河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验

熊从峰，潘军伟，雷家旺，胡旺兴

（河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司，河南 光山 213334）

1 概况

2021 年12 月，河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型在东方电机DF-150 水力机械通用试验台上进行了最终验收试验。试验内容主要有：能量试验、压力脉动试验、空化试验、飞逸转速试验、全特性试验等[1-3]。

模型验收及模型复核试验均以《河南新华五岳抽水蓄能电站机组及其附属设备采购合同》及水泵水轮机模型验收试验相关规范为依据。

模型水泵水轮机包括转轮、蜗壳、座环、导叶、尾水管等，流道与原型水轮机几何相似。原型水泵水轮机转轮进水边Φ4.419 m，出水边Φ2.945 m；模型转轮进水边Φ0.450 157 m，出水边Φ0.300 m；原模型尺寸比为9.816 667。活动导叶20 个，转轮叶片9 个。

2 模型试验台

DF-150 水力机械通用试验台可以进行水轮机、水泵、水泵水轮机等反击式水力机械的水力性能试验，试验台除进行水轮机、水泵、水泵水轮机等的常规水力性能试验外，还可以进行导叶（桨叶）水力矩、轴向水推力、补气、蜗壳压差、流场测试、流态观测、四象限特性等试验以及其它用户要求的特殊试验。试验台的模型尺寸、试验水头、雷诺数等试验参数均满足IEC 有关规程的规定。最高试验水头150 m；最大流量1.50 m3/s；测功电机功率500 kW；测功电机最高转速2 500 r/min；模型转轮直径范围250～500 mm；综合效率测试精度为±0.25%。

3 主要试验结果

3.1 水轮机工况能量试验

模型验收试验水头为40 m，最优工况模型雷诺数为ReUmopt=4.730 7×106(Tw=18.75℃）。按恒水头40 m 变转速进行试验。

（1）水轮机最优效率点

水轮机最优效率在无空化条件下试验，对最优效率点测量10 次，取其平均值，模型效率为92.73%，换算到原型机效率为94.62%。水轮机最优效率见表1。

表1 水轮机最优效率

试验结果表明换算到原型的水轮机最优效率满足合同要求。

（2）水轮机加权平均效率

加权平均效率试验在电站空化系数条件下进行，对Hp=269.62 m、260 m、250 m、241 m、230 m、220 m、214.66 m 下的水轮机加权平均效率因子工况点进行了复核，水轮机加权平均效率结果见表2。

表2 水轮机加权平均效率

根据模型试验结果，模型水轮机加权平均效率 89.93%，预期的原型水轮机加权平均效率为91.81%，满足合同要求。

3.2 水轮机工况空化试验

试验水头40 m，空化参考面为导叶中心线。临界空化系数σc值采用σ0.5，σ0.5 指与无空化工况效率相比，效率降低0.5%时的空化系数。初生空化系数σi定义为在2 个转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。对试验用水进行30 min的抽气运行后开始空化试验。利用闪频仪对所有空化现象包括气泡、旋涡的发生、发展进行观测拍照[4]。

验收试验对额定工况做了空化复核验收，验收试验与初步试验结果吻合，满足合同对无空化运行的要求。

3.3 水轮机工况飞逸转速试验

在试验水头10 m，导叶开度为3°、18°、28.8°（额定开度）、32°，高空化系数条件下进行飞逸转速特性试验，调节测功电机的转速，使水轮机输出力矩近似为0（绝对值小于1.0 N.m），测量模型水轮机的单位飞逸转速n11R[5]。试验结果见表3。

表3 水轮机飞逸转速

验收试验与初步试验结果吻合，水轮机飞逸转速满足合同保证值要求。

3.4 水轮机工况压力脉动试验

在试验水头40 m，电站空化系数条件下进行水轮机工况压力脉动试验，空化系数参考面以导叶中心线为准。测试系统完成各通道信号的同步采样，记录时域上的模拟信号波形，调用FFT 分析处理模块对信号进行频谱分析，确定主要分频幅值及其对应的频率[6]。压力脉动试验采样速率为2 000 Hz，采样时间16 s，混频峰峰值采用97%置信度，水轮机工况压力脉动试验结果见表4。

表4 水轮机工况压力脉动试验

试验结果表明，水轮机压力脉动验收结果满足合同要求。

3.5 水轮机工况异常低水头试验

上库进水口闸门井最低水位为290 m，下库正常蓄水位为89.184 m，由此得到可能的异常低毛水头为200.816 m，验收试验在推荐导叶角度20°下进行。

异常低水头能量与空化、压力脉动试验结果见表5、表6、表7。

表5 异常低水头能量试验

表6 异常低水头临界空化系数试验和初生空化系数试验

表7 异常低水头压力脉动试验

初生空化试验表明，在电站空化系数（σp=0.462 7）下未观察到叶片上出现任何气泡，即在该工况下水轮机可以无空化运行。

水泵水轮机允许运行至异常低毛水头200.816 m（上库进水口最低水位），推荐的运行开度为20.0°。

3.6 水泵工况能量性能试验

水泵性能试验按恒转速1 000 r/min 进行，在无空化条件下试验。根据空化试验结果，无空化条件与电站空化系数条件下的试验结果一致。试验开度范围α=12°～34°，开度间隔2°，流量系数范围0.10～0.40，覆盖完整的水泵运行范围。所有开度的试验完成后求出水泵的协联运行曲线。

水泵模型效率值为按二步法换算到模型雷诺数ReuM*＝7.0×106下的效率值。

（1）水泵工况最优效率

对最优效率点测量10 次，取其平均值，模型最优效率为92.17%，换算到原型机最优效率为93.91%。试验结果见表8。

表8 水泵工况最优效率

验收试验与初步试验结果吻合，水泵最优效率满足合同保证值要求。

（2）水泵加权平均效率

对合同要求的水泵所有加权平均因子工况点进行了复核，加权平均效率计算结果见表9。

表9 水泵加权平均效率

根据模型试验结果，模型水泵加权平均效率 91.94%，预期的原型水泵加权平均效率为93.69%，满足合同要求。

（3）水泵工况最大入力

水泵工况最大入力在最小毛扬程222.32 m、对应的频率分别为50.5 Hz 和50.0 Hz、电站空化系数条件下进行。试验结果表明，在频率为50 Hz 时包括原模型换算误差在内的水泵工况最大输入功率为252.97 MW，在电网正常频率变化范围内、包括原模型换算误差在内的原型水泵工况最大输入功率为262.2 MW，对应的频率为50.5 Hz。

水泵工况最大入力满足合同不大于267 MW 的要求。

（4）水泵流量特性

在50.0 Hz 频率条件下，对最大、最小毛扬程下进行平均流量试验，试验在电站空化系数条件下进行，结果见表10。

表10 水泵流量特性

试验结果表明，水泵流量特性满足合同水泵平均流量不小于89.3 m3/s 的要求。

（5）驼峰区裕度

在水泵最大扬程对应的导叶开度16°下进行水泵驼峰裕度试验，根据模型试验结果计算水泵最大扬程时的驼峰裕度，结果见表11。

表11 水泵驼峰区裕度

验收试验与初步试验结果吻合，驼峰区裕度满足合同保证值要求。

3.7 水泵工况空化试验

试验转速恒定为1 000 r/min，空化参考面为导叶中心线。临界空化系数σc值采用σ0.5。对试验用水进行30 min 的抽气运行后开始空化试验。在小于最优流量的运行区域，初生空化系数σi定义为在2 个及以上转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。利用闪频仪对所有空化现象的发生、发展进行观测拍照。

在正常频率变化范围内，空化性能验收试验结果见表12。

表12 水泵工况空化性能试验

验收试验与初步试验结果吻合，水泵工况空化性能满足合同保证无空化运行的要求。

3.8 水泵工况压力脉动试验

试验转速1 000 r/min，在电站空化系数条件下进行试验，空化系数参考面以导叶中心线为准。水泵工况压力脉动试验结果见表13。

表13 水泵工况压力脉动试验

试验结果表明：尾水管锥管进口压力脉动幅值不大于0.9%，满足合同保证值不大于1.0%的要求，无优势频率成分。导叶与转轮之间正常运行工况压力脉动幅值不大于2.5%，满足合同保证值不大于2.5%的要求，频率为9 倍转频，为叶片通过频率。

3.9 异常低扬程试验

上库进水口闸门井最低水位为290 m，下库正常蓄水位为89.184 m，由此得到可能的异常低毛扬程为200.816 m，验收试验在推荐导叶角度10°下进行。

异常低扬程能量、空化和压力脉动试验结果见表14、表15、表16。

表14 异常低扬程能量试验

表15 异常低扬程临界空化系数试验和初生空化系数试验

表16 异常低扬程压力脉动试验

初生空化试验表明，在电站空化系数（σp=0.432 9）下未观察到叶片上出现任何气泡，即在该工况下水泵可以无空化运行。

水泵水轮机允许在异常低毛扬程200.816 m（上库进水口最低水位）启动向上库充水运行，推荐的运行导叶角度为10°。

3.10 水泵工况零流量试验

对水泵工况下的导叶开度3°、2°、1°进行了零流量试验。在最小导叶开度1°下的压力脉动最大相对幅值试验结果见表17。

表17 水泵工况零流量试验

验收试验与初步试验结果吻合，零流量扬程、输入功率和压力脉动幅值满足原型机组在正常频率范围内的合同保证要求。

3.11 四象限全特性和“S”区余量试验

在高空化系数下进行的水泵水轮机四象限特性试验，试验水头不低于10 m。试验导叶角度为3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°、28.8°、30°、32°。试验工况包括水轮机工况、水轮机制动工况、反水泵工况、水泵工况、制动工况。

四象限全特性试验结果见图1。

图1 四象限特性试验单位流量与单位转速关系曲线

根据试验结果，考虑正常频率变化范围(49.5～50.2 Hz)，水泵水轮机在空载开度范围(导叶角度约3.0°～6.0°)内，等导叶角度线与飞逸线交点处均处于安全稳定的负斜率区域，未出现正斜率现象，并且还有较大的安全余量。“S”特性区临界点的判断标准为在M11～n11（M11 为单位力矩，n11 为单位转速）四象限特性曲线上，观察导叶开度线与n11 坐标轴（M11=0）的交点处，其切线与n11 坐标的夹角等于90°时即为“S”特性区临界点[7]。该处的n11 值考虑正常频率变化换算成的水头与最小水头的差值即为安全余量，计算结果见表18。

安全余量计算结果见表18。

表18 安全余量计算结果

模型试验结果表明水轮机在空载开度（3.0°～6.0°）区域完全无“S”特性，考虑正常频率变化范围(49.5～50.2 Hz)条件，稳定区域具有72.83 m的安全余量，而在额定频率(50.0 Hz)条件下，稳定区域具有74.02 m 的安全余量，满足合同保证值不小于70 m 安全余量的要求，能确保水轮机空载平稳并网。

4 尺寸检查

对水泵水轮机模型转轮、过流部件等关键部件和关键部位尺寸进行了抽查，抽查结果与设计值的偏差满足IEC 60193 规程规定的偏差要求。

5 结论

河南五岳抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验按照采购合同、验收试验大纲及有关规范要求进行，通过针对五岳电站水泵水轮机水力模型的多轮水力开发，筛选出的模型水泵水轮机用于五岳电站是适宜的，水泵水轮机的效率、流量、压力脉动等各参数均符合采购合同的规定，S 特性良好，安全余量高达74.02 m，可实现安全平稳开机与并网。