广东枫树坝水电站水轮机绝对效率试验及结论.pdf

55第 46 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.46No.9Sep.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 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242454.04、东经 1152118.35。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 m6 m)。其主要参数如表1和表2所示。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收稿日期：2023-06-26作者简介：刘 鹏（1990-），男，工程师，从事水电站水轮机运行与金属结构维护工作。广东枫树坝水电站水轮机绝对效率试验及结论刘 鹏1，曾维强1，付志远2（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）摘 要：广东枫树坝水电站经过一次增效扩容改造，因当时条件限制，改造后未开展机组原型效率试验，此次试验采用安装适应性强、复杂程度高、试验准确度高的流速仪法,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采集数据，开展计算分析，获取不同位置的流态分布，为原型设计与真机测流结果的比较和验证提供基础数据，通过开展原型效率试验获取真机运行综合特性曲线的数据，通过试验得到机组在不同水头、不同运行工况下的过机流量，进而调节机组流量使其在高效率区间运行，提高机组运行稳定性和经济性。关键词：水电站；效率试验；流速仪法；水轮机流量中图分类号：TK730.7文献标识码：A文章编号：1672-5387（2023）09-0055-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.09.017表 1 发电电动机主要参数机组参数单位数值发电电动机型号/SF100/44-8510额定容量MVA117.6额定电压kV13.8额定电流A4 922额定功率因数/0.85额定频率Hz50额定转速r/min136.4飞逸转速r/min280极数个44表 2 水轮机主要参数机组参数单位数值水轮机型号/HLA835g-LJ-419最大水头m77额定水头m61最小水头m49水轮机额定出力MW88水轮机额定流量m3/s160.66额定点效率91.52额定转速r/min136.4飞逸转速r/min280转轮直径 D2mm4 190安装高程m89.3转轮叶片数片13导叶叶片数片24固定导叶数片12导叶高度mm1 02456第 46 卷水 电 站 机 电 技 术效率试验，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水轮机绝对效率试验项目水轮机蜗壳压差的 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试验水头下水轮机实测效率与设计值的比较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：t=PtPh=PtQgH式中：Pt，水轮机输出功率，kWPh，水轮机输入功率，kW，水的密度，根据水温和绝对压力在 IEC 60041 附录 E 中查得，kg m-3Q，水轮机流量，m3 s-1g，当地重力加速度，根据现场纬度和海拔计算得出，m s-2H，水轮机工作水头，m3.2 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 3354-20084推荐圆形断面测点布置如图 1 所示。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。图 1 流速仪支架及测量断面尺寸图流速仪支架共有 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、57第 9 期刘 鹏，等：广东枫树坝水电站水轮机绝对效率试验及结论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310。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）58第 46 卷水 电 站 机 电 技 术图 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 076.146 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。参考文献：1周叶，潘罗平，曹登峰，等.基于流速仪法的水轮机绝对效率试验研究 J.大电机技术，2019（3）：48-52.2王邦旭，蔡家林，蒙淑平，等.基于流速仪法的柘林水电厂 A1 号机组效率试验 J.中国农村水利水电，2017（10）：136-139.3水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程：GB/T20043-2005S.北京：中国标准出版社，2005.4封闭管道中流量的测量在全部管道中和规则流量条件下使用流量计的速度面积法：ISO3354:2008S.5张瑞勋.枫树坝水电站机组经济运行分析 C/广东省水力发电工程学会论文集，2009.到早发现、早处理，将电力故障消除在萌芽状态。应用无人机对电力设施进行常态化巡检，将极大地降低巡检人员和电力行业的工作强度，实现减员增效和安全运营。4.3 农业病虫害巡检无人机巡检可广泛应用到大面积经济作物、药材、果蔬等作物的长势分析、病虫害监控、精准施药等，大幅度提高产量和效益，实现由传统农业向数字化、智能化农业转变。4.4 森林防火巡检无人机巡检可结合红外热成像技术、物联感知、烟感温感遥测和大数据分析等技术，广泛应用到森林防火、珍贵野生物保护、防盗、防虫害等方面；实现对森林资源的综合管理和全面防护。4.5 地质灾害防治我国地质灾害频发，应用无人机对地质灾害频发的区域，定期进行 3D 巡检扫描生成详细的地理信息，经大数据对比分析。可对滑坡、崩塌、危岩等地质灾害进行早期识别告警和治理，避免大范围的群死群伤的事故发生，可减少人民群众和国家社会的财产损失。5 结语随着我国无人机技术的不断进步，促使其他相关领域如飞控系统、航电系统、测绘技术、光学摄像、激光探测和 5G 通信技术等不断革新升级。无人机巡检将逐渐取代人工巡检，并将广泛应用于水利、电力、交通、治安、边防军事、应急救援、环境保护等领域。参考文献：1郑小英.高压输电线路中无人机电力巡检技术的应用 J.自动化应用，2022（12）：112-114.2薛峰.怎样分析电力系统故障录波图 M.北京：中国电力出版社.3彭向阳，易琳，钱金菊，等.大型无人直升机电力线路巡检系统实用化 J.高电压技术，2020，46（2）：384-396.（上接第 5 0 页）