōu)效率點測量10 次，取其平均值，模型效率為92.73%，換算到原型機效率為94.62%。水輪機最優(yōu)效率見表1。

表1 水輪機最優(yōu)效率

試驗結(jié)果表明換算到原型的水輪機最優(yōu)效率滿足合同要求。

（2）水輪機加權(quán)平均效率

加權(quán)平均效率試驗在電站空化系數(shù)條件下進行，對Hp=269.62 m、260 m、250 m、241 m、230 m、220 m、214.66 m 下的水輪機加權(quán)平均效率因子工況點進行了復(fù)核，水輪機加權(quán)平均效率結(jié)果見表2。

表2 水輪機加權(quán)平均效率

根據(jù)模型試驗結(jié)果，模型水輪機加權(quán)平均效率 89.93%，預(yù)期的原型水輪機加權(quán)平均效率為91.81%，滿足合同要求。

3.2 水輪機工況空化試驗

試驗水頭40 m，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。臨界空化系數(shù)σc值采用σ0.5，σ0.5 指與無空化工況效率相比，效率降低0.5%時的空化系數(shù)。初生空化系數(shù)σi定義為在2 個轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)。對試驗用水進行30 min的抽氣運行后開始空化試驗。利用閃頻儀對所有空化現(xiàn)象包括氣泡、旋渦的發(fā)生、發(fā)展進行觀測拍照[4]。

驗收試驗對額定工況做了空化復(fù)核驗收，驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，滿足合同對無空化運行的要求。

3.3 水輪機工況飛逸轉(zhuǎn)速試驗

在試驗水頭10 m，導(dǎo)葉開度為3°、18°、28.8°（額定開度）、32°，高空化系數(shù)條件下進行飛逸轉(zhuǎn)速特性試驗，調(diào)節(jié)測功電機的轉(zhuǎn)速，使水輪機輸出力矩近似為0（絕對值小于1.0 N.m），測量模型水輪機的單位飛逸轉(zhuǎn)速n11R[5]。試驗結(jié)果見表3。

表3 水輪機飛逸轉(zhuǎn)速

驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，水輪機飛逸轉(zhuǎn)速滿足合同保證值要求。

3.4 水輪機工況壓力脈動試驗

在試驗水頭40 m，電站空化系數(shù)條件下進行水輪機工況壓力脈動試驗，空化系數(shù)參考面以導(dǎo)葉中心線為準。測試系統(tǒng)完成各通道信號的同步采樣，記錄時域上的模擬信號波形，調(diào)用FFT 分析處理模塊對信號進行頻譜分析，確定主要分頻幅值及其對應(yīng)的頻率[6]。壓力脈動試驗采樣速率為2 000 Hz，采樣時間16 s，混頻峰峰值采用97%置信度，水輪機工況壓力脈動試驗結(jié)果見表4。

表4 水輪機工況壓力脈動試驗

試驗結(jié)果表明，水輪機壓力脈動驗收結(jié)果滿足合同要求。

3.5 水輪機工況異常低水頭試驗

上庫進水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛水頭為200.816 m，驗收試驗在推薦導(dǎo)葉角度20°下進行。

異常低水頭能量與空化、壓力脈動試驗結(jié)果見表5、表6、表7。

表5 異常低水頭能量試驗

表6 異常低水頭臨界空化系數(shù)試驗和初生空化系數(shù)試驗

表7 異常低水頭壓力脈動試驗

初生空化試驗表明，在電站空化系數(shù)（σp=0.462 7）下未觀察到葉片上出現(xiàn)任何氣泡，即在該工況下水輪機可以無空化運行。

水泵水輪機允許運行至異常低毛水頭200.816 m（上庫進水口最低水位），推薦的運行開度為20.0°。

3.6 水泵工況能量性能試驗

水泵性能試驗按恒轉(zhuǎn)速1 000 r/min 進行，在無空化條件下試驗。根據(jù)空化試驗結(jié)果，無空化條件與電站空化系數(shù)條件下的試驗結(jié)果一致。試驗開度范圍α=12°～34°，開度間隔2°，流量系數(shù)范圍0.10～0.40，覆蓋完整的水泵運行范圍。所有開度的試驗完成后求出水泵的協(xié)聯(lián)運行曲線。

水泵模型效率值為按二步法換算到模型雷諾數(shù)ReuM*＝7.0×106下的效率值。

（1）水泵工況最優(yōu)效率

對最優(yōu)效率點測量10 次，取其平均值，模型最優(yōu)效率為92.17%，換算到原型機最優(yōu)效率為93.91%。試驗結(jié)果見表8。

表8 水泵工況最優(yōu)效率

驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，水泵最優(yōu)效率滿足合同保證值要求。

（2）水泵加權(quán)平均效率

對合同要求的水泵所有加權(quán)平均因子工況點進行了復(fù)核，加權(quán)平均效率計算結(jié)果見表9。

表9 水泵加權(quán)平均效率

根據(jù)模型試驗結(jié)果，模型水泵加權(quán)平均效率 91.94%，預(yù)期的原型水泵加權(quán)平均效率為93.69%，滿足合同要求。

（3）水泵工況最大入力

水泵工況最大入力在最小毛揚程222.32 m、對應(yīng)的頻率分別為50.5 Hz 和50.0 Hz、電站空化系數(shù)條件下進行。試驗結(jié)果表明，在頻率為50 Hz 時包括原模型換算誤差在內(nèi)的水泵工況最大輸入功率為252.97 MW，在電網(wǎng)正常頻率變化范圍內(nèi)、包括原模型換算誤差在內(nèi)的原型水泵工況最大輸入功率為262.2 MW，對應(yīng)的頻率為50.5 Hz。

水泵工況最大入力滿足合同不大于267 MW 的要求。

（4）水泵流量特性

在50.0 Hz 頻率條件下，對最大、最小毛揚程下進行平均流量試驗，試驗在電站空化系數(shù)條件下進行，結(jié)果見表10。

表10 水泵流量特性

試驗結(jié)果表明，水泵流量特性滿足合同水泵平均流量不小于89.3 m3/s 的要求。

（5）駝峰區(qū)裕度

在水泵最大揚程對應(yīng)的導(dǎo)葉開度16°下進行水泵駝峰裕度試驗，根據(jù)模型試驗結(jié)果計算水泵最大揚程時的駝峰裕度，結(jié)果見表11。

表11 水泵駝峰區(qū)裕度

驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，駝峰區(qū)裕度滿足合同保證值要求。

3.7 水泵工況空化試驗

試驗轉(zhuǎn)速恒定為1 000 r/min，空化參考面為導(dǎo)葉中心線。臨界空化系數(shù)σc值采用σ0.5。對試驗用水進行30 min 的抽氣運行后開始空化試驗。在小于最優(yōu)流量的運行區(qū)域，初生空化系數(shù)σi定義為在2 個及以上轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)。利用閃頻儀對所有空化現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展進行觀測拍照。

在正常頻率變化范圍內(nèi)，空化性能驗收試驗結(jié)果見表12。

表12 水泵工況空化性能試驗

驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，水泵工況空化性能滿足合同保證無空化運行的要求。

3.8 水泵工況壓力脈動試驗

試驗轉(zhuǎn)速1 000 r/min，在電站空化系數(shù)條件下進行試驗，空化系數(shù)參考面以導(dǎo)葉中心線為準。水泵工況壓力脈動試驗結(jié)果見表13。

表13 水泵工況壓力脈動試驗

試驗結(jié)果表明：尾水管錐管進口壓力脈動幅值不大于0.9%，滿足合同保證值不大于1.0%的要求，無優(yōu)勢頻率成分。導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間正常運行工況壓力脈動幅值不大于2.5%，滿足合同保證值不大于2.5%的要求，頻率為9 倍轉(zhuǎn)頻，為葉片通過頻率。

3.9 異常低揚程試驗

上庫進水口閘門井最低水位為290 m，下庫正常蓄水位為89.184 m，由此得到可能的異常低毛揚程為200.816 m，驗收試驗在推薦導(dǎo)葉角度10°下進行。

異常低揚程能量、空化和壓力脈動試驗結(jié)果見表14、表15、表16。

表14 異常低揚程能量試驗

表15 異常低揚程臨界空化系數(shù)試驗和初生空化系數(shù)試驗

表16 異常低揚程壓力脈動試驗

初生空化試驗表明，在電站空化系數(shù)（σp=0.432 9）下未觀察到葉片上出現(xiàn)任何氣泡，即在該工況下水泵可以無空化運行。

水泵水輪機允許在異常低毛揚程200.816 m（上庫進水口最低水位）啟動向上庫充水運行，推薦的運行導(dǎo)葉角度為10°。

3.10 水泵工況零流量試驗

對水泵工況下的導(dǎo)葉開度3°、2°、1°進行了零流量試驗。在最小導(dǎo)葉開度1°下的壓力脈動最大相對幅值試驗結(jié)果見表17。

表17 水泵工況零流量試驗

驗收試驗與初步試驗結(jié)果吻合，零流量揚程、輸入功率和壓力脈動幅值滿足原型機組在正常頻率范圍內(nèi)的合同保證要求。

3.11 四象限全特性和“S”區(qū)余量試驗

在高空化系數(shù)下進行的水泵水輪機四象限特性試驗，試驗水頭不低于10 m。試驗導(dǎo)葉角度為3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°、28.8°、30°、32°。試驗工況包括水輪機工況、水輪機制動工況、反水泵工況、水泵工況、制動工況。

四象限全特性試驗結(jié)果見圖1。

圖1 四象限特性試驗單位流量與單位轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)，水泵水輪機在空載開度范圍(導(dǎo)葉角度約3.0°～6.0°)內(nèi)，等導(dǎo)葉角度線與飛逸線交點處均處于安全穩(wěn)定的負斜率區(qū)域，未出現(xiàn)正斜率現(xiàn)象，并且還有較大的安全余量?！癝”特性區(qū)臨界點的判斷標準為在M11～n11（M11 為單位力矩，n11 為單位轉(zhuǎn)速）四象限特性曲線上，觀察導(dǎo)葉開度線與n11 坐標軸（M11=0）的交點處，其切線與n11 坐標的夾角等于90°時即為“S”特性區(qū)臨界點[7]。該處的n11 值考慮正常頻率變化換算成的水頭與最小水頭的差值即為安全余量，計算結(jié)果見表18。

安全余量計算結(jié)果見表18。

表18 安全余量計算結(jié)果

模型試驗結(jié)果表明水輪機在空載開度（3.0°～6.0°）區(qū)域完全無“S”特性，考慮正常頻率變化范圍(49.5～50.2 Hz)條件，穩(wěn)定區(qū)域具有72.83 m的安全余量，而在額定頻率(50.0 Hz)條件下，穩(wěn)定區(qū)域具有74.02 m 的安全余量，滿足合同保證值不小于70 m 安全余量的要求，能確保水輪機空載平穩(wěn)并網(wǎng)。

4 尺寸檢查

對水泵水輪機模型轉(zhuǎn)輪、過流部件等關(guān)鍵部件和關(guān)鍵部位尺寸進行了抽查，抽查結(jié)果與設(shè)計值的偏差滿足IEC 60193 規(guī)程規(guī)定的偏差要求。

5 結(jié)論

河南五岳抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗按照采購合同、驗收試驗大綱及有關(guān)規(guī)范要求進行，通過針對五岳電站水泵水輪機水力模型的多輪水力開發(fā)，篩選出的模型水泵水輪機用于五岳電站是適宜的，水泵水輪機的效率、流量、壓力脈動等各參數(shù)均符合采購合同的規(guī)定，S 特性良好，安全余量高達74.02 m，可實現(xiàn)安全平穩(wěn)開機與并網(wǎng)。