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)

1、.：.；第 PAGE 10页共 NUMPAGES 10页双牌水电站水轮机增容工程的模型验收实验湖南省双牌水电站张小华摘要：双牌水电站为确保增容改造工程的胜利，首台机组选择先做模型实验，后制造真机，尽能够优化设计的方案。初次模型实验由于压力脉动实验等不满足合同要求，经过专家论证后，优化设计方案，再次进展模型实验。最终实验结果符合国标要求，根本满足合同要求。关键字：增容改造模型实验压力脉动技术论证根据以下简称协议书的要求，在北京水科院大兴实验基地的水力机械实验室TP实验台上，以验证水轮机的水力性能等各项目的能否满足合同要求。模型实验验收援用参照的规范为： IEC60193和IEC609。实验单位中

2、国水利水电科学研讨院于2021年2月提交了实验大纲，于2021年10月完成了模型水轮机初步实验，并提交了实验报告。2021年10月28日至31日，双牌水电站组织验收小组见证了模型实验。由于尾水管压力脉动目的未满足合同要求，设备承制厂家浙江富春江水电设备股份以下简称浙富公司对设计方案进展了优化后，于2021年4月再次进展了模型实验。实验台简介大兴实验基地水力机械实验室共有TP1、TP2和TP3三座现代化的高精度水力机械模型通用实验台。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、导叶水力矩等实验和水泵-水轮机的四象限实验。TP1实验台主要技

3、术参数如下：实验水头范围：0150m；实验流量范围：02.2 m3/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实验台的重力加速度：9.8015 m/s2；实验台综合误差：0.2；实验台反复测试误差：0.1；实验台水头动摇误差：0.5%；实验台转速动摇误差：0.2%；机组参数：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：9.789 m/s2；电站水密度：0.998220；电站安装高程：128.30m；各水头的尾水位：净水

4、头m28.13032343536384043尾水位m127.93127.93127.97128.00128.03127.98127.93127.97128.00电站安装空化系数0.34180.32010.30010.28250.27440.26680.25270.24010.2233模型机组主要参数根据要求，模型实验采用的模型水轮机的过流通道与原型机组模拟。模型安装转轮下面的锥管采用透明资料制造。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.

5、82D1；模型实验根据要求，模型实验工程包括：效率实验、出力实验、空化实验、压力脉动实验、飞逸实验、水推力实验、补气实验等。效率实验先进展最优效率实验，确定最优工况点，然后在能量工况下进展效率实验，绘制等开开度线与等效率线，最后还要在电站安装空化系数下进展加权平均效率实验。实验水头：H20m。实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。空化实验实验水头：H20m。空化实验能量工况在尾水箱通大气条件下，然后封锁尾水箱，逐渐抽

6、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。压力脉动实验实验水头：H20m。实验是在以电站导叶中心线为参考面的电站安装空化系数p下进展的。测点位置布置在距转轮出口0.37D1处的锥管上、下游位置。共进展了28.1m、32m、35m、38m、40m和43m六个水头的压力脉动实验。飞逸实验实验水头：H=10m。每一导叶开度下采用转速控制方式，调理测功机转速，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。轴向水推力实验实验水头：H20m。实验是在以电站导叶中心线为参考面的电站安装空化系数p下进展的。利用水轮机静压

7、轴承的上油腔与下油腔的压力差来测得。补气实验实验水头：H20m。实验是在以电站导叶中心线为参考面的电站安装空化系数p下进展的。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。验收实验结果与分析初次实验传感器率定率定结果：确认实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。效率实验在电站空化系数下，进展了30m、32m、34m、36m、40m头下的效率实验。实验结果及对比分析如下：最高效率最高效率点位于原型水头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

8、初步实验值94.2195.70验收实验值94.1695.62最高效率满足合同要求。额定效率额定效率模型原型合同规定值91.0692.85初步实验值92.6294.06验收实验值92.5494.00额定效率满足合同要求。加权平均效率加权平均效率模型原型合同规定值87.82初步实验值86.3287.70验收实验值86.3887.82加权平均效率满足合同要求。空化实验验收实验在原型32m水头出力40.2MW、38m水头出力51.9MW工况下进展了空化实验。实验结果及对比分析如下：工况电站安装空化系数p初生空化系数i临界空化系数1Ki=p/iK1=p/1水头m出力MW3240.20.30010.294

9、80.18381.0171.6333851.90.25270.28290.17100.8931.477转轮的临界空化系数合同规定值为1.6，验收实验值低于合同要求；初生空化系数未到达合同要求1.3。压力脉动实验在电站空化系数下，验收实验进进展了28.1m、35m、38m、43m水头下的压力脉动实验。实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水头m机组料想出力混频双振幅峰值H/H(%)合同规定值初步实验值验收实验值28.160100616.5717.463560100617.8415.39388010032.212.34434080612.3914.21尾水管压力脉动混频

10、双振幅值-Y0.37D1水头m机组料想出力混频双振幅峰值H/H(%)合同规定值初步实验值验收实验值28.160100619.7019.343560100617.9617.02388010031.852.16434080617.8918.21压力脉动实验值未满足合同要求。飞逸转速实验导叶最大开度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。轴向水推力实验模型机转轮未开减压孔，最大轴向水推力实验值为3412kN，大于合同规定值2150kN。未满足合同要求。补气实验在28.1m、35m、38m和43m

11、水头下，部分负荷下压力脉动值较大的工况下进展了补气实验。补气方式为短管补气。实验结果如下：No.水头m出力MWH/Hm%补气系数PHI%HD1HD2128.112.1016.3313.650.0028.111.9314.7312.220.1928.211.7313.7010.690.5628.124.6714.8916.080.0028.123.6111.788.960.72235.032.1712.0115.020.0035.131.129.708.2930.3724.914.9710.1810.460.0035.015.297.7089.7940.3735.015.414.4248.655

12、0.73338.015.199.49310.140.0038.115.506.1768.2100.3738.015.474.2015.770.7238.036.918.8729.8830.0038.033.841.981.9620.56443.043.027.4658.0140.0043.040.051.5931.4480.3843.120.5112.1913.840.0043.019.665.0865.7480.3843.019.573.354.5370.56补气对降低压力脉动值有一定的效果。技术论证由于初次模型验收实验中，空化实验、水推力实验和尾水压力脉动实验结果未满足合同要求。为分析其缘

13、由及真机运转将带来的影响，双牌水电站于2021年12月约请中国水科院水动所、湖南省电力实验研讨院水动所、湖南省水利水电勘测设计研讨总院机电处及设备承制厂家等多名专家进展了技术论证。浙富公司提交了一份水推力复核报告。报告阐明真机转轮开设减压孔后，水推力目的将满足合同要求。与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缘由和影响进展了讨论。建议完全模拟真机，在尾水锥管上加装十字补气架，并适当优化转轮泄水锥外形，将有利于压力脉动值的优化。为此，浙富公司经过CFD分析，优化了六种外形的泄水锥，从中选优。并在尾水锥上完全模拟真机加装了十字补气架，于2021年4月再次进展了模型实验。补充实验压力

14、脉动实验在电站安装空化系数下，对28.1m、30m、32m、35m、38m、40m和43m水头下的压力脉动实验进展了实验。实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水头m机组料想出力混频双振幅峰值H/H(%)合同规定值补充实验值28.160100610.863060100610.29326010069.53356010068.50388010037.98406010067.4943408066.63尾水管压力脉动混频双振幅值-Y0.37D1水头m机组料想出力混频双振幅峰值H/H(%)合同规定值补充实验值28.160100611.243060100610.12306010

15、068.52356010068.74388010038.85406010067.9543408068.66实验结果阐明：在机组稳定运转工况范围内，压力脉动最大幅值为10.29%，满足国家规范311%的要求。在电站40m以上水头的低负荷区域10MW及以下工况，发现有压力脉动峰值点，因此电站应尽量防止在稳定运转工况范围外运转。补气实验在28.1m、30m、38m和43m水头，对压力脉动幅值较大的部分负荷工况进展了补气实验，实验结果如下：No.水头m出力MWH/Hm%补气系数PHI%HD1HD2128.218.0110.7010.230.0028.115.498.825.960.5928.212.1

16、19.476.070.6028.211.988.027.330.81230.013.9610.047.50.0030.114.159.66.070.4130.113.947.536.240.80338.025.068.688.340.0038.022.876.124.010.5938.135.056.35.460.0038.031.982.591.760.59443.054.810.870.790.0043.153.461.461.230.1943.030.168.158.730.0043.028.204.502.960.40实验结果阐明：补气对降低压力脉动值有较明显的效果。终了语水轮发电机组增容改造工程较新建工程较复杂，不可预见的情况较多。国内现增改完全胜利的机组仅约20。为充分思索、确保增改胜利，双牌水电站在首台机组中选择先做模型实验，再制造真机，以尽能够优化设计的方案。经过二次模型实验及原型换