四川九龙河江边水电站水轮机模型验收试验

方 晓 红

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州 310014）

前言

九龙河江边水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县，电站总装机330MW，共装3台单机容量110MW的立轴混流式水轮发电机组。水轮发电机组（包括进水球阀）设备由东芝水电设备（杭州）有限公司（以下简称“东芝公司”）制造，水轮机主要参数如表1所示。

表1 水轮机主要参数

江边水电站水轮发电机组合同于 2008年 1月签订。2008年7月在日本东京横滨电力和工业系统研究与发展中心，东芝水力研究实验室2号试验台上进行水轮机模型验收试验。

1 水轮机模型相似性问题说明

江边水电站的水轮机模型引用东芝公司为国内类似水头段某电站开发的水轮机模型，在此水轮机模型的基础上，根据江边电站的水能参数和合同水轮机性能保证要求，按IEC60193（1999）标准的相关要求，重新进行水轮机模型试验和最终验收试验。

从蜗壳进口到尾水锥管进口，该模型水轮机与江边水电站水轮机完全相似，但根据江边水电站实际布置的需要，从尾水锥管出口到尾水管扩散段出口两者不相似，江边机组尾水管与模型尾水管形状对比详见图1所示。

图1 原型与模型尾水管形状比较

江边机组尾水管与模型尾水管换算后尺寸相比：尾水管长度加长28.5%，尾水管高度加高4.9%。一般来说，若尾水管高度较大，则尾水管内的有效压力回收会比较好，机组性能也会较好。且经比较，尾水管各断面面积分布与模型尾水管各断面面积分布非常相似，因此从宏观上分析，尾水管的差异对水轮机水力性能的影响甚小。为了进一步证实其结果的可靠性，东芝公司专门针对尾水管不相似部分进行了CFD流体解析计算，计算结果显示：模型尾水管与江边尾水管的水力损失差异仅为 0.01%，因此，可忽略尾水管差异对水轮机能量指标的影响。

2 水轮机模型试验装置

2.1 模型试验装置简介

2号模型试验台由1600m3水池、冷却泵、工作泵、流量计、压力水箱、模型水轮机和尾水箱等组成，模型试验装置简图如图 2所示，试验台主要参数如表2所示，江边水电站水轮机模型主要参数如表3所示。

图2 模型试验台系统简图

表2 试验台主要参数

表3 水轮机模型主要参数

2.2 模型试验测量设备、标定和误差

模型试验台安装自动数据采集和处理系统，主要测量设备和仪表均为高精度原级标定设备。

转速测量：由电子脉冲计数器测量，由设置在脉冲计数器内的高精度振荡器控制，晶体振荡器的精度高达±1×10-6，无需校准。

水头测量：一只差压变送器用于测量进口和出口压差以确定水轮机的水力比能，另一只差压变送器用于测量出口压力以用于确定有效吸出比能；差压变送器由空气活塞式重锤压力计校准。

流量测量：由电磁流量计测量，电磁流量计通过称重法来校准，如图3所示。

图3 称重法简图

扭矩测量：一只500kW电磁测功器用来测量由水轮机产生的扭矩。装在测功器定子机座上的全自动高精度负载传感器测量扭矩臂末端的反作用力，用标准砝码校准；

轴向水推力测量：由压力传感器测量测功器的静压轴承的油压；

尾水管涡带和转轮出口空化观测：用频闪灯，安装在接近尾水管进口上端部位；

转轮进口脱流观察：用频闪灯和CCD照相机，安装在顶盖上；

压力脉动测量：压力传感器，直接装在测点上；

导叶水力矩测量：应变片，贴在4只活动导叶上。

各种参数的测量仪器、仪表均已按要求，在试验前由日本权威机构进行了标定。在水轮机模型验收试验期间对流量、力矩、轴向水推力测量装置等做了重复性检查，对未做重复标定的仪器进行原级证书验证，各项标定结果满足IEC规程的相关规定。

试验台试验仪器标定及效率误差分析表明，模型试验台效率综合误差为±0.27%，未超过±0.3%的合同规定。

3 水轮机模型验收试验

3.1 模型验收试验项目

在模型验收试验前，东芝公司已按合同提交了《水轮机模型验收试验大纲》和《水轮机模型试验初步试验报告》。验收试验包括对水轮机初步试验报告结果的复核试验，以及对效率试验、空化试验、压力脉动试验、水轮机轴向水推力试验、Winter-Kennedy指数试验、飞逸转速试验、补气试验等主要性能指标的见证试验。见证和复核项目的工况点及数目由验收组确定。

3.2 模型验收试验结果

由于模型试验台导叶开度不能任意角度调整，在进行模型试验前，东芝公司事先在控制环相应位置根据导叶开度打好销钉孔，试验时根据确定的导叶开度用销钉固定在某开度位置（导叶开度从2mm、4mm、6mm……20mm、22mm、24mm、26mm、28mm 及一些合同规定工况开度），如图4所示。因此见证试验的工况点与合同的效率保证的工况不完全对应，保证点的效率值通过试验值作成的曲线插值得到。控制环上导叶开度定位销钉孔

图4 控制环上导叶开度定位销孔

3.2.1 效率试验

原型水轮机效率按合同采用 2/3moody公式等值修正。在电站空化系数下，共对31个工况点进行水轮机模型效率见证试验。其中21个工况点的效率高于初步模型试验报告提供数值，另有9个工况点的效率略低于初步模型试验报告值，但是其偏差均在模型效率试验综合误差允许范围内。效率验收结果表明，原型水轮机最优效率、额定效率和加权平均效率均满足合同保证值的要求，效率试验成果如表4所示。

表4 效率试验成果

3.2.2 水轮机空化试验

根据合同要求，临界空化系数定义为与无空化工况效率相比，效率开始变化时的系数（如图5中σco）。但东芝公司认为此点试验难以确定，而是采用与效率保持不变的延伸线与效率急剧变化的交点确定为临界空化系数σcs，如图5所示，经商议，验收组表示认可。初生空化系数合同中定义为在任意三个叶片上产生第一个可见气泡时的空化系数，而验收试验以观察到叶片背面出口第一个气泡来确定的初生空化系数。空化基准面按IEC60193规定的Zc，如图5所示。

图5 临界空化系数定义和空化基准面简图

水轮机空化验收试验重点针对空化性能较为严峻的额定工况点进行验收试验，验收试验额定工况临界空化系数σcs=0.044，小于合同保证值σcs=0.057，且水轮机空化性能验收试验得到的数值与初步试验数值符合性较好。按照试验所得到的初生空化系数计算确定的电站允许吸出高度为-7.9m，满足电站实际吸出高度（-8.2m）要求。

3.2.3 水轮机轴向水推力试验

水轮机轴向水推力试验是在设计间隙下进行的。为获得作用于转轮上的轴向水推力，先测量静压轴承的油压力，根据测量的油压力计算轴向水推力。轴向水推力验收试验，共对18个工况点进行见证试验，得到的数值与初步试验报告提供的数值基本符合。因合同保证值为两倍设计间隙下轴向水推力，最大水头、两倍设计间隙下轴向水推力根据设计间隙下轴向水推力换算得到。经计算，最大水头、两倍设计间隙下的轴向水推力T为2905kN，小于合同保证值3334kN。转轮轴向水推力受力分析图，如图6所示。

图6 受力分析图

3.2.4 压力脉动试验

水轮机模型验收试验时增加了高水头、小导叶开度下的18个试验工况点，进行压力脉动验收试验。由于江边原型水轮机空载开度为6mm，模型水轮机的空载开度约为1mm，模型试验最小导叶开度为2mm，难以确定空载开度下的压力脉动值。对合同保证值中其它的尾水管压力脉动，见证试验结果与初步试验结果基本吻合，且试验值均低于合同保证值，详见图7和表5。

图7 尾水管压力脉动见证试验与初步试验结果对照

表5 最大水头306.2m尾水管上部压力脉动见证试验与初步试验对比

3.2.5 Winter-Kennedy指数试验

模型蜗壳同一断面两测点用差压变送器测量其差压，同时用电磁流量计测量水轮机的流量，得出模型水轮机流量与压差之间的关系，测点布置如图8所示。共对18个工况点进行水轮机模型Winter-Kennedy指数验收试验，得到的数值与初步试验结果一致，认同初步试验报告中提供的Winter-Kennedy指数。

3.2.6 飞逸转速试验

飞逸试验是在电站空化系数、一定导叶开度下进行。在做飞逸试验之前，将测功器装置调整为电动机方式运行，使电动机的输入功率与测功装置所消耗的功率相等，即水轮机完全不带负荷运行。在输出功率为零时，加大流量，转速能达到的最大值即为飞逸转速。根据模型试验成果，得到原型水轮机的最大飞逸转速为556.8r/min，低于合同保证值590 r/min。

3.2.7 补气试验

水轮机补气试验采用在尾水锥管处安装十字补气管向转轮中心补气。通过空压机补入压缩空气，补气压力为 0.25MPa，将其流量转换为大气压下的流量。在电站空化系数下，分别对额定水头272m、导叶开度12mm，补气量为0、～0.5%Qr、～1.0%Qr，以及最大水头 306.2m、导叶开度 8mm，补气量为 0、～0.5%Qr、～1.0%Qr和～1.5%Qr进行补气试验，补气试验结果详见表6。

从表中可见，补气使水轮机效率略有下降，对压力脉动有一定的改善。但因水轮机运行区域内压力脉动值均较小，补气对进一步减小压力脉动幅值效果不是十分显著。

4 结语

水轮机模型验收试验按规定程序及合同要求顺利完成，试验项目完整，验收试验的结果与模型初步试验结果一致，模型试验成果可作为原型水轮机设计、制造的依据。

[1]GB/T15613-2008. 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验[S].

[2]IEC 60193-1999. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines model acceptance test[S].

[3]东芝水电.四川江边水电站水轮机模型试验报告[R].2008.