南水北调泗阳站水泵装置发电特性模型试验及应用

丁淮波 潘卫锋 孙 宇

南水北调泗阳站水泵装置发电特性模型试验及应用

丁淮波1,2潘卫锋1,2孙 宇1,2

一、工程概况

泗阳泵站是南水北调东线梯级泵站之一，泵站设计净扬程6.3m，设计选定叶轮直径D=3.1m的立式轴流泵6台套（1台备用），转速125r/min，单泵流量33.4m3/s，总流量200m3/s。

当骆马湖泄水时，泗阳泵站可以利用上游的来水发电。经统计，泗阳站发电时正常运行水头3.5～4.0m，倒泄发电流量120m3/s左右。

二、发电试验

1.发电试验装置

泗阳泵站发电模型试验装置即提水模型泵装置，模型泵为动力特性模型试验所用TJ20号水力模型。TJ20模型叶片数Z=4，导叶叶片数Zh=7，轮毂比α=0.468。泵装置进水为肘型进水流道，出水为虹吸出水流道。

泵站试验台动力机为40kW他激式直流电机。发电试验时，电机励磁接头外接220V励磁电源，电枢接头外接负载（可耗电12kW的电阻丝组），连同水泵即形成水轮水力发电机组。发电工况调节通过负载切入、切换实现。

2.试验量测和记录

（1）流量Q：流量由转换器IMT-25直读，同时通过专用微机显示、记录。

（2）水头H：发电试验水头测试中，分别于进口水箱和出口水箱壁设测压点，经稳压后接差压变送器。水头H等于进、出口水箱的总能头差，差压传感器mH2O读数即装置水头：（m）。

（3）轴功率P、转速n：泵轴扭矩T （N·m）、转速n（r/min）及轴功率P（kW）由JN338型测功扭矩仪二次仪表直读；另通过专用微机系统显示、记录。

（4）模型装置效率：模型泵装置效率按下式计算：

式中：ρ为水体密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；Q为模型流量（m3/s）；H为模型装置水头（m）；T为模型输出轴扭矩（Nm）；T0为空载扭矩（Nm），由轴承与轴封摩擦阻力造成，不带叶轮泵工况空转测得。

3.发电特性试验结果

发电特性完成5个叶片角（0°、±2°、±4°）模型试验。通过模型试验，提供不同叶片角的发电特性成果，包括：n=n（H）、Q=Q（H）、η=η（H）、P=P （H）；提供不同叶片角水头与最优转速关系曲线nopt=n（H）及P=P（nopt，H）。

（1）模型试验结果（列举0°叶片角为例）：表1为0°叶片角发电模型试验数据。

表1 TJ20号模型0°装置数据表

（2）不同叶片角模型综合特性：分别做了0°、±2°、±4°叶片角综合特性曲线（图略），ηm为模型效率，N0、Q0分别为“单位转速”和“单位流量”。

式中：nm、Qm分别为试验实测模型转速（r/min）和模型流量(m3/s)。

（3）原型特性计算：由模型试验数据，可得发电装置“单位转速”、“单位流量”，再由原型直径Dn和转速nn计算相应工况点原型水头Hn、原型流量Qn。

原型效率ηn按照IEC60 193（水轮机、蓄能泵及水泵模型验收试验国际规程）标准换算。

式中：Reoptm为最优工况点模型周向速度雷诺数；Rem为任意工况点模型周向速度雷诺数；ηhoptm为最优工况点模型水力效率，近似取总效率。

（4）不同叶片角不同转速发电特性:分别做了额定转速（n=125r/min）及降速（n=90r/min）发电特性曲线。ηn为原型效率，ηn=ηm表示效率未作换算。

（5）不同叶片角水头与最优转速：根据5个叶片角发电试验结果，并绘制0°、±2°、±4°水头与最优转速及发电量关系曲线。对照泗阳站可用发电水

头，实际发电宜采用叶片角0°或负角度。

（6）不同叶片角不同水头发电特性，为方便应用，绘制出0°叶片角3.0m、4.0m、5.0m特定水头条件发电特性曲线。

三、飞逸特性试验

发电试验过程中切除全部负载并切断励磁电源时水泵转速即飞逸转速。

以叶片角-2°为例，根据试验结果计算原型飞逸转速。

叶片角-2°、H=1.55m时飞逸转速n1m=948.3r/min；H=2.38m时飞逸转速n1m=1164r/min。因模型试验中水封、轴承存在摩擦转矩，实际飞逸转速要稍大于上述计算值。根据试验结果按比例推算，无摩擦转矩n1m约增加20 r/min，工况单位飞逸转速：

取n'=n1'=233.33,原型水头以泵工况最高扬程Hn=6.8m计，则飞逸转速为:

约为提水额定转速n=125r/min 的1.58倍。

四、发电水力脉动试验

在发电试验装置尾水管侧壁装设一只高动态响应的压力传感器。用美国NI公司的数据采集卡并配LabVIEW分析软件采样、分析水力发电工况下的水力脉动特性。分别采集了0°叶片角度共3个不同流量工况点的水力脉动数据，如图1、2、3所示。

图1 叶片角度0°Q=212L/s

图2 叶片角度0°Q=220L/s

图3 叶片角度0°Q=229L/s

五、流道流态试验

1.进、出流道流态观测

为观察发电工况流道内的流态，分别在进、出水流道壁及喇叭口、导水锥粘挂示踪物（红丝线）。试验结果表明，进、出水流道内流线总体平顺，无危害性旋涡产生。

2.进、出水流道发电工况水力损失测试

测试了发电工况9个不同流量点的进、出水流道水力损失（图4）。按照S=Δh/Q2公式计算各点模型进、出水流道阻力系数平均值为：Sd=27.3 m-5.s2，Ss=97.1m-5.s2；算至原型为：Sd=1.54× 10-4m-5.s2，Ss=5.46×10-4m-5.s2。

图4 进出水流道水力损失曲线（发电工况）

六、结论及建议

泗阳站泵站利用所选水力模型TJ20及所选虹吸出水流道配肘型进水流道条件发电是完全可行的。发电时出水流道流态平顺；进水流道作尾水管压力脉动较小，满足安全运行要求。

泗阳站泵站选用TJ20水力模型及流道型式，正常提水效率高，泵机组反转发电效率也高。叶片角0°最高发电模型效率高于80%。

鉴于泗阳泵站发电水头仅为正常提水扬程一半左右，为高效率发电，电机须变速，采用90r/min以下转速。

基于上述理由，泗阳站泵站发电宜采用叶片角0°或负角度运行。如采用变频调速作变速优化运行，叶片角0°叶片角度的水头与最优转速曲线可作参考。

七、应用及经济效益

经过比选，采用变频机组发电方式，全站增加了一套变频机组及其附属设备，对水泵和电动机结构和主泵房的设备布置都无影响。抽水和发电分开，运行管理也比较方便。主机组发电经变频机组并网，其中变频发电机型号TF3550-12， 功 率 3550 kW， 电 压10500V，电流244A，频率50Hz。变频电动机型号TF3800-6，功率3800kW，电压5000V，电流502A，频率25 Hz。同步电机发电工况时，单机功率700kW,电压5000V，频率25 Hz，转速62.5r/min。

泗阳站工程于2012年7月22日组织了发电工况单机预试运行工作；7月24日进行了机组发电工况预试运行测流工作，并逐台进行发电工况预试，6台套机组发电并网顺利，各项运行参数正常，进出水流道工况稳定，主机运行平稳，2012年8 月2日通过发电试运行验收。截至2014年4月发电运行138天，累计发电量420万kWh，较好地发挥了水力发电效益■

（作者单位：1.江苏省骆运水利工程管理处 223800 2.江苏省南水北调泗阳站工程建设处 223700）

（专栏编辑：张 婷）