洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验分析

熊 涛，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)



洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验分析

熊 涛，王康生

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603)

江西洪屏抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验主要包括率定检查、效率和出力试验、空化试验、飞逸试验、低扬程试验、压力脉动试验、轴向水推力试验、活动导叶水力矩试验、压差指数试验、水泵零流量试验、四象限全特性曲线和模型通流部件尺寸检查等。试验结果表明，该水泵水轮机的S特性良好，安全裕度比较大；水泵水轮机的效率和出力、空化、压力脉动等各种性能指标均满足了合同规定及电站运行要求，各项综合性能指标达到国际先进水平。

水泵水轮机；模型试验；抽水蓄能电站

1 工程概况

江西洪屏抽水蓄能电站位于江西省宜春市靖安县三爪仑乡境内，距南昌、九江、武汉的直线距离分别为65、100 km和190 km，处于江西负荷中心，属周调节纯抽水蓄能电站。电站装机容量1 200 MW，装设4台单机容量300 MW的立轴单级可逆混流式水泵水轮机组。电站建成后，平均年发电量17.43亿kW·h，平均年抽水耗电量22.93亿 kW·h，以500 kV一级电压、两回出线接入华中电网，在系统中担任调峰、填谷、调频、调相作用和事故备用等任务。

1.1 电站主要参数

水泵水轮机型式为立轴、单级、混流可逆式。电站运行最大毛水头/扬程570.0 m；最小毛水头/扬程535.0 m；额定净水头540.0 m；水泵水轮机安装高程93.0 m；水轮机工况正常频率变化范围49.5～50.2 Hz；水泵工况正常频率变化范围49.8～50.5 Hz；短时允许频率变化范围48.5～50.5 Hz。

1.2 机组主要参数

转轮进水边直径3 850 mm；转轮出口边直径1 934.9 mm；额定转速500 r/min；水轮机工况额定输出功率306 MW；机组4台。

2 验收试验项目

洪屏电站水泵水轮机模型试验在德国海登海姆福伊特水电公司水力试验室的通用型高水头2号试验台(UHD2)上进行，海登海姆试验台的精度不大于±0.25%。验收试验主要依据为《江西洪屏抽水蓄能电站机组及其附属设备采购合同》(以下简称合同)和IEC60193—1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》。

水泵水轮机模型验收试验主要包括：率定检查、效率和出力试验、空化试验、飞逸试验、低扬程试验、压力脉动试验、轴向水推力试验、活动导叶水力矩试验、压差指数试验、水泵零流量试验、四象限全特性曲线和模型通流部件尺寸检查等。

在模型验收试验前，对电磁流量计、水头和轴向水推力差压传感器、扭矩传感器、转速感应器、压力脉动传感器及含氧测量仪等均进行了标定，在水轮机工况和水泵工况下测试的效率试验综合误差分别为±0.2269%和±0.2270%，满足合同要求的±0.25%。

2.1 效率特性试验

效率特性试验内容包括：①水轮机工况下的模型最优效率点、运行区内最优效率点、额定效率及加权平均效率试验；②在水泵工况下模型的最优效率、加权平均效率。效率试验结果见表1、2。

表1 水轮机工况效率 %

表2 水泵工况效率 %

由表1、2可知，洪屏电站水泵水轮机各效率验收值与初步试验相符且满足合同要求。

2.2 空化特性试验

空化特性试验包括水轮机工况、水泵工况的临界空化和初生空化的确定。而对初生空化系数和临界空化系数的定义在IEC60193—1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》中有明确的定义。

水轮机工况的空化现象往往发生在叶片出口边的背面，而水泵工况发生在叶片进口处的背面，造成低压区的重合，该区域更易发生空化，因此水泵水轮机的空化性能主要取决于水泵工况的空化性能。故在进行空化验收试验时，重点对水轮机额定工况进行了空化特性验收试验，实验结果为：流量QP=62.09 m3/s，功率P=306 MW，水头HP=540 m，σC(装置空化系数)0.053 0，σi(初生空化系数)0.093 1，σpi(临界空化系数)0.148 0，σpi/σC(初生空化裕度)2.792，σpi/σi(临界空化裕度)1.590。可以看出，电站装置空化系数要远高于初生空化系数，空化裕度非常大，满足合同要求。对水泵工况的最大、最小毛扬程进行了空化验收试验，见图1。

图1 水泵工况空化系数验收结果

从水泵工况空化试验验收结果来看，在运行区，初生空化系数和临界空化系数都远远小于电站装置空化系数，都满足合同要求。

2.3 飞逸特性试验

模型验收试验时，对初步模型试验进行了复核。从真机特性曲线上，显示了要求的最大出力时导叶开度和真机水头的关系及最大飞逸转速的保证值，验收结果如图2所示。

图2 单位飞逸转速、单位流量与导叶开度对应关系

根据公式将图中的单位飞逸转速换算成真机的最大飞逸转速为615 r/min，满足合同规定的最大稳态飞逸转速的保证值700 r/min的要求。

2.4 压力脉动试验

压力脉动验收试验共采用4个压力脉动测点，分别是尾水管管壁、导叶与转轮之间、顶盖与转轮之间、蜗壳进口。表4、5分别列出了在电站空化条件下，最小水头520 m、额定水头540 m和最大水头565 m的水轮机工况压力脉动和对6个效率加权点及10个16°导叶开度下水泵工况的模型压力脉动验收试验结果。

从表3、4中可以看出，洪屏电站水泵水轮机在水轮机工况和水泵工况的压力脉动幅值与初步试验结果一致且满足合同要求。

表3 水轮机工况压力脉动试验 %

表4 水泵工况压力脉动试验 %

2.5 低扬程试验

水泵异常低扬程试验确定了第一次充水运行点的扬程和活动导叶开度分别为10°，扬程510 m。

2.6 水轮机异常低水头试验

水轮机工况异常低水头试验是为了找出允许的最低水头用于上游水库排水期间短期发电的异常低水头。在部分负荷压力脉动允许的条件下，异常最低净水头是493.29 m。洪屏电站一台机运行时的最小毛水头是496.74 m。该水头下的最小输出功率是142.72 MW；最小导叶开度是11.6 °。

2.7 轴向水推力试验

模型试验进行并验证了最大水头565 m时进行了水轮机工况的轴向水推力试验。模型验收试验测得在稳态工况时，水轮机工况最大向下水推力为1 250 kN，合同保证值为2 400 kN；水泵工况最大向下水推力为800 kN，合同保证值为2 400 kN。试验结果都满足合同要求。

2.8 水泵零流量扬程

在水头680.26 m进行了水泵0流量扬程试验，水泵最大入力为57.26 MW，水泵0流量扬程试验值为680.26 m，保证值为725 m。

2.9 全特性曲线

S 特性稳定性的界限定义在飞逸曲线与等导叶开度线的交点，该交点处斜率由正转换为负，即等开度线与飞逸线交点处不允许出现正斜率的要求。

图3给出了S 特性区域附近的详细结果。模型试验结果表明在机组正常运行范围内包括正常频率变化范围内在有关的等导叶开度线上(4°～6.2°)没有正斜率出现。机组在50 Hz 同步并网时最大导叶开度为4.5°，在50.2 Hz 同步并网时最大导叶开度为4.7°。因此模型试验显示S 特性稳定性的界限在Dj=6.2°。安全裕量在50.2 Hz 和50 Hz 时分别是32.4 m和36.8 m。S 型特性的模型验收试验结果满足合同规定的正常运行范围内。

图3 S特性区域附近曲线

2.10 水泵驼峰裕度试验

合同规定当两台机运行在最大扬程，频率在49.8 Hz下的水泵运行外包络线驼峰裕量为3.1%，本次验收试验与此相对应的的驼峰裕量计算值为3.90%。

本次验收试验计算值为：一台机在50 Hz下的最大扬程点对应的导叶开度(16°)的H-Q曲线驼峰裕量为2.68%；一台机在49.8 Hz 下的最大扬程点对应的导叶开度(16°)的H-Q曲线驼峰裕量为1.90%，厂家福伊特根据已建工程的经验认为有足够的安全裕量，能确保机组稳定运行，图4给出了真机水泵驼峰裕量在不同给定条件下的数值。

图4 水泵驼峰曲线

3 结 语

江西洪屏抽水蓄能电站模型水泵水轮机采用了近几年来国内外大型水泵水轮机较为先进而又成熟的一系列技术。水泵水轮机的S特性良好，安全裕度比较大；水泵水轮机的效率和出力、空化、压力脉动等各种性能指标均满足了合同规定及电站运行要求，各项综合性能指标达到国际先进水平。

[1]刘大恺. 水轮机[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 1996．

[2]梅祖彦. 抽水蓄能发电技术[M]. 北京： 机械工业出版社．

[3]IEC60193—1999 水轮机、 蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验[S]．

(责任编辑 高 瑜)

Analysis on Model Acceptance Test of Pump-Turbine for Hongping Pumped-storage Power Station

XIONG Tao, WANG Kangsheng

(Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China)

The model acceptance test of pump-turbine for Hongping Pumped-storage Power Station consists of calibration check, efficiency and output test, cavitation test, runaway test, low lift operation test, pressure pulsation test, axial thrust test, guide vane torque test, pressure index test, pump zero flow test, four-quadrant complete characteristic curves and flow-through component size examination. The test results show that, (a) the S-characteristics of pump-turbine is good and the safety margin is relatively large; (b) the efficiency, output, cavitation, pressure pulsation and other performance indicators of pump-turbine meet the requirements of contract and unit operation, and the comprehensive performance indicators reach international advanced level．

pump-turbine; model test; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 09

熊涛(1982—)，男，江西南昌人，高级工程师，主要从事水电站检修与技术管理工作．

TV743(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0074- 03