雙牌水電站水輪機增容工程的模型驗收試驗(送永州機電學(xué)會)

1、.：.；第 PAGE 10頁共 NUMPAGES 10頁雙牌水電站水輪機增容工程的模型驗收實驗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，首臺機組選擇先做模型實驗，后制造真機，盡能夠優(yōu)化設(shè)計的方案。初次模型實驗由于壓力脈動實驗等不滿足合同要求，經(jīng)過專家論證后，優(yōu)化設(shè)計方案，再次進(jìn)展模型實驗。最終實驗結(jié)果符合國標(biāo)要求，根本滿足合同要求。關(guān)鍵字：增容改造模型實驗壓力脈動技術(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驗基地的水力機械實驗室TP實驗臺上，以驗證水輪機的水力性能等各項目的能否滿足合同要求。模型實驗驗收援用參照的規(guī)范為： IEC60193和IEC609。實驗單位中

2、國水利水電科學(xué)研討院于2021年2月提交了實驗大綱，于2021年10月完成了模型水輪機初步實驗，并提交了實驗報告。2021年10月28日至31日，雙牌水電站組織驗收小組見證了模型實驗。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)展了模型實驗。實驗臺簡介大興實驗基地水力機械實驗室共有TP1、TP2和TP3三座現(xiàn)代化的高精度水力機械模型通用實驗臺。性能測試包括水泵、水輪機、水泵-水輪機的能量、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)葉水力矩等實驗和水泵-水輪機的四象限實驗。TP1實驗臺主要技

3、術(shù)參數(shù)如下：實驗水頭范圍：0150m；實驗流量范圍：02.2 m3/s；測流方式：電磁流量計；測功電機功率范圍：540KW;測功電機轉(zhuǎn)速范圍：02600r/min實驗臺的重力加速度：9.8015 m/s2；實驗臺綜合誤差：0.2；實驗臺反復(fù)測試誤差：0.1；實驗臺水頭動搖誤差：0.5%；實驗臺轉(zhuǎn)速動搖誤差：0.2%；機組參數(shù)：原型機組主要參數(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模型機組主要參數(shù)根據(jù)要求，模型實驗采用的模型水輪機的過流通道與原型機組模擬。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；模型實驗根據(jù)要求，模型實驗工程包括：效率實驗、出力實驗、空化實驗、壓力脈動實驗、飛逸實驗、水推力實驗、補氣實驗等。效率實驗先進(jìn)展最優(yōu)效率實驗，確定最優(yōu)工況點，然后在能量工況下進(jìn)展效率實驗，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)平均效率實驗。實驗水頭：H20m。實驗水溫下水的最大運動粘性系數(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。空化實驗實驗水頭：H20m。空化實驗?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。壓力脈動實驗實驗水頭：H20m。實驗是在以電站導(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驗。飛逸實驗實驗水頭：H=10m。每一導(dǎo)葉開度下采用轉(zhuǎn)速控制方式，調(diào)理測功機轉(zhuǎn)速，使水輪機輸出力矩-0.2NmTm0.2Nm，采集該點作為單位飛逸轉(zhuǎn)速n1R。導(dǎo)葉開度范圍為8mm26mm。軸向水推力實驗實驗水頭：H20m。實驗是在以電站導(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。利用水輪機靜壓

7、軸承的上油腔與下油腔的壓力差來測得。補氣實驗實驗水頭：H20m。實驗是在以電站導(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，采用錐管補氣方法，確定補氣對壓力脈動值的影響。驗收實驗結(jié)果與分析初次實驗傳感器率定率定結(jié)果：確認(rèn)實驗臺的水輪機模型效率綜合誤差滿足合同規(guī)定的0.25要求。效率實驗在電站空化系數(shù)下，進(jìn)展了30m、32m、34m、36m、40m頭下的效率實驗。實驗結(jié)果及對比分析如下：最高效率最高效率點位于原型水頭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、初步實驗值94.2195.70驗收實驗值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初步實驗值92.6294.06驗收實驗值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初步實驗值86.3287.70驗收實驗值86.3887.82加權(quán)平均效率滿足合同要求?？栈瘜嶒烌炇諏嶒炘谠?2m水頭出力40.2MW、38m水頭出力51.9MW工況下進(jìn)展了空化實驗。實驗結(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，驗收實驗值低于合同要求；初生空化系數(shù)未到達(dá)合同要求1.3。壓力脈動實驗在電站空化系數(shù)下，驗收實驗進(jìn)進(jìn)展了28.1m、35m、38m、43m水頭下的壓力脈動實驗。實驗結(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機組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值初步實驗值驗收實驗值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機組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值初步實驗值驗收實驗值28.160100619.7019.343560100617.9617.02388010031.852.16434080617.8918.21壓力脈動實驗值未滿足合同要求。飛逸轉(zhuǎn)速實驗導(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。軸向水推力實驗?zāi)Ｐ蜋C轉(zhuǎn)輪未開減壓孔，最大軸向水推力實驗值為3412kN，大于合同規(guī)定值2150kN。未滿足合同要求。補氣實驗在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)展了補氣實驗。補氣方式為短管補氣。實驗結(jié)果如下：No.水頭m出力MWH/Hm%補氣系數(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收實驗中，空化實驗、水推力實驗和尾水壓力脈動實驗結(jié)果未滿足合同要求。為分析其緣

13、由及真機運轉(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、湖南省電力實驗研討院水動所、湖南省水利水電勘測設(shè)計研討總院機電處及設(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，在尾水錐管上加裝十字補氣架，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加裝了十字補氣架，于2021年4月再次進(jìn)展了模型實驗。補充實驗壓力

14、脈動實驗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驗進(jìn)展了實驗。實驗結(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機組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值補充實驗值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機組料想出力混頻雙振幅峰值H/H(%)合同規(guī)定值補充實驗值28.160100611.243060100610.12306010

15、068.52356010068.74388010038.85406010067.9543408068.66實驗結(jié)果闡明：在機組穩(wěn)定運轉(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，因此電站應(yīng)盡量防止在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)工況范圍外運轉(zhuǎn)。補氣實驗在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)展了補氣實驗，實驗結(jié)果如下：No.水頭m出力MWH/Hm%補氣系數(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實驗結(jié)果闡明：補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)增改完全勝利的機組僅約20。為充分思索、確保增改勝利，雙牌水電站在首臺機組中選擇先做模型實驗，再制造真機，以盡能夠優(yōu)化設(shè)計的方案。經(jīng)過二次模型實驗及原型換