劉 鵬,曾維強(qiáng),付志遠(yuǎn)
(1.廣東粵電楓樹(shù)壩發(fā)電有限責(zé)任公司,廣東 龍川 517300;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)
楓樹(shù)壩電廠位于東江流域上游干流,廣東省龍川縣赤光鎮(zhèn)梅光村附近,位置約為北緯24°24'54.04"、東經(jīng)115°21'18.35"。該電廠至河源市龍川縣的路程約60 km。
電廠于1974 年建成投產(chǎn),是以防洪、供水和發(fā)電為主的綜合利用工程。水庫(kù)是一座不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)??刂屏饔蛎娣e為5 150 km2,水庫(kù)最大庫(kù)容19.4 億m3,設(shè)計(jì)正常高水位166.00 m,對(duì)應(yīng)庫(kù)容為15.3 億m3。大壩為寬縫重力壩。壩內(nèi)式廠房裝設(shè)有兩臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組,裝機(jī)容量為200 MW。
楓樹(shù)壩電站2 號(hào)機(jī)組于1974 年11 月發(fā)電,原裝機(jī)容量80 MW,2009 年5 月完成機(jī)組增容改造工作,改造后裝機(jī)容量為100 MW,引水鋼管半徑R為2.75 m;尾水管為4H 加長(zhǎng)型,橫直管段矩形斷面面積約60 m2(10 m×6 m)。其主要參數(shù)如表1 和表2 所示。
表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)
表2 水輪機(jī)主要參數(shù)
本研究需對(duì)廣東楓樹(shù)壩水電站開(kāi)展水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目如表3 所示。
表3 水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表
本研究開(kāi)展基于流速儀法的水輪機(jī)原型效率試驗(yàn),具體內(nèi)容包括:
(1)根據(jù)IEC 和國(guó)標(biāo)規(guī)程的要求,分析不同流量測(cè)量方法的特點(diǎn)。對(duì)安裝適應(yīng)性強(qiáng)、復(fù)雜程度高的流速儀法設(shè)計(jì)一套適用的測(cè)量支架[1]。流速儀法采用的測(cè)量傳感器較多,擬針對(duì)性的設(shè)計(jì)一種基于流速儀法的優(yōu)化安裝測(cè)量支架,既能保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又能夠?qū)⒅Ъ鼙旧韺?duì)擾流的影響減到最小,從而獲取充分而準(zhǔn)確的流速數(shù)據(jù)。
(2)選取適合的測(cè)試位置及采用最優(yōu)的積分算法進(jìn)行試驗(yàn),控制測(cè)試誤差最小。針對(duì)電站2 號(hào)機(jī)組的流道特點(diǎn),分析流態(tài)對(duì)測(cè)量位置的影響,選取最優(yōu)測(cè)量位置和方式。通過(guò)密布的流速儀傳感器,開(kāi)展計(jì)算分析,獲取不同位置的流態(tài)分布,為真機(jī)測(cè)流結(jié)果的比較和驗(yàn)證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究不同積分算法對(duì)流量及水輪機(jī)效率測(cè)量不確定度的影響,比較其誤差分析結(jié)果,最終得到適合楓樹(shù)壩水電站2 號(hào)機(jī)組的流量積分算法。
(3)采用流速儀法測(cè)量機(jī)組在試驗(yàn)水頭下的流速分布,利用平均流速法計(jì)算機(jī)組流量,測(cè)量出工作水頭與機(jī)組出力,最終計(jì)算出原型機(jī)組效率并率定機(jī)組Winter-Kennedy 系數(shù)[2]。開(kāi)展研究應(yīng)用。與機(jī)組模型試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析,為優(yōu)化機(jī)組耗水率,提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
(4)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果,出具試驗(yàn)及研究報(bào)告。分析測(cè)試數(shù)據(jù),編制試驗(yàn)報(bào)告。歸納研究分析成果,對(duì)水輪機(jī)的效率進(jìn)行分析,為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供實(shí)踐指導(dǎo)。
流速儀法測(cè)流量時(shí),要求把一定數(shù)量的流速儀布置在封閉過(guò)流管道適當(dāng)斷面的測(cè)點(diǎn)處。試驗(yàn)時(shí),利用流速儀測(cè)量過(guò)流斷面的各點(diǎn)流速,然后沿?cái)嗝娣e分求得過(guò)流斷面的流量Q,進(jìn)而計(jì)算出水輪機(jī)的絕對(duì)效率。
水輪機(jī)效率計(jì)算公式為:
式中:
——Pt,水輪機(jī)輸出功率,kW
——Ph,水輪機(jī)輸入功率,kW
——ρ,水的密度,根據(jù)水溫和絕對(duì)壓力在IEC 60041 附錄E 中查得,kg·m-3
——Q,水輪機(jī)流量,m3·s-1
——g,當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)緯度和海拔計(jì)算得出,m·s-2
——H,水輪機(jī)工作水頭,m
根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程[3]的要求,對(duì)于圓形斷面的壓力鋼管至少須有13 個(gè)測(cè)點(diǎn),其中需要有一點(diǎn)布置在管道中心。每一半徑上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目(Z),除中心點(diǎn)外,可根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程確定,其中R為管道內(nèi)半徑,以m 計(jì)。邊壁流速儀軸線距管壁至少應(yīng)為流速儀旋轉(zhuǎn)直徑的0.75 倍以上,相鄰流速儀的間距應(yīng)大于流速儀直徑1.2 倍。ISO 3354-2008[4]推薦圓形斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。
圖1 流速儀支架及測(cè)量斷面尺寸圖
流速儀安裝支架固定在壓力鋼管內(nèi)。流速儀支架及流道斷面尺寸如圖1 所示,經(jīng)計(jì)算,斷面面積為23.76 m2。
流速儀支架共有6 個(gè)支臂,每個(gè)支臂上按ISO 3354-2008 推薦的測(cè)點(diǎn)位置布置7 個(gè)流速儀,加上中心處一個(gè)流速儀,共計(jì)43 個(gè)流速儀。流速儀的信號(hào)線纜固定在安裝支架上,一起封裝延長(zhǎng)至支架頂端,沿著管道內(nèi)壁由蝸殼測(cè)壓孔處引出。
采用符合GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程[3]的方法進(jìn)行采集記錄,試驗(yàn)工況點(diǎn)為有功功率階梯式升至最高負(fù)荷。負(fù)荷點(diǎn)為: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,在以上負(fù)荷下采集各流速儀的流速[4]。部分負(fù)荷點(diǎn)6個(gè)支臂采集的流速值如圖2所示。
圖2 部分負(fù)荷點(diǎn)采集的流速值
根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程流速儀法由水輪機(jī)凈水頭換算計(jì)算所得額定水頭61 m 下的流量來(lái)計(jì)算水輪機(jī)效率,同時(shí)采集水輪機(jī)出力、水輪機(jī)蝸殼壓差數(shù)據(jù)、水庫(kù)水位、導(dǎo)葉開(kāi)度等數(shù)據(jù)。
標(biāo)定的水輪機(jī)蝸殼壓差WINTER-KENNEDY 系數(shù)、流量與水頭損失關(guān)系曲線、水輪機(jī)出力與水頭損失關(guān)系曲線、水輪機(jī)效率與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線、導(dǎo)葉開(kāi)度與水輪機(jī)過(guò)流量關(guān)系曲線、導(dǎo)葉開(kāi)度與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線、機(jī)組有功功率與耗水率關(guān)系曲線、真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與原型試驗(yàn)換算效率曲線對(duì)比見(jiàn)圖3~10。
圖3 水輪機(jī)蝸殼壓差的WINTER-KENNEDY 系數(shù)(61 m)
圖4 流量與水頭損失關(guān)系曲線(61 m)
圖5 水輪機(jī)出力與水頭損失關(guān)系曲線(61 m)
圖6 水輪機(jī)效率與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線(61 m)
圖7 導(dǎo)葉開(kāi)度與水輪機(jī)流量關(guān)系(61 m)
圖8 導(dǎo)葉開(kāi)度與水輪機(jī)出力關(guān)系(61 m)
圖9 機(jī)組有功功率與耗水率關(guān)系(61 m)
圖10 原型實(shí)測(cè)效率與原型設(shè)計(jì)效率對(duì)比(61 m)
綜上所述,廣東楓樹(shù)壩水電站水輪機(jī)效率在水輪機(jī)出力0~76.146 MW 間隨著出力增大而增高,76.146 MW 時(shí)達(dá)到最高的94.67%,而后隨著出力增大而降低。機(jī)組耗水率隨著水輪機(jī)出力的增大而降低,當(dāng)前試驗(yàn)水頭下,機(jī)組有功在45.8 MW 以上運(yùn)行時(shí),機(jī)組耗水率低于7 m3/(kW·h),建議盡量使機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行,減少發(fā)電耗水,從而提升發(fā)電效益[5]。