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阿海水电站水轮机模型验收试验

2010/11/10 11:31:00 来源: 评论: 0 条 点击: 4528 次

曾镇铃

(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院  云南  昆明  650051)

摘  要:本文介绍了阿海水电站水轮机转轮模型验收试验的主要项目及试验结果,包括水轮机效率及出力验收试验、压力脉动验收试验、空化验收试验、飞逸转速验收试验、圆筒阀试验以及模型尺寸检查。验收试验结果表明模型水轮机各项试验参数的重复性较好,验证了阿海水电站水轮机的各项性能指标。

关键词:水轮机模型;模型试验;初步试验;验收试验;阿海水电站

0  概述

阿海水电站位于金沙江中游河段,是金沙江中游河段一库八级的第四级,上游与梨园水电站相衔接,下游为金安桥水电站。电站距丽江约120km,距攀枝花市约299km。阿海水电站水头变化范围为63~88 m,额定水头77 m,装设5 台400 MW的水轮发电机组,水轮机额定出力408. 2 MW,额定流量571. 9m3/s,额定转速88.2r/min。水轮机由天津ALSTOM公司生产供货,水轮机水力设计和模型试验由法国ALSTOM公司负责。2008 年10 月21日~30 日在法国格林诺布的ALSTOM公司实验室TP3试验台上完成水轮机模型验收试验。

1 试验装置及测量设备率定和效率试验误差分析

1.1  试验台及模型水轮机主要参数

 ALSTOM公司实验室TP3试验台主要参数:试验水头10m~70m:最大流量900l/s,测功机最大功率360kW,最大转速2400rpm,模型转轮最大直径500mm。该试验台设有精度较高的各类测量仪器仪表,可以进行能量、空化、飞逸、压力脉动、水推力、导叶力矩、圆筒阀等各类试验。

阿海水电站水轮机模型水轮机主要参数:模型转轮出口直径350mm ,导叶高度b0 = 0.335D ,活动导叶数Z0 = 24 ,固定导叶数Z= 24 ,尾水管高度h0 = 3.268D(自导水机构中心线算起) ,原模型尺寸比为21.857142∶1。

2.2  测量设备率定和效率试验误差分析

模型验收试验前,对ALSTOM公司提供的试验仪器、设备率定结果及有效的率定证书进行了审查,审查过的试验仪器、设备率定误差在合同保证值范围内,并对流量计等主要测量仪器进行了率定,其结果与初步试验报告一致。
模型试验的误差包括两个方面,一是试验台的测量仪器和设备的系统误差与率定误差,二是随机误差。综合考虑流量测量误差、水头测量误差、力矩测量误差、转速测量误差以及随机误差,水轮机模型试验台综合误差率为0.22 %,最大值小于合同规定的模型试验台0.25 %的精度要求。

2  模型验收试验

2.1  水轮机效率及出力验收试验

依据合同规定,模型水轮机效率试验在无空化条件下进行,试验水头30m。在初步模型效率试验的基础上,进行了模型水轮机效率和出力的验收试验,水轮机效率验收试验主要验证水轮机最高效率及其工况点、加权平均效率。

2.1.1 最优效率点验收试验

在初步模型试验中,最优工况出现在导叶开度16.8 mm(24.8°) ,参数n1′为73 rpm , Q1′为939.49l/s ,ηmmax 为94. 81 % ,依据初步效率试验结果,选择模型水轮机最优效率点附近的14.5、16.8、18.2 mm共3 种导叶开度进行效率试验,以寻找最优效率工况点。在该工况点(导叶开度16.8mm,单位转速为73r/min、单位流量为937.7 l/s)下,按双方规定的程序验证了模型最高效率并进行了10次复核试验,10次试验结果的平均值作为本次验收试验的最高值。模型水轮机最优工况点参数为:单位转速73r/min、单位流量937.7 l/s,效率94.75%。根据合同规定的效率修正公式计算,原型与模型间的效率修正值为1.61%,则原型水轮机最优效率为96.36%。验收试验的模型最优效率和原型最优效率都高于合同要求的94.67%和96.31%的规定。

2.1.2 加权平均效率验收试验

加权平均效率验证对合同规定的23个加权因子工况点逐个进行了效率试验,覆盖了电站的全部运行区域。验收试验结果表明,模型加权平均效率为92.75%,满足合同规定的保证值92.71 %的要求。经计算,原型加权平均效率为94.36% , 满足合同规定的保证值94.35 %的要求。

2.1.3 出力验收试验

按规定在额定转速下,在合同规定的水头63 m, 67 m, 72 m, 77 m, 82 m, 88 m工况下,导叶开度为30.9°、26.9°和23.6°下进行了水轮机出力测试,结果表明水轮机出力分别为301.2MW、332.9MW、371.2MW、408.4MW、409.7MW、409.5MW,均满足合同规定的相应出力300.74MW、331.87MW、370.06MW、408.2MW、408.2MW、408.2MW的要求。

2.2  压力脉动试验

2.2.1  测点布置和测试方法

压力脉动试验,根据合同和专题会议要求在蜗壳进口设2个,导叶后转轮前(无叶区)设2个,锥管0.3D2 上下游各设1个,锥管0.5D2 上下游各设1个,尾水肘管外侧和内侧各设1个,共10个位置布置测点,并安装压力脉动传感器。
压力脉动试验在电站装置空化系数条件下进行,试验水头30 m。依据合同规定选取导叶中心线高程作为压力脉动试验的空化系数计算基准高程,并在不补气工况下进行。每一通道的数据采集由计算机获取和存储。分析全部信号给出峰峰值,同时为了发现主频率还进行了FFT 分析。并按IEC的规定采用97%置信度,从而获得压力脉动时域内的压力脉动峰峰值。

2.2.2  压力脉动的验证试验

压力脉动验收试验是在初步模型试验所提供的压力脉动值较大的各工况点以及其他特征点选定88 m,、82.2 m 、 77 m 、72m 、 63m水头和选定的活动导叶开度下进行的,共验证29个工况点,并且这29个工况点也是初步试验中所包含的工况点。验证试验的同时对尾水管的涡带和转轮出口空化情况进行了照相记录。验收试验结果表明,验收试验结果与初步试验结果基本一致,所有验收工况点的压力脉动值在IEC规定的误差范围内满足合同保证值。

ALSTOM公司在初步实验中还进行了长、短泄水锥的压力脉动试验,并对长、短泄水锥的压力脉动值进行了对比分析,短泄水锥在运行范围内有一明显的压力脉动带,长泄水锥在运行范围内的压力脉动值较小,长泄水锥对水轮机的稳定性有利,因此推荐了长泄水锥,在此情况下,要求在模型初步试验和验收试验中除按合同规定的测点外,另增加尾水锥管0.5D2上下游处各1个测点,并将其测量结果与尾水管0.3D2处对应的上下游测点进行分析比较。

根据压力脉动各工况的验收试验值,对尾水锥管0.3D2和0.5D2的对应的上下游测点所测定的压力脉动值就行了初步分析,试验结果表明这两个不同位置的测点所测得的压力脉动值大小不完全一致,各工况在不同测点所测值有大也有小,没有一定的变化规律,但这两个位置所测得的压力脉动值的差距很微小。

2.3  水轮机空化试验

水轮机空化验收试验主要是空化现象观察及空化特性试验。观察试验在电站空化系数下进行,空化参考面高程为导叶中心线,试验水头30 m。初步试验中,厂家已经完成了高水头下的水轮机进水边负压侧初生空化线、大流量低水头下流道正压侧初生空化线、初生叶道涡流线以及叶道涡的发展线的观察试验工作。

2.3.1 空化特性验收试验

模型验收试验选择在真机水头为88m(P=408.2MW)和77m(P=408.2MW)工况下的初生空化系数?i和临界空化系数?c。并在装置空化系数?p,初生空化系数?i和临界空化系数?c下进行拍照.。按照合同规定,模型试验临界空化系数定义为无空化工况的效率线与效率急剧下降线的切线交点处的空化系数;初生空化系数为转轮有1个叶片表面出现可见气泡在3个及以上时的所对应的空化系数值。

试验结果表明,上述所抽查的2个工况点进行的空化试验,满足初生空化系数?i的裕度大于1.2,  临界空化系数?c的裕度大于1.5的合同有关空化性能规定。验收试验与初步模型试验的结果基本一致。

2.3.2  空化现象及流态观测

叶道涡观测:在真机水头为63m,77m, 80m , 88m的不同运行工况下,进行了叶道涡观察试验并复核初步模型试验叶道涡发展线的位置。按合同规定,叶道涡发展线定义为叶道涡已在所有叶道内出现,叶道涡位于叶道中间。验收试验表明叶道涡发展线位于电站高水头45%Pr~60%Pr范围内。验收试验与初步模型试验的结果基本一致.。
叶片进水边空化观测:在导叶开度为23°, 27°, 29°、31°工况下,进行了叶片进水边正压面和负压面的空化观察并复核初步模型试验提供的进水边正压面和负压面的空化线的位置,验收试验表明进水边正压面和负压面的空化线在合同规定的运行区域外。验收试验与初步模型试验的结果基本一致.。

卡门涡观测试验:为复核初步模型试验所提供的卡门涡位置进行了卡门涡观测验收试验,验收试验在电站运行范围以外单位转速为74.00rpm,导叶开度为33°的工况观察到卡门涡,验收试验与初步模型试验的结果基本一致。在电站装置空化系数下的电站运行范围内,未发现叶片出水边卡门涡。

2.4  飞逸转速验收试验

根据合同要求进行了飞逸转速验收试验,并将其结果与初步模型试验相对比。飞逸验收试验在电站装置空化系数下:,为水头为最大水头88m,导叶开度为30°和34°工况下进行。验收试验结果与初步模型试验相一致,根据试验结果计算, 真机在水头为88m时的最大飞逸转速为160.93rpm,小于合同保证值170rpm。

2.5  筒阀水力性能验收试验

为检查筒阀水力性能和复核初步模型试验的结果,进行了筒阀水力性能的验收试验。验收试验选择了真机在最大水头88m,导叶开度为5°、8°、20°、35°,筒阀开度为5.8mm(5%),3mm(2.6%),1mm(0.9%),0mm下,筒阀在导叶同步正常工况的筒阀的自关闭力试验。试验结果显示验收试验与初步模型试验的结果相一致,圆筒阀在正常运行工况下具有自关闭趋势。

但由于模型水轮机上采用了特殊装置来允许筒阀开关移动,模型筒阀上端部的几何形状不完全与真机相似,模型筒阀下端部几何形状与真机完全相似。因此模型机筒阀阀体的几何形状与真机不完全相似,ALSTOM认为此差异不会影响真机筒阀的水力性能。

2.6模型尺寸验收检查

验收试验结束后进行了模型装置尺寸及型线检查,对蜗壳、尾水管、固定导叶、活动导叶、转轮叶片型线及筒阀等主要部件的尺寸都进行了检查。实测尺寸与设计值比较后,均在允许偏差范围内。

3  结语

(!)ALSTOM公司TP3通用试验台功能、试验条件、阿海水轮机模型机组、测试仪表及其率定系统、数据采集及处理系统、模型试验测试误差等满足合同要求和IEC60193的规定。模型效率测试综合误差为±0.22%,小于合同规定的±0.25%的要求。

(2)模型验收的各项试验都在合同规定的条件下进行。验收试验结果表明:模型验收试验结果与初步模型试验的结果基本一致; 出力、效率、空化、压力脉动、飞逸转速、筒阀水力特性等性能指标基本满足合同保证值及要求。

(3)从模型初步试验和验收试验的流态观测均发现叶道涡发展线小部分进入了电站运行范围,但通过对在此范围内的运行工况加密进行压力脉动值测量,未发现压力脉动值有突变和增大,因此初步认为对水轮机稳定性影响可能较小,但仍要求ALSTOM公司进一步采取措施,确保水轮机的安全稳定运行。

(4)ALSTOM公司对阿海电站水轮机进行了长、短泄水锥的压力脉动试验,并对长、短泄水锥的压力脉动值进行了对比分析,试验结果显示短泄水锥在运行范围内有一明显的压力脉动带,长泄水锥在运行范围内的压力脉动值较小,长泄水锥对水轮机的稳定性有利,推荐长泄水锥。但要求ALSTOM公司在原型水轮机结构设计和制造上采取可靠的措施,确保长泄水锥不脱落。

(5) 为了更好的测定尾水管压力脉动值的变化,在常规的尾水锥管0.3D2测点外增加了尾水锥管0.5D2的上下游测点,并对尾水锥管0.3D2和0.5D2对应的上下游测点所测定的压力脉动值进行了初步分析,试验结果表明这两个不同位置的测点所测得的压力脉动值大小不完全一致,各工况在不同测点所测值有大也由小,没有一定的变化规律,但这两个位置所测得的压力脉动值的差距很微小。