雙牌水電站水輪機(jī)增容工程的模型驗(yàn)收試驗(yàn)(送永州機(jī)電學(xué)會)

1、.：.；第 PAGE 10頁共 NUMPAGES 10頁雙牌水電站水輪機(jī)增容工程的模型驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)湖南省雙牌水電站張小華摘要：雙牌水電站為確保增容改造工程的勝利，首臺機(jī)組選擇先做模型實(shí)驗(yàn)，后制造真機(jī)，盡能夠優(yōu)化設(shè)計的方案。初次模型實(shí)驗(yàn)由于壓力脈動實(shí)驗(yàn)等不滿足合同要求，經(jīng)過專家論證后，優(yōu)化設(shè)計方案，再次進(jìn)展模型實(shí)驗(yàn)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合國標(biāo)要求，根本滿足合同要求。關(guān)鍵字：增容改造模型實(shí)驗(yàn)壓力脈動技術(shù)論證根據(jù)以下簡稱協(xié)議書的要求，在北京水科院大興實(shí)驗(yàn)基地的水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室TP實(shí)驗(yàn)臺上，以驗(yàn)證水輪機(jī)的水力性能等各項目的能否滿足合同要求。模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收援用參照的規(guī)范為： IEC60193和IEC609。實(shí)驗(yàn)單位中

2、國水利水電科學(xué)研討院于2021年2月提交了實(shí)驗(yàn)大綱，于2021年10月完成了模型水輪機(jī)初步實(shí)驗(yàn)，并提交了實(shí)驗(yàn)報告。2021年10月28日至31日，雙牌水電站組織驗(yàn)收小組見證了模型實(shí)驗(yàn)。由于尾水管壓力脈動目的未滿足合同要求，設(shè)備承制廠家浙江富春江水電設(shè)備股份以下簡稱浙富公司對設(shè)計方案進(jìn)展了優(yōu)化后，于2021年4月再次進(jìn)展了模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺簡介大興實(shí)驗(yàn)基地水力機(jī)械實(shí)驗(yàn)室共有TP1、TP2和TP3三座現(xiàn)代化的高精度水力機(jī)械模型通用實(shí)驗(yàn)臺。性能測試包括水泵、水輪機(jī)、水泵-水輪機(jī)的能量、空化、壓力脈動、飛逸轉(zhuǎn)速、蝸殼壓差及軸向水推力、徑向力、導(dǎo)葉水力矩等實(shí)驗(yàn)和水泵-水輪機(jī)的四象限實(shí)驗(yàn)。TP1實(shí)驗(yàn)臺主要技

3、術(shù)參數(shù)如下：實(shí)驗(yàn)水頭范圍：0150m；實(shí)驗(yàn)流量范圍：02.2 m3/s；測流方式：電磁流量計；測功電機(jī)功率范圍：540KW;測功電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：02600r/min實(shí)驗(yàn)臺的重力加速度：9.8015 m/s2；實(shí)驗(yàn)臺綜合誤差：0.2；實(shí)驗(yàn)臺反復(fù)測試誤差：0.1；實(shí)驗(yàn)臺水頭動搖誤差：0.5%；實(shí)驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速動搖誤差：0.2%；機(jī)組參數(shù)：原型機(jī)組主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪型號：ZF45B；額定轉(zhuǎn)速：107r/min；轉(zhuǎn)輪直徑：4.25m；最大水頭：43m;額定水頭：38m；最小水頭：28.1m；電站所在地重力加速度：9.789 m/s2；電站水密度：0.998220；電站安裝高程：128.30m；各水頭的尾水位：凈水

4、頭m28.13032343536384043尾水位m127.93127.93127.97128.00128.03127.98127.93127.97128.00電站安裝空化系數(shù)0.34180.32010.30010.28250.27440.26680.25270.24010.2233模型機(jī)組主要參數(shù)根據(jù)要求，模型實(shí)驗(yàn)采用的模型水輪機(jī)的過流通道與原型機(jī)組模擬。模型安裝轉(zhuǎn)輪下面的錐管采用透明資料制造。原模型比尺：11.78；進(jìn)口直徑：0.3614m；蝸殼包角：345度；固定導(dǎo)葉數(shù)：24片；導(dǎo)葉相對高度：0.35D1；導(dǎo)葉分布圓直徑：1.12D1；尾水肘管型狀：圓變橢圓；尾水管高度至導(dǎo)葉中心線：2.

5、82D1；模型實(shí)驗(yàn)根據(jù)要求，模型實(shí)驗(yàn)工程包括：效率實(shí)驗(yàn)、出力實(shí)驗(yàn)、空化實(shí)驗(yàn)、壓力脈動實(shí)驗(yàn)、飛逸實(shí)驗(yàn)、水推力實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)等。效率實(shí)驗(yàn)先進(jìn)展最優(yōu)效率實(shí)驗(yàn)，確定最優(yōu)工況點(diǎn)，然后在能量工況下進(jìn)展效率實(shí)驗(yàn)，繪制等開開度線與等效率線，最后還要在電站安裝空化系數(shù)下進(jìn)展加權(quán)平均效率實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)水頭：H20m。實(shí)驗(yàn)水溫下水的最大運(yùn)動粘性系數(shù)：VM=e(-16.92+396.13/(107.41+Twm)=1.2360310-6m2/s;模型雷諾數(shù)ReuM=Dm2/Vm=5.851062.5106。雷諾數(shù)滿足IEC規(guī)程的規(guī)定?？栈瘜?shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)水頭：H20m?？栈瘜?shí)驗(yàn)?zāi)芰抗r在尾水箱通大氣條件下，然后封鎖尾水箱，逐漸抽

6、真空以降低尾水箱內(nèi)壓力，直到效率下降了1.5為止，臨界空化系數(shù)值采用1。壓力脈動實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)水頭：H20m。實(shí)驗(yàn)是在以電站導(dǎo)葉中心線為參考面的電站安裝空化系數(shù)p下進(jìn)展的。測點(diǎn)位置布置在距轉(zhuǎn)輪出口0.37D1處的錐管上、下游位置。共進(jìn)展了28.1m、32m、35m、38m、40m和43m六個水頭的壓力脈動實(shí)驗(yàn)。飛逸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)水頭：H=10m。每一導(dǎo)葉開度下采用轉(zhuǎn)速控制方式，調(diào)理測功機(jī)轉(zhuǎn)速，使水輪機(jī)輸出力矩-0.2NmTm0.2Nm，采集該點(diǎn)作為單位飛逸轉(zhuǎn)速n1R。導(dǎo)葉開度范圍為8mm26mm。軸向水推力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)水頭：H20m。實(shí)驗(yàn)是在以電站導(dǎo)葉中心線為參考面的電站安裝空化系數(shù)p下進(jìn)展的。利用水輪機(jī)靜壓

7、軸承的上油腔與下油腔的壓力差來測得。補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)水頭：H20m。實(shí)驗(yàn)是在以電站導(dǎo)葉中心線為參考面的電站安裝空化系數(shù)p下進(jìn)展的。選擇壓力脈動值比較大的工況點(diǎn)，采用錐管補(bǔ)氣方法，確定補(bǔ)氣對壓力脈動值的影響。驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析初次實(shí)驗(yàn)傳感器率定率定結(jié)果：確認(rèn)實(shí)驗(yàn)臺的水輪機(jī)模型效率綜合誤差滿足合同規(guī)定的0.25要求。效率實(shí)驗(yàn)在電站空化系數(shù)下，進(jìn)展了30m、32m、34m、36m、40m頭下的效率實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析如下：最高效率最高效率點(diǎn)位于原型水頭38.6m附近對應(yīng)模型導(dǎo)葉開度19.01mm，n11=73.27r/min，Q11=1248.49l/s處。最高效率模型原型合同規(guī)定值93.194.6

8、初步實(shí)驗(yàn)值94.2195.70驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值94.1695.62最高效率滿足合同要求。額定效率額定效率模型原型合同規(guī)定值91.0692.85初步實(shí)驗(yàn)值92.6294.06驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值92.5494.00額定效率滿足合同要求。加權(quán)平均效率加權(quán)平均效率模型原型合同規(guī)定值87.82初步實(shí)驗(yàn)值86.3287.70驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值86.3887.82加權(quán)平均效率滿足合同要求。空化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)在原型32m水頭出力40.2MW、38m水頭出力51.9MW工況下進(jìn)展了空化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析如下：工況電站安裝空化系數(shù)p初生空化系數(shù)i臨界空化系數(shù)1Ki=p/iK1=p/1水頭m出力MW3240.20.30010.294

9、80.18381.0171.6333851.90.25270.28290.17100.8931.477轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)合同規(guī)定值為1.6，驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值低于合同要求；初生空化系數(shù)未到達(dá)合同要求1.3。壓力脈動實(shí)驗(yàn)在電站空化系數(shù)下，驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)進(jìn)進(jìn)展了28.1m、35m、38m、43m水頭下的壓力脈動實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析如下：尾水管壓力脈動混頻雙振幅值+Y0.37D1水頭m機(jī)組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值初步實(shí)驗(yàn)值驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值28.160100616.5717.463560100617.8415.39388010032.212.34434080612.3914.21尾水管壓力脈動混頻

10、雙振幅值-Y0.37D1水頭m機(jī)組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值初步實(shí)驗(yàn)值驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)值28.160100619.7019.343560100617.9617.02388010031.852.16434080617.8918.21壓力脈動實(shí)驗(yàn)值未滿足合同要求。飛逸轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)導(dǎo)葉最大開度23mm時的單位飛逸轉(zhuǎn)速是124.5r/min，根據(jù)原型機(jī)最大水頭43m換算為：192.1r/min。合同規(guī)定值為235r/min，滿足合同要求。軸向水推力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)轉(zhuǎn)輪未開減壓孔，最大軸向水推力實(shí)驗(yàn)值為3412kN，大于合同規(guī)定值2150kN。未滿足合同要求。補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)在28.1m、35m、38m和43m

11、水頭下，部分負(fù)荷下壓力脈動值較大的工況下進(jìn)展了補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)。補(bǔ)氣方式為短管補(bǔ)氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：No.水頭m出力MWH/Hm%補(bǔ)氣系數(shù)PHI%HD1HD2128.112.1016.3313.650.0028.111.9314.7312.220.1928.211.7313.7010.690.5628.124.6714.8916.080.0028.123.6111.788.960.72235.032.1712.0115.020.0035.131.129.708.2930.3724.914.9710.1810.460.0035.015.297.7089.7940.3735.015.414.4248.655

12、0.73338.015.199.49310.140.0038.115.506.1768.2100.3738.015.474.2015.770.7238.036.918.8729.8830.0038.033.841.981.9620.56443.043.027.4658.0140.0043.040.051.5931.4480.3843.120.5112.1913.840.0043.019.665.0865.7480.3843.019.573.354.5370.56補(bǔ)氣對降低壓力脈動值有一定的效果。技術(shù)論證由于初次模型驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)中，空化實(shí)驗(yàn)、水推力實(shí)驗(yàn)和尾水壓力脈動實(shí)驗(yàn)結(jié)果未滿足合同要求。為分析其緣

13、由及真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將帶來的影響，雙牌水電站于2021年12月約請中國水科院水動所、湖南省電力實(shí)驗(yàn)研討院水動所、湖南省水利水電勘測設(shè)計研討總院機(jī)電處及設(shè)備承制廠家等多名專家進(jìn)展了技術(shù)論證。浙富公司提交了一份水推力復(fù)核報告。報告闡明真機(jī)轉(zhuǎn)輪開設(shè)減壓孔后，水推力目的將滿足合同要求。與會專家認(rèn)可復(fù)核報告。論證會主要就尾水管壓力脈動值超標(biāo)的緣由和影響進(jìn)展了討論。建議完全模擬真機(jī)，在尾水錐管上加裝十字補(bǔ)氣架，并適當(dāng)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪泄水錐外形，將有利于壓力脈動值的優(yōu)化。為此，浙富公司經(jīng)過CFD分析，優(yōu)化了六種外形的泄水錐，從中選優(yōu)。并在尾水錐上完全模擬真機(jī)加裝了十字補(bǔ)氣架，于2021年4月再次進(jìn)展了模型實(shí)驗(yàn)。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)壓力

14、脈動實(shí)驗(yàn)在電站安裝空化系數(shù)下，對28.1m、30m、32m、35m、38m、40m和43m水頭下的壓力脈動實(shí)驗(yàn)進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析如下：尾水管壓力脈動混頻雙振幅值+Y0.37D1水頭m機(jī)組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)值28.160100610.863060100610.29326010069.53356010068.50388010037.98406010067.4943408066.63尾水管壓力脈動混頻雙振幅值-Y0.37D1水頭m機(jī)組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)值28.160100611.243060100610.12306010

15、068.52356010068.74388010038.85406010067.9543408068.66實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明：在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)，壓力脈動最大幅值為10.29%，滿足國家規(guī)范311%的要求。在電站40m以上水頭的低負(fù)荷區(qū)域10MW及以下工況，發(fā)現(xiàn)有壓力脈動峰值點(diǎn)，因此電站應(yīng)盡量防止在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍外運(yùn)轉(zhuǎn)。補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)在28.1m、30m、38m和43m水頭，對壓力脈動幅值較大的部分負(fù)荷工況進(jìn)展了補(bǔ)氣實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：No.水頭m出力MWH/Hm%補(bǔ)氣系數(shù)PHI%HD1HD2128.218.0110.7010.230.0028.115.498.825.960.5928.212.1

16、19.476.070.6028.211.988.027.330.81230.013.9610.047.50.0030.114.159.66.070.4130.113.947.536.240.80338.025.068.688.340.0038.022.876.124.010.5938.135.056.35.460.0038.031.982.591.760.59443.054.810.870.790.0043.153.461.461.230.1943.030.168.158.730.0043.028.204.502.960.40實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明：補(bǔ)氣對降低壓力脈動值有較明顯的效果。終了語水輪發(fā)電機(jī)組增容改造工程較新建工程較復(fù)雜，不可預(yù)見的情況較多。國內(nèi)現(xiàn)增改完全勝利的機(jī)組僅約20。為充分思索、確保增改勝利，雙牌水電站在首臺機(jī)組中選擇先做模型實(shí)驗(yàn)，再制造真機(jī)，以盡能夠優(yōu)化設(shè)計的方案。經(jīng)過二次模型實(shí)驗(yàn)及原型換