双牌水电站水轮机增容工程的模型验收试验(送永州机电学会)).docx

双牌水电站水轮机增容工程的模型验收试验
（湖南省双牌水电站　张小华）

摘　要：双牌水电站为确保增容改造工程的成功，首台机组选择先做模型试验，后制造真机，尽可能优化设计的方案。首次模型试验由于压力脉动试验等不满足合同要求，经过专家论证后，优化设计方案，再次进行模型试验。最终试验结果符合国标要求，基本满足合同要求。
关键字：增容改造　模型试验　压力脉动　技术论证　

根据《湖南省双牌水电站增容改造工程3#水轮发电机组及其附属设备采购合同协议书》（以下简称协议书）的要求，在北京水科院大兴试验基地的水力机械试验室TP１试验台上，以验证水轮机的水力性能等各项指标是否满足合同要求。模型试验验收引用参照的标准为： IEC60193《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验规程》和IEC609《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀损坏评定标准的规定进行》。
试验单位中国水利水电科学研究院于2009年2月提交了试验大纲，于2009年10月完成了模型水轮机初步试验，并提交了试验报告。2009年10月28日至31日，双牌水电站组织验收小组见证了模型试验。由于尾水管压力脉动指标未满足合同要求，设备承制厂家浙江富春江水电设备股份有限公司（以下简称浙富公司）对设计方案进行了优化后，于2010年4月再次进行了模型试验。
一、 试验台简介
大兴试验基地水力机械试验室共有TP1、TP2和TP3三座现代化的高精度水力机械模型通用试验台。性能测试包括水泵、水轮机、水泵-水轮机的能量、空化、压力脉动、飞逸转速、蜗壳压差及轴向水推力、径向力、导叶水力矩等试验和水泵-水轮机的四象限试验。
TP1试验台主要技术参数如下：
试验水头范围：0～150m；
试验流量范围：02.2 m3/s；
测流方式：电磁流量计；
测功电机功率范围：540KW;
测功电机转速范围：0～2600r/min
试验台的重力加速度：9.8015 m/s2；
试验台综合误差：<0.2％；
试验台重复测试误差：<0.1％；
试验台水头波动误差：≤±0.5%；
试验台转速波动误差：≤±0.2%；
二、 机组参数：
1、 原型机组主要参数：
转轮型号：ZF45B；
额定转速：107r/min；
转轮直径：4.25m；
最大水头：43m;
额定水头：38m；
最小水头：28.1m；
电站所在地重力加速度：9.789 m/s2；
电站水密度：0.9982（20℃）；
电站安装高程：128.30m；
各水头的尾水位：
净水头
（m）
28.1
30
32
34
35
36
38
40
43
尾水位
（m）
127.93
127.93
127.97
128.00
128.03
127.98
127.93
127.97
128.00
电站装置
空化系数
0.3418
0.3201
0.3001
0.2825
0.2744
0.2668
0.2527
0.2401
0.2233
2、 模型机组主要参数　
根据《协议书》要求，模型试验采用的模型水轮机的过流通道与原型机组模拟。模型装置转轮下面的锥管采用透明材料制作。
原模型比尺：11.78；
进口直径：0.3614m；
蜗壳包角：345度；
固定导叶数：24片；
导叶相对高度：0.35D1；
导叶分布圆直径：1.12D1；
尾水肘管型状：圆变椭圆；
尾水管高度（至导叶中心线）：2.82D1；
三、 模型试验
根据《协议书》要求，模型试验项目包括：效率试验、出力试验、空化试验、压力脉动试验、飞逸试验、水推力试验、补气试验等。
1、 效率试验
先进行最优效率试验，确定最优工况点，然后在能量工况下进行效率试验，绘制等开开度　线与等效率线，最后还要在电站装置空化系数下进行加权平均效率试验。
试验水头：H≥20m。
试验水温下水的最大运动粘性系数：
VM=e(-16.92+396.13/(107.41+Twm))=1.2360310-6m2/s;
模型雷诺数ReuM=Dm2×/Vm=5.85×106＞2.5×106。雷诺数满足IEC规程的规定。
2、 空化试验
试验水头：H≥20m。空化试验能量工况在尾水箱通大气条件下，然后封闭尾水箱，逐步抽真空以降低尾水箱内压力，直到效率下降了1.5％为止，临界空化系数值采用σ1。
3、 压力脉动试验
试验水头：H≥20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站装置空化系数σp下进行的。
测点位置布置在距转轮出口0.37D1处的锥管上、下游位置。共进行了28.1m、32m、35m、38m、40m和43m六个水头的压力脉动试验。
4、 飞逸试验
试验水头：H=10m。每一导叶开度下采用转速控制模式，调节测功机转速，使水轮机输出力矩-0.2Nm≤Tm≤0.2Nm，采集该点作为单位飞逸转速n1R。导叶开度范围为8mm～26mm。
5、 轴向水推力试验
试验水头：H≥20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站装置空化系数σp下进行的。利用水轮机静压轴承的上油腔与下油腔的压力差来测得。
6、 补气试验
试验水头：H≥20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站装置空化系数σp下进行的。选择压力脉动值比较大的工况点，采用锥管补气方法，确定补气对压力脉动值的影响。
四、 验收试验结果与分析
1、 首次试验
a． 传感器率定
率定结果：确认试验台的水轮机模型效率综合误差满足合同规定的<0.25％要求。
b． 效率试验
在电站空化系数下，进行了30m、32m、34m、36m、40m头下的效率试验。试验结果及对比分析如下：
（1） 最高效率
最高效率点位于原型水头38.6m附近（对应模型导叶开度19.01mm，n11=73.27r/min，Q11=1248.49l/s）处。
最高效率（％）
模型
原型
合同规定值
93.1
94.6
初步试验值
94.21
95.70
验收试验值
94.16
95.62
最高效率满足合同要求。
（2） 额定效率
额定效率（％）
模型
原型
合同规定值
91.06
92.85
初步试验值
92.62
94.06
验收试验值
92.54
94.00
额定效率满足合同要求。
（3） 加权平均效率
　加权平均效率（％）
模型
原型
合同规定值

87.82
初步试验值
86.32
87.70
验收试验值
86.38
87.82
加权平均效率满足合同要求。
c． 空化试验
验收试验在原型32m水头出力40.2MW、38m水头出力51.9MW工况下进行了空化试验。试验结果及对比分析如下：
工况
电站装置空化系数σp
初生空化系数σi
临界空化系数σ1
Ki=σp/σi
K1=σp/σ1
水　头
（m）
出力（MW）
32
40.2
0.3001
0.2948
0.1838
1.017
1.633
38
51.9
0.2527
0.2829
0.1710
0.893
1.477
转轮的临界空化系数合同规定值为≥1.6，验收试验值低于合同要求；初生空化系数未达到合同要求≥1.3。
d． 压力脉动试验
在电站空化系数下，验收试验进进行了28.1m、35m、38m、43m水头下的压力脉动试验。试验结果及对比分析如下：
尾水管压力脉动混频双振幅值（+Y0.37D1）
水头
（m）
机组预想出力
（％）
混频双振幅峰值ΔH/H(%)
合同规定值
初步试验值
验收试验值
28.1
60～100
<6
16.57
17.46
35
60～100
<6
17.84
15.39
38
80～100
<3
2.21
2.34
43
40～80
<6
12.39
14.21
尾水管压力脉动混频双振幅值（-Y0.37D1）
水头
（m）
机组预想出力
（％）
混频双振幅峰值ΔH/H(%)
合同规定值
初步试验值
验收试验值
28.1
60～100
<6
19.70
19.34
35
60～100
<6
17.96
17.02
38
80～100
<3
1.85
2.16
43
40～80
<6
17.89
18.21
压力脉动试验值未满足合同要求。
e． 飞逸转速试验
导叶最大开度23mm时的单位飞逸转速是124.5r/min，根据原型机最大水头43m换算为：192.1r/min。合同规定值为235r/min，满足合同要求。
f． 轴向水推力试验
模型机转轮未开减压孔，最大轴向水推力试验值为3412kN，大于合同规定值2150kN。未满足合同要求。
g． 补气试验
在28.1m、35m、38m和43m水头下，部分负荷下压力脉动值较大的工况下进行了补气试验。补气方式为短管补气。试验结果如下：
No.
水头（m）
出力（MW）
△H/Hm（%）
补气系数PHI（%）
HD1
HD2
1
28.1
12.10
16.33
13.65
0.00
28.1
11.93
14.73
12.22
0.19
28.2
11.73
13.70
10.69
0.56
28.1
24.67
14.89
16.08
0.00
28.1
23.61
11.78
8.96
0.72
2
35.0
32.17
12.01
15.02
0.00
35.1
31.12
9.70
8.293
0.37
24.9
14.97
10.18
10.46
0.00
35.0
15.29
7.708
9.794
0.37
35.0
15.41
4.424
8.655
0.73
3
38.0
15.19
9.493
10.14
0.00
38.1
15.50
6.176
8.210
0.37
38.0
15.47
4.201
5.77
0.72
38.0
36.91
8.872
9.883
0.00
38.0
33.84
1.98
1.962
0.56
4
43.0
43.02
7.465
8.014
0.00
43.0
40.05
1.593
1.448
0.38
43.1
20.51
12.19
13.84
0.00
43.0
19.66
5.086
5.748
0.38
43.0
19.57
3.35
4.537
0.56
补气对降低压力脉动值有一定的效果。
2、 技术论证
由于首次模型验收试验中，空化试验、水推力试验和尾水压力脉动试验结果未满足合同要求。为分析其原因及真机运行将带来的影响，双牌水电站于2009年12月邀请中国水科院水动所、湖南省电力试验研究院水动所、湖南省水利水电勘测设计研究总院机电处及设备承制厂家等多名专家进行了技术论证。
浙富公司提交了一份水推力复核报告。报告表明真机转轮开设减压孔后，水推力指标将满足合同要求。与会专家认可复核报告。
论证会主要就尾水管压力脉动值超标的原因和影响进行了讨论。建议完全模拟真机，在尾水锥管上加装十字补气架，并适当优化转轮泄水锥形状，将有利于压力脉动值的优化。
为此，浙富公司通过CFD分析，优化了六种形状的泄水锥，从中选优。并在尾水锥上完全模拟真机加装了十字补气架，于2010年4月再次进行了模型试验。
3、 补充试验
a． 压力脉动试验
在电站装置空化系数下，对28.1m、30m、32m、35m、38m、40m和43m水头下的压力脉动试验进行了试验。试验结果及对比分析如下：
尾水管压力脉动混频双振幅值（+Y0.37D1）
水头
（m）
机组预想出力
（％）
混频双振幅峰值ΔH/H(%)
合同规定值
补充试验值
28.1
60～100
<6
10.86
30
60～100
<6
10.29
32
60～100
<6
9.53
35
60～100
<6
8.50
38
80～100
<3
7.98
40
60～100
<6
7.49
43
40～80
<6
6.63
尾水管压力脉动混频双振幅值（-Y0.37D1）
水头
（m）
机组预想出力
（％）
混频双振幅峰值ΔH/H(%)
合同规定值
补充试验值
28.1
60～100
<6
11.24
30
60～100
<6
10.12
30
60～100
<6
8.52
35
60～100
<6
8.74
38
80～100
<3
8.85
40
60～100
<6
7.95
43
40～80
<6
8.66
试验结果表明：在机组稳定运行工况范围内，压力脉动最大幅值为10.29%，满足国家标准3％～11%的要求。在电站40m以上水头的低负荷区域（10MW及以下工况），发现有压力脉动峰值点，因此电站应尽量避免在稳定运行工况范围外运行。
b． 补气试验
在28.1m、30m、38m和43m水头，对压力脉动幅值较大的部分负荷工况进行了补气试验，试验结果如下：
No.
水头（m）
出力（MW）
△H/Hm（%）
补气系数PHI（%）
HD1
HD2
1
28.2
18.01
10.70
10.23
0.00
28.1
15.49
8.82
5.96
0.59
28.2
12.11
9.47
6.07
0.60
28.2
11.98
8.02
7.33
0.81
2
30.0
13.96
10.04
7.5
0.00
30.1
14.15
9.6
6.07
0.41
30.1
13.94
7.53
6.24
0.80
3
38.0
25.06
8.68
8.34
0.00
38.0
22.87
6.12
4.01
0.59
38.1
35.05
6.3
5.46
0.00
38.0
31.98
2.59
1.76
0.59
4
43.0
54.81
0.87
0.79
0.00
43.1
53.46
1.46
1.23
0.19
43.0
30.16
8.15
8.73
0.00
43.0
28.20
4.50
2.96
0.40
试验结果表明：补气对降低压力脉动值有较明显的效果。
五、 结束语
水轮发电机组增容改造工程较新建工程较复杂，不可预见的情况较多。国内现增改完全成功的机组仅约20％。为充分考虑、确保增改成功，双牌水电站在首台机组中选择先做模型试验，再制造真机，以尽可能优化设计的方案。
经过二次模型试验及原型换算后，结果表明：ZF45B转轮水力性能基本满足合同要求。尾水管压力脉动值虽然超出合同规定值，但水轮机在稳定运行范围内满足国家标准3％～11％的要求。实际运行中，避免或减少低水头和高水头低负荷工况下运行。
二次模型试验表明，尾水管十字补气架对破坏尾水涡带、降低压力脉动值有很大的作用。尾水管十字补气架自投产运行以来已有四十多年，需要对其结构、容量及强度进行现场检查与复核。

参考文献：
[1]崔增华，石泉扩机工程的水轮机模型验收试验[j],西北水电，1999，（3）。
作者简介：
张小华，湖南省双牌水电站技改办，水办机械工程师，13974699164