河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验_熊从峰.pdf

18第 46 卷 第 02 期2023 年 02 月Vol.46No.02Feb.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 概况2021 年 12 月，河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型在东方电机 DF-150 水力机械通用试验台上进行了最终验收试验。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1-3。模型验收及模型复核试验均以 河南新华五岳抽水蓄能电站机组及其附属设备采购合同 及水泵水轮机模型验收试验相关规范为依据。模型水泵水轮机包括转轮、蜗壳、座环、导叶、尾水管等，流道与原型水轮机几何相似。原型水泵水轮机转轮进水边 4.419 m，出水边 2.945 m；模型转轮进水边 0.450 157 m，出水边 0.300 m；原模型尺寸比为9.816 667。活动导叶20个，转轮叶片9个。2 模型试验台DF-150 水力机械通用试验台可以进行水轮机、水泵、水泵水轮机等反击式水力机械的水力性能试验，试验台除进行水轮机、水泵、水泵水轮机等的常规水力性能试验外，还可以进行导叶（桨叶）水力矩、轴向水推力、补气、蜗壳压差、流场测试、流态观测、四象限特性等试验以及其它用户要求的特殊试验。试验台的模型尺寸、试验水头、雷诺数等试验参数均满足 IEC 有关规程的规定。最高试验水头150 m；最大流量 1.50 m3/s；测功电机功率 500 kW；测功电机最高转速 2 500 r/min；模型转轮直径范围250500 mm；综合效率测试精度为 0.25%。3 主要试验结果3.1 水轮机工况能量试验模型验收试验水头为 40 m，最优工况模型雷诺数为 ReUmopt=4.730 7106(Tw=18.75）。按恒水头40 m 变转速进行试验。（1）水轮机最优效率点水轮机最优效率在无空化条件下试验，对最优效率点测量 10 次，取其平均值，模型效率为92.73%，换算到原型机效率为 94.62%。水轮机最优效率见表 1。表 1 水轮机最优效率最优效率初步试验值/%验收试验值/%合同要求（%）模型最优效率92.6992.7392.06原型最优效率94.6294.6293.99试验结果表明换算到原型的水轮机最优效率满足合同要求。（2）水轮机加权平均效率加权平均效率试验在电站空化系数条件下进行，对Hp=269.62 m、260 m、250 m、241 m、230 m、220 m、收稿日期：2022-10-21作者简介：熊从峰（1990-），男，工程师，从事抽水蓄能电站建设工程机电设备采购及安装管理工作。河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验熊从峰，潘军伟，雷家旺，胡旺兴（河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司，河南 光山 213334）摘要：河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验于 2021 年 12 月在 DF-150 水力机械通用试验台进行。简要介绍了模型水泵水轮机和模型试验台，并对主要试验结果进行了分析，试验结果表明，该水泵水轮机模型能量、空化、飞逸转速、压力脉动、全特性等主要水力性能满足合同要求。关键词：验收试验；水泵水轮机模型；河南五岳；抽水蓄能电站中图分类号：TV734.1文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）02-0018-05DOI：10.13599/ki.11-5130.2023.02.00519第 02 期熊从峰，等：河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验214.66 m 下的水轮机加权平均效率因子工况点进行了复核，水轮机加权平均效率结果见表 2。表 2 水轮机加权平均效率加权平均效率初步试验值/%验收试验值/%合同要求/%模型加权平均效率89.8689.9389.86原型加权平均效率91.7991.8191.79根据模型试验结果，模型水轮机加权平均效率 89.93%，预期的原型水轮机加权平均效率为91.81%，满足合同要求。3.2 水轮机工况空化试验试验水头 40 m，空化参考面为导叶中心线。临界空化系数 c 值采用 0.5，0.5 指与无空化工况效率相比，效率降低 0.5%时的空化系数。初生空化系数 i 定义为在 2 个转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。对试验用水进行 30 min的抽气运行后开始空化试验。利用闪频仪对所有空化现象包括气泡、旋涡的发生、发展进行观测拍照4。验收试验对额定工况做了空化复核验收，验收试验与初步试验结果吻合，满足合同对无空化运行的要求。3.3 水轮机工况飞逸转速试验在试验水头 10 m，导叶开度为 3、18、28.8（额定开度）、32，高空化系数条件下进行飞逸转速特性试验，调节测功电机的转速，使水轮机输出力矩近似为 0（绝对值小于 1.0 N.m），测量模型水轮机的单位飞逸转速 n11R5。试验结果见表 3。表 3 水轮机飞逸转速导叶开度初步试验结果（Hp=269.62m）验收试验结果（Hp=269.62m）合同要求n11R/r/minnR/r/minn11R/r/minnR/r/minnR/r/min28.872.60404.7972.56404.544203273.52409.9273.50409.82验收试验与初步试验结果吻合，水轮机飞逸转速满足合同保证值要求。3.4 水轮机工况压力脉动试验在试验水头 40 m，电站空化系数条件下进行水轮机工况压力脉动试验，空化系数参考面以导叶中心线为准。测试系统完成各通道信号的同步采样，记录时域上的模拟信号波形，调用 FFT 分析处理模块对信号进行频谱分析，确定主要分频幅值及其对应的频率6。压力脉动试验采样速率为 2 000 Hz，采样时间 16 s，混频峰峰值采用 97%置信度，水轮机工况压力脉动试验结果见表 4。表 4 水轮机工况压力脉动试验测点位置运行工况初步试验值 H/H/%验收试验值 H/H/%合同要求 H/H/%尾水管锥管进口水轮机运行区最优工况0.70.51.0水轮机额定工况2.12.02.1水轮机部分负荷或空载运行时6.95.76.9导叶后转轮前区域水轮机额定工况2.92.62.9水轮机50%负荷运行时不大于4.94.94.9水轮机 50%负荷（含空载工况）运行时不大于23.723.623.7试验结果表明，水轮机压力脉动验收结果满足合同要求。3.5 水轮机工况异常低水头试验上库进水口闸门井最低水位为 290 m，下库正常蓄水位为 89.184 m，由此得到可能的异常低毛水头为 200.816 m，验收试验在推荐导叶角度 20 下进行。异常低水头能量与空化、压力脉动试验结果见表 5、表 6、表 7。表 5 异常低水头能量试验参数验收试验导叶开度/20.0单位流量 Q11/l/s635.53单位转速 n11/r/min62.89模型效率 Effm*/%83.59原型效率 Effp/%85.47净水头 Hnet/m197.23原型流量 Qp/m3/s77.44原型处理 Pp/MW127.93表 6 异常低水头临界空化系数试验和初生空化系数试验参数验收试验导叶开度/20.0临界空化系数 0.50.075初生空化系数 i0.203 8电站空化系数 p0.462 7空化安全余量 p/0.56.15空化安全余量 p/i2.27表 7 异常低水头压力脉动试验参数验收试验导叶开度/20.0导叶与转轮之间压力脉动 H/H/%7.1尾水锥管压力脉动 H/H/%2.2初 生 空 化 试 验 表 明，在 电 站 空 化 系 数（p=0.462 7）下未观察到叶片上出现任何气泡，即在20第 46 卷水 电 站 机 电 技 术该工况下水轮机可以无空化运行。水泵水轮机允许运行至异常低毛水头 200.816 m（上库进水口最低水位），推荐的运行开度为 20.0。3.6 水泵工况能量性能试验水泵性能试验按恒转速 1 000 r/min 进行，在无空化条件下试验。根据空化试验结果，无空化条件与电站空化系数条件下的试验结果一致。试验开度范围=1234，开度间隔 2，流量系数范围0.100.40，覆盖完整的水泵运行范围。所有开度的试验完成后求出水泵的协联运行曲线。水泵模型效率值为按二步法换算到模型雷诺数ReuM*7.0106下的效率值。（1）水泵工况最优效率对最优效率点测量 10 次，取其平均值，模型最优效率为 92.17%，换算到原型机最优效率为93.91%。试验结果见表 8。表 8 水泵工况最优效率最优效率初步试验值验收试验值合同要求模型最优效率/%92.1492.1792.14原型最优效率/%93.9093.9193.90验收试验与初步试验结果吻合，水泵最优效率满足合同保证值要求。（2）水泵加权平均效率对合同要求的水泵所有加权平均因子工况点进行了复核，加权平均效率计算结果见表 9。表 9 水泵加权平均效率加权平均效率初步试验值验收试验值合同要求模型加权平均效率/%91.9091.9491.90原型加权平均效率/%93.6693.6993.66根据模型试验结果，模型水泵加权平均效率 91.94%，预期的原型水泵加权平均效率为 93.69%，满足合同要求。（3）水泵工况最大入力水泵工况最大入力在最小毛扬程 222.32 m、对应的频率分别为 50.5 Hz 和 50.0 Hz、电站空化系数条件下进行。试验结果表明，在频率为 50 Hz 时包括原模型换算误差在内的水泵工况最大输入功率为 252.97 MW，在电网正常频率变化范围内、包括原模型换算误差在内的原型水泵工况最大输入功率为262.2 MW，对应的频率为 50.5 Hz。水泵工况最大入力满足合同不大于 267 MW 的要求。（4）水泵流量特性在 50.0 Hz 频率条件下，对最大、最小毛扬程下进行平均流量试验，试验在电站空化系数条件下进行，结果见表 10。表 10 水泵流量特性水泵流量初步试验值验收试验值合同要求最小流量/m3/s74.7774.83最大流量/m3/s104.69104.79平均流量/m3/s89.7389.8189.30试验结果表明，水泵流量特性满足合同水泵平均流量不小于 89.3 m3/s 的要求。（5）驼峰区裕度在水泵最大扬程对应的导叶开度 16 下进行水泵驼峰裕度试验，根据模型试验结果计算水泵最大扬程时的驼峰裕度，结果见表 11。表 11 水泵驼峰区裕度驼峰裕度初步试验值验收试验值合同要求驼峰裕度/%2.32.32.1验收试验与初步试验结果吻合，驼峰区裕度满足合同保证值要求。3.7 水泵工况空化试验试验转速恒定为 1 000 r/min，空化参考面为导叶中心线。临界空化系数 c 值采用 0.5。对试验用水进行 30 min 的抽气运行后开始空化试验。在小于最优流量的运行区域，初生空化系数 i 定义为在 2 个及以上转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。利用闪频仪对所有空化现象的发生、发展进行观测拍照。在正常频率变化范围内，空化性能验收试验结果见表 12。表 12 水泵工况空化性能试验Hnet/mpi0.5p/i p/0.5合同要求p/i(Hmax，f=49.8 Hz)0.282 00.179 00.075 61.583.731.0(Hmax，f=50.0 Hz)0.280 20.164 80.070 61.703.971.02600.294 40.186 00.074 91.583.931.02400.317 20.172 00.093 51.843.391.0(Hmin，f=50.0 Hz)0.386 40.309 80.148 21.252.611.0(Hmin，f=50.5 Hz)0.385 70.351 40.145 41.102.651.0验收试验与初步试验结果吻合，水泵工况空化性能满足合同保证无空化运行的要求。3.8 水泵工况压力脉动试验试验转速 1 000 r/min，在电站空化系数条件下21第 02 期熊从峰，等：河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验进行试验，空化系数参考面以导叶中心线为准。水泵工况压力脉动试