建筑工程管理双牌水电站水轮机增容工程的模型验收试验送永州机电学会

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1、（建筑工程管理） 双牌水电 站水轮机增容工程的模型 验收试验(送永州机电学 会) （建筑工程管理） 双牌水电 站水轮机增容工程的模型 验收试验(送永州机电学 会) 双牌水电站水轮机增容工程的模型验收试验 （湖南省双牌水电站张小华） 摘要：摘要：双牌水电站为确保增容改造工程的成功，首台机组选择先做模 型试验，后制造真机，尽可能优化设计的方案。首次模型试验由于压 力脉动试验等不满足合同要求，经过专家论证后，优化设计方案，再 次进行模型试验。最终试验结果符合国标要求，基本满足合同要求。 关键字：关键字：增容改造模型试验压力脉动技术论证 根据 湖南省双牌水电站增容改造工程 3#水轮发电机组及其附属 设

2、备采购合同协议书 （以下简称协议书）的要求，在北京水科院大 兴试验基地的水力机械试验室 TP试验台上，以验证水轮机的水力 性能等各项指标是否满足合同要求。 模型试验验收引用参照的标准为 ： IEC60193水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验规程和 IEC609水轮机、蓄能泵和水泵水轮机空蚀损坏评定标准的规定进 行 。 试验单位中国水利水电科学研究院于2009年2月提交了试验大纲， 于2009年10月完成了模型水轮机初步试验， 且提交了试验报告。 2009 年 10 月 28 日至 31 日，双牌水电站组织验收小组见证了模型试验。 由于尾水管压力脉动指标未满足合同要求， 设备承制厂家浙江富春

3、江 水电设备股份有限 X 公司（以下简称浙富 X 公司）对设计方案进行了 优化后，于 2010 年 4 月再次进行了模型试验。 一、 试验台简介 大兴试验基地水力机械试验室共有 TP1、TP2 和 TP3 三座现代化 的高精度水力机械模型通用试验台。性能测试包括水泵、水轮机、水 泵-水轮机的能量、空化、压力脉动、飞逸转速、蜗壳压差及轴向水 推力、径向力、导叶水力矩等试验和水泵-水轮机的四象限试验。 TP1 试验台主要技术参数如下： 试验水头范围：0150m； 试验流量范围：02.2m3/s； 测流方式：电磁流量计； 测功电机功率范围：540KW; 测功电机转速范围：02600r/min 试验台

4、的重力加速度：9.8015m/s2； 试验台综合误差：0.2； 试验台重复测试误差：0.1； 试验台水头波动误差：0.5%； 试验台转速波动误差：0.2%； 二、 机组参数： 1、原型机组主要参数： 转轮型号：ZF45B； 额定转速：107r/min； 转轮直径：4.25m； 最大水头：43m; 额定水头：38m； 最小水头：28.1m； 电站所在地重力加速度：9.789m/s2； 电站水密度：0.9982（20） ； 电站安装高程：128.30m； 各水头的尾水位： 净水头 （m） 28.13032343536384043 尾水位 （m） 127.93 127.93 127.97 128.0

5、0 128.03 127.98 127.93 127.97 128.00 电站装置 空化系数 0.3418 0.3201 0.3001 0.2825 0.2744 0.2668 0.2527 0.2401 0.2233 2、模型机组主要参数 根据协议书要求，模型试验采用的模型水轮机的过流通道和 原型机组模拟。模型装置转轮下面的锥管采用透明材料制作。 原模型比尺：11.78； 进口直径：0.3614m； 蜗壳包角：345 度； 固定导叶数：24 片； 导叶相对高度：0.35D1； 导叶分布圆直径：1.12D1； 尾水肘管型状：圆变椭圆； 尾水管高度（至导叶中心线）：2.82D1； 三、 模型试验

6、 根据协议书要求，模型试验项目包括 ： 效率试验、出力试验、 空化试验、压力脉动试验、飞逸试验、水推力试验、补气试验等。 1、效率试验 先进行最优效率试验，确定最优工况点，然后在能量工况下进行 效率试验，绘制等开开度线和等效率线，最后仍要在电站装置空化系 数下进行加权平均效率试验。 试验水头：H20m。 试验水温下水的最大运动粘性系数： VM=e(-16.92+396.13/(107.41+Twm)=1.2360310-6m2/s; 模型雷诺数 ReuM=Dm2/Vm=5.851062.5106。 雷诺数满足 IEC 规 程的规定。 2、空化试验 试验水头：H20m。空化试验能量工况在尾水箱通

7、大气条件下， 然后封闭尾水箱，逐步抽真空以降低尾水箱内压力，直到效率下降了 1.5为止，临界空化系数值采用1。 3、压力脉动试验 试验水头：H20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站 装置空化系数p下进行的。 测点位置布置在距转轮出口 0.37D1处的锥管上、下游位置。共 进行了 28.1m、 32m、 35m、 38m、 40m 和 43m 六个水头的压力脉动试验。 4、飞逸试验 试验水头：H=10m。每壹导叶开度下采用转速控制模式，调节测 功机转速，使水轮机输出力矩-0.2NmTm0.2Nm，采集该点作为单 位飞逸转速 n1R。导叶开度范围为 8mm26mm。 5、轴向水推力试验 试

8、验水头：H20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站 装置空化系数p下进行的。利用水轮机静压轴承的上油腔和下油腔 的压力差来测得。 6、补气试验 试验水头：H20m。试验是在以电站导叶中心线为参考面的电站 装置空化系数p下进行的。选择压力脉动值比较大的工况点，采用 锥管补气方法，确定补气对压力脉动值的影响。 四、 验收试验结果和分析 1、首次试验 a传感器率定 率定结果：确认试验台的水轮机模型效率综合误差满足合同规 定的0.25要求。 b效率试验 在电站空化系数下，进行了 30m、32m、34m、36m、40m 头下的 效率试验。试验结果及对比分析如下： （1）最高效率 最高效率点位于原型

9、水头 38.6m 附近（对应模型导叶开度 19.01mm，n11=73.27r/min，Q11=1248.49l/s）处。 最高效率（）模型原型 合同规定值93.194.6 初步试验值94.2195.70 验收试验值94.1695.62 最高效率满足合同要求。 （2）额定效率 额定效率（）模型原型 合同规定值91.0692.85 初步试验值92.6294.06 验收试验值92.5494.00 额定效率满足合同要求。 （3）加权平均效率 加权平均效率（）模型原型 合同规定值87.82 初步试验值86.3287.70 验收试验值86.3887.82 加权平均效率满足合同要求。 c空化试验 验收试验

10、在原型 32m 水头出力 40.2MW、38m 水头出力 51.9MW 工况下进行了空化试验。试验结果及对比分析如下： 工况 水头 （m） 出力 （MW） 电站装置空 化系数p 初生空化 系数i 临界空化 系数1 Ki=p/iK1=p/1 3240.20.30010.29480.18381.0171.633 3851.90.25270.28290.17100.8931.477 转轮的临界空化系数合同规定值为1.6，验收试验值低于合同 要求；初生空化系数未达到合同要求1.3。 d压力脉动试验 在电站空化系数下，验收试验进进行了 28.1m、35m、38m、43m 水头下的压力脉动试验。试验结果及

11、对比分析如下： 尾水管压力脉动混频双振幅值（+Y0.37D1） 混频双振幅峰值H/H(%)水头 （m） 机组预想出力 （）合同规定值初步试验值验收试验值 28.160100616.5717.46 3560100617.8415.39 388010032.212.34 434080612.3914.21 尾水管压力脉动混频双振幅值（-Y0.37D1） 混频双振幅峰值H/H(%)水头 （m） 机组预想出力 （）合同规定值初步试验值验收试验值 28.160100619.7019.34 3560100617.9617.02 388010031.852.16 434080617.8918.21 压力脉动

12、试验值未满足合同要求。 e飞逸转速试验 导叶最大开度 23mm 时的单位飞逸转速是 124.5r/min，根据原 型机最大水头 43m 换算为：192.1r/min。合同规定值为 235r/min， 满足合同要求。 f轴向水推力试验 模型机转轮未开减压孔，最大轴向水推力试验值为 3412kN， 大于合同规定值 2150kN。未满足合同要求。 g补气试验 在 28.1m、35m、38m 和 43m 水头下，部分负荷下压力脉动值较 大的工况下进行了补气试验。 补气方式为短管补气。 试验结果如下 ： H/Hm（%） No.水头（m） 出力（MW） HD1HD2 补气系数 PHI（%） 28.112.

13、1016.3313.650.00 1 28.111.9314.7312.220.19 H/Hm（%） No.水头（m） 出力（MW） HD1HD2 补气系数 PHI（%） 28.211.7313.7010.690.56 28.124.6714.8916.080.00 28.123.6111.788.960.72 35.032.1712.0115.020.00 35.131.129.708.2930.37 24.914.9710.1810.460.00 35.015.297.7089.7940.37 2 35.015.414.4248.6550.73 38.015.199.49310.140.0

14、0 38.115.506.1768.2100.37 38.015.474.2015.770.72 38.036.918.8729.8830.00 3 38.033.841.981.9620.56 43.043.027.4658.0140.00 43.040.051.5931.4480.38 43.120.5112.1913.840.00 43.019.665.0865.7480.38 4 43.019.573.354.5370.56 补气对降低压力脉动值有壹定的效果。 2、技术论证 由于首次模型验收试验中，空化试验、水推力试验和尾水压力脉 动试验结果未满足合同要求。 为分析其原因及真机运行将带

15、来的影响， 双牌水电站于 2009 年 12 月邀请中国水科院水动所、 湖南省电力试验 研究院水动所、 湖南省水利水电勘测设计研究总院机电处及设备承制 厂家等多名专家进行了技术论证。 浙富 X 公司提交了壹份水推力复核报告。 报告表明真机转轮开设 减压孔后，水推力指标将满足合同要求。和会专家认可复核报告。 论证会主要就尾水管压力脉动值超标的原因和影响进行了讨论。 建议完全模拟真机，在尾水锥管上加装十字补气架，且适当优化转轮 泄水锥形状，将有利于压力脉动值的优化。 为此，浙富 X 公司通过 CFD 分析，优化了六种形状的泄水锥，从 中选优。且在尾水锥上完全模拟真机加装了十字补气架，于 2010

16、年 4 月再次进行了模型试验。 3、补充试验 a压力脉动试验 在电站装置空化系数下，对 28.1m、30m、32m、35m、38m、40m 和 43m 水头下的压力脉动试验进行了试验。 试验结果及对比分析如 下： 尾水管压力脉动混频双振幅值（+Y0.37D1） 混频双振幅峰值H/H(%)水头 （m） 机组预想出力 （）合同规定值补充试验值 28.160100610.86 3060100610.29 326010069.53 356010068.50 388010037.98 406010067.49 43408066.63 尾水管压力脉动混频双振幅值（-Y0.37D1） 混频双振幅峰值H/H(%)水头 （m） 机组预想出力 （）合同规定值补充试验值 28.160100611.24 3060100610.12 306010068.52 356010068.74 388010038.85 406010067.95 43408068.66 试验结果表明：在机组稳定运行工况范围内，压力脉动最大幅值 为 10.29%，满足国