竖轴轴流转桨式水轮发电机组试验研究

竖轴轴流转桨式水轮发电机组试验研究

1发电规模及设备配置西霞医院项目作为一项与小浪底水库有关的项目，其开发任务主要是反向调节，将发电结合起来，考虑到供水和灌溉等综合利益。水库正常蓄水位134.0m,土石坝段最大坝高20.2m,电站坝段最大坝高51.5m,水库总库容1.62亿m3,为日调节水库。电站地面厂房内安装4台单机容量为35MW竖轴轴流转桨式水轮发电机组。电站总装机容量140MW,电站保证出力45.6MW,多年平均发电量5.83亿kW·h,年利用小时数4164h。电站最大净水头13.82m,电站最小净水头5.83m,电站水轮机额定水头11.5m,水轮机额定转速75r/min,水轮机额定输出功率36.1MW。通过公开招投标,小浪底水利枢纽建设管理局(买方)于2004年6月8日将西霞院主机合同授予了通用电气亚洲水电设备有限公司(卖方)。根据合同约定,卖方应对所提供的水轮机进行模型试验,以验证水轮机的水力性能参数是否满足合同规定的保证值。2005年3月卖方提交模型水轮机的初步模型试验报告。2005年4月,卖方在瑞士洛桑PF2试验台上进行了水轮机模型验收试验,买方验收组目击了试验过程。2测量仪器设备瑞士洛桑联邦工程技术学院水力机械与流体力学研究所水力机械试验室(LMH,IMHEF-EPFL)PF2试验台配备有高精度的测量仪器设备,能够完成按照国际标准要求的模型开发试验和验收试验。用于西霞院工程的PF2试验台的主要参数:最高水头120m,最大流量1.4m3/s,测功机功率300kW,水泵功率1000kW,最大转速2500r/min,流量校准水箱容积150m3,效率试验总误差±0.202%(预测值),试验台以闭路模式进行效率和空化试验。3生物基导叶模型模型水轮机装置对应于真机为全流道模拟,即从进水口到尾水管出口之间流道与电站布置尺寸几何相似。模型转轮直径406.4mm,4片桨叶,活动导叶24只,其导叶高度169.06mm,固定导叶12只,活动导叶分布圆直径494.18mm。水轮机高、低压侧测压断面面积(理论值)分别为560543.7mm2和435642.8mm2。真机与模型的几何比尺为1∶17.963。4模型尺寸检查模型试验开始前及结束之后均对试验所用的仪器、设备进行了率定。由于卖方在验收试验之前已向买方提交了模型的主要设计图纸资料,因此仅在试验结束后对模型进行了尺寸检查。试验开始前和结束后的效率总的均方根误差分别为±0.219%和±0.2232%,满足合同要求及国际电工委员会(IEC)有关标准要求。5试验和模型试验研究验收试验在初步试验的基础上,对模型水轮机的主要性能进行了验证。在叶片转角5°、10°、15°、20°、25°和28.2°,对应真机运行水头5.83～13.82m范围内,见证了水轮机的效率及出力试验、空化试验、压力脉动试验、飞逸转速试验。此外,卖方在其最终的模型验收报告中给出了包括导叶水力矩试验、轴向水推力试验及Winter-Kenndy测流的流量系数率定的试验结果。除空化试验外,所有试验均在电站装置空化系数下进行。6主缸的效率和功率测试6.1试验场景在电站装置空化系数条件下,试验模拟了真机全部的运行水头范围。试验工况列于表1。6.2试验模型m/hp由模型到真机的效率修正公式为Δη=0.7(1-ηmax)(0.7-0.7(Dm/Dp)0.2(Hm/Hp)0.1)ηp=ηm+Δη式中,ηmax为试验所设定的不同桨叶转角下的模型水轮机的最高效率(对应全部水头下试验测定值);Dm为模型水轮机转轮公称直径,0.4064m;Dp为真机转轮公称直径,7.3m;Hm为模型水轮机试验水头(m);Hp为真机运行水头(m);ηp为真机效率。6.3综合评价试验的结果表2列出了模型验收试验的各项效率值,为便于比较同时列出了各项效率的合同保证值。各项验收值均高于合同保证值。6.4有效选择重水机的重水件功率在空化允许的范围内,在净水头13.82m、11.99m、11.50m时水轮机的输出功率均不小于36.10MW。在最小水头5.83m时,水轮机的预想出力不小于12.64MW。7装置空化系数水轮机空化试验对几个特征水头下协联工况点的临界空化系数以及初生空化系数σi做了试验见证。临界空化系数σc相当于IEC出版物193A规定的σ0,指与无空化工况相比保持效率不变的σ最低值。空化曲线断裂点的σ1值是指与电站装置空化数工况相比效率降低1%的σ最小值。见证试验表明,当水轮机在各种不同运行水头发预想出力或满负荷时σ1均低于临界空化系数;临界空化系数σc均低于电站的装置空化系数且余量达1.34倍。满足合同保证值。8测试项目结果模型装置压力脉动测点在相当于真机的+X、+Y、-X、-Y方位布置了4个测点,平面高程位于尾水锥管进口以下0.58倍的锥管进口直径处。在选定的特征水头和相应的电站装置空化系数下,试验覆盖了35%～100%额定出力或相应水头下的最大预想出力范围,采用快速傅立叶变换(FFT)确定信号的峰值频率。通过数据处理确定峰—峰振幅值。压力脉动的测试结果如表3所列。数据显示各水头下35%～100%预想出力范围内尾水管压力脉动幅值满足合同要求。9飞逸转速试验在最大水头13.82m及空化条件下,飞逸转速试验确定了各种活动导叶开度和桨叶转角时的单位飞逸转速和对应的单位流量。飞逸转速试验结果表明,在最大水头13.82m条件下,非协联工况的活动导叶开度为60°及桨叶角度为10°时,真机的最大飞逸转速为218.95r/min,大大超出合同保证值180r/min;协联工况的最大飞逸转速为141.4r/min,满足合同保证值150r/min,发生在活动导叶开度32.5°及桨叶转角15°条件下。10其他试验项目10.1动导叶的水稳定性对于不同的导叶开度,在正常运行工况和飞逸工况(但无空化发生)的条件下进行活动导叶的水力矩试验。试验表明,活动导叶0°～50°开度范围内均具备自关闭趋势。活动导叶水力矩的最大加权平均值出现在最大水头13.82m的非协联工况,对应的活动导叶开度60°、桨叶角度28.2°,其值为21950kN·m。10.2轴向水推力在不同的单位转速时和各种活动导叶开度下,在正常运行工况和飞逸工况(同时发生空化)进行轴向水推力试验。试验测得最大轴向水推力为5391kN,发生在最大水头13.82m的非协联飞逸工况,对应活动导叶开度为60°及桨叶转角10°。10.3两种试验研究为了率定蜗壳测流的流量系数,进行了模型上的Winter-Kennedy试验。试验结果显示以对数表示的流量和压差之间具有良好的线性关系,回归公式可用于现场测流计算。11现场试验的结果(1)水轮机模型的效率及出力试验、压力脉动试验及空化试验结果均满足合同要求,模型验收试验予以通过。买方同意按此模型进行真机生产制造。(2)在最高运行水头工况和小桨叶角度(5°、10°、15°)下,叶片进水边外缘头部背面极小范围可见到空化汽泡。在水头从8m到5.83m范围内的压力面初生空化未能完全满足合同的要求,卖方认为由于这种空化发生在低水头运行时的叶片正压面,不会对叶片造成任何显著的危害并保证真机叶片失重将会低于合同保证值。(3)在压力脉动试验过程中发现对应最低水头5.83m的空载工况(桨叶转角5°)的压力脉动幅值达19.87%。卖方对此也给予了充分重视,认为可在现场调试过程中确定较优的桨叶起动角度,保证电站机组的顺利并网发电。(4)卖方在模型验收试验后确认了新的飞逸转速保证值为220r/min(非协联工况),机组结构按新确认后的飞逸转速进行设计。此外按照IEC出版物193规定,由模型单位飞逸转速换算到真机飞逸转速时,应考虑发电机轴承损耗及发电机风损的影响。若计及发电机损耗,真机在非协联工况的最大飞逸转速应稍小于218.