安徽績溪抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析

姜紅偉，陳善貴，賀 涌，孟曉超，邱紹平

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省績溪縣 245300；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京市海淀區 100038；3.華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 310014）

安徽績溪抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析

姜紅偉1，陳善貴1，賀 涌1，孟曉超2，邱紹平3

（1.安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省績溪縣 245300；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京市海淀區 100038；3.華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 310014）

介紹了安徽績溪抽水蓄能電站水泵水輪機的模型驗收試驗結果，對水泵水輪機的主要水力性能進行了初步分析。

抽水蓄能；水泵水輪機；模型驗收；水力性能分析

1 電站概況及主要參數

1.1 電站概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮，靠近皖江城市帶，鄰近江蘇省，距合肥、南京、上海直線距離分別為240、210、280km。本電站安裝6臺單機容量300MW的立軸單級混流式水泵水輪機-發電電動機組，電站裝機容量1800MW，年平均發電量30.15億kW·h，年抽水用電量為40.2億kW·h。電站以500kV電壓等級出線接入華東電網，在系統中擔任調峰、填谷，調頻、調相、黑啟動和事故備用等任務。

1.2 電站運行條件

上庫設計洪水位 962.99m

上庫正常蓄水位 961.0m

上庫死水位 921m

下庫正常蓄水位 340m

下庫死水位 318m

最大毛水頭/揚程 643.0m

正常最小毛水頭/揚程 581.0m

水輪機工況額定水頭 600m

額定頻率 50Hz

發電工況頻率正常變化范圍 49.5～50.2Hz

水泵工況頻率正常變化范圍 49.8～50.5Hz

短時允許頻率變化范圍 48.5～50.5Hz

平均水溫 17.7℃

電站所在地重力加速度 9.7923m/s2

2 水泵水輪機模型驗收試驗主要結果

2.1 概述

本次模型試驗在東方電機股份有限公司DF-100水力機械通用試驗臺上進行，模型試驗的依據為安徽績溪抽水蓄能電站機組及其附屬設備采購合同，安徽績溪抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗大綱，《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗》（GB/T 15613—2008），《水輪機、蓄能泵、水泵水輪機模型驗收試驗》（IEC 60193—1999），《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機的空蝕損壞評定 第1部分：反擊式水輪機、蓄能泵和水泵水輪機的評定》（IEC 60609-1—2004）等。在模型驗收試驗前，對電磁流量計、負荷傳感器、水頭傳感器、轉速傳感器及壓力脈動傳感器等進行了率定。經測試效率試驗，水輪機方向的效率綜合測量誤差為0.198%，水泵方向的效率綜合測量誤差為0.197%，滿足合同不大于0.25%的要求。

2.2 模型水泵水輪機主要流道參數

模型水泵水輪機主要流道參數見表1。

表1 模型水泵水輪機主要流道參數Tab. 1 Main Flow Path Parameters of Model Pump Turbine

2.3 原型水泵水輪機主要尺寸

原型水泵水輪機主要尺寸見表2。

表2 原型水泵水輪機主要尺寸Tab. 2 Main Dimensions of Prototype Pump Turbine

2.4 水輪機工況效率試驗

模型驗收試驗水頭為60m，最優工況模型雷諾數為ReuoptM=4.4455×106（TwM=26.88℃）。按恒水頭60m變轉速方式進行，最優工況在無空化條件下試驗，其他工況試驗均在電站空化系數條件下進行。模型效率按IEC 60193規定的二步法換算到原型效率：將測出的模型效率ηhMt換算到參考雷諾數Reuref（Reuref=7.0×106）下的效率ηhM，然后在從參考雷諾數換算到原型雷諾數ReuP下的效率ηhP。對最優工況點連續采樣十次，取其平均值作為結果，見表3。

驗收試驗結果表明，驗收試驗與初步試驗結果吻合，水輪機工況模型效率和換算后的原型效率均滿足合同要求。

表3 水輪機效率試驗結果Tab. 3 Hydraulic Turbine Efficiency Test Results

2.5 水輪機工況空化試驗

試驗水頭60m，空化參考面為導葉中心線。初生空化系數σi定義為在2個及以上轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。對試驗用水進行30min的抽氣運行后開始空化試驗。利用閃頻儀對所有空化現象包括氣泡、旋渦的發生、發展進行觀測并拍照。水輪機空化試驗結果見表4。

表4 水輪機空化試驗結果Tab. 4 Results of Cavitation Test for Hydraulic Turbines

驗收試驗結果表明，水輪機工況初生空化和臨界空化均具有足夠的安全裕量，滿足正常運行范圍和正常頻率變化范圍內均無空化運行的合同要求。

2.6 水輪機工況飛逸轉速試驗

飛逸轉速特性的試驗水頭25m，試驗在最高水頭對應的電站裝置空化系數下進行。

表5 水輪機飛逸轉速試驗結果Tab. 5 Test Results of Turbine Runaway Speed

驗收試驗結果表明，驗收試驗與初步試驗結果吻合。在110%導葉開度時原型飛逸轉速656.39r/min滿足合同小于669.88r/min的要求。

2.7 水輪機工況壓力脈動試驗

水輪機工況壓力脈動試驗在電站裝置空化系數下進行，試驗結果見表6。

表6 水輪機壓力脈動試驗結果Tab. 6 Test Results of Hydraulic Turbine Pressure Fluctuation

驗收試驗結果表明，驗收試驗與初步試驗結果吻合，水輪機運行范圍內各測點的壓力脈動幅值滿足合同要求。

2.8 水泵工況能量試驗

水泵工況效率試驗在恒定轉速nM=1100r/min條件下進行，水泵效率試驗覆蓋整個水泵運行范圍。最優工況模型雷諾數為ReuoptM=4.6429×106（nM=1099.95r/min，TwM=27.815℃）。

水泵工況的能量特性驗證試驗進行了最高效率、加權平均效率、保證流量、最大入力以及駝峰裕度試驗。水泵能量試驗結果見表7。

驗收試驗結果表明，驗收試驗與初步試驗結果吻合，最優效率、加權平均效率、保證流量、水泵最大入力、駝峰裕度均滿足合同保證值。

表7 水泵能量試驗結果Tab. 7 Pump Energy Test Results

2.9 水泵工況空化試驗

水泵空化試驗對5個特征工況點進行了試驗。空化系數計算的參考高程為導葉中心線。初生空化系數σi定義為在2個及以上轉輪葉片表面開始出現可見氣泡時所對應的空化系數。對試驗用水進行30min的抽氣運行后開始空化試驗。利用閃頻儀對每一個工況點進行初生空化觀測，對裝置空化系數、初生空化系數、臨界空化系數下水泵進水邊進行了拍照。葉片的負壓側為可視面，可通過目視檢測全部運行范圍內的初生空化。

表8 水泵空化試驗結果Tab. 8 Results of Cavitation Test of Water Pump

試驗結果表明，在正常運行范圍內，水泵所有工況均能滿足無空化運行要求，在最大、最小揚程下初生空化裕量均滿足合同保證值。

2.10 水泵工況壓力脈動試驗

試驗轉速1100r/min。在不補氣及裝置空化系數條件下進行試驗，空化系數參考面以導葉中心線為準。壓力脈動采用壓力傳感器進行測量。水泵工況最大壓力脈動相對幅值ΔH/H（%）驗收試驗結果見表9。

表9 水泵壓力脈動試驗結果Tab. 9 Test Results of Pump Pressure Pulsation

驗收試驗結果表明，驗收試驗與初步試驗結果吻合，水泵工況所有測點的壓力脈動均滿足合同保證值。

2.11 水泵工況零流量試驗

對水泵工況下的導葉開度20°、18°、16°、14°、12°、10°、9°、8°、7°、6°、5°、4°、3°、2°、1°進行了零流量試驗，試驗結果見表10。

表10 水泵最小導葉開度1°下零流量試驗結果Tab. 10 Water Pump Minimum Guide Vane Opening at 1°zero Flow Test Results

水泵揚程驗收試驗值與初步試驗吻合，原型輸入功率的驗收試驗值與合同保證值略有差異，能夠滿足機組在正常頻率范圍內的零流量啟動條件。

2.12 四象限全特性和S特性試驗

在6°、18°導葉開度下完成水泵工況、水泵制動工況、水輪機工況、水輪機制動工況、反水泵工況共5個工作區域的驗收試驗。

在2°、3°、4°、5°、7°導葉開度下進行水輪機工況、水輪機制動工況的局部加密試驗來準確計算S特性安全裕量，計算結果見表11。

表11 S特性試驗及安全裕量計算結果Tab.11 “S” Characteristic Test and Safety Margin Calculation Result

驗收試驗結果表明，驗收試驗和初步試驗結果吻合，在頻率為50.0Hz及50.2Hz條件下S特性臨界點相對于最小毛水頭的安全裕量均滿足合同保證值。

2.13 其他試驗

模型驗收還對軸向水推力、頂蓋壓力、導葉水力矩、平衡管對軸向水推力和頂蓋壓力影響以及壓差測流進行了試驗，在此不再一一論述。

2.14 水泵水輪機模型幾何尺寸檢查

模型試驗驗收后，對模型試驗的測壓斷面尺寸、蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管的主要尺寸以及固定導葉、活動導葉、轉輪葉片的型線進行了檢驗。檢查的所有尺寸與設計值的偏差均在規范所規定范圍內。

3 結論

本次水力模型驗收試驗包含了合同規定的所有內容，包括：水輪機和水泵能量試驗、水輪機和水泵空化試驗、水泵零流量試驗、水泵初次充水異常低揚程試驗、水輪機飛逸試驗、水輪機和水泵壓力脈動試驗、四象限試驗、水輪機和水泵導葉水力矩試驗、水推力試驗和頂蓋壓力試驗等。驗收試驗驗證了初步試驗報告中的試驗結果。基本結論如下：

（1）模型試驗結果可信，模型試驗數據可作為原型性能換算的基礎。

（2）技術參數和性能指標基本滿足合同要求、國標GB 15613—2008及IEC 60193的規定。

（3）安徽績溪抽水蓄能電站模型水泵水輪機的效率、空化、壓力脈動等各種性能指標均較好地滿足了合同規定及電站運行要求。

——水泵工況的比轉速nq

績溪抽水蓄能電站水泵水輪機水泵工況的比轉速nq按最優點計算

績溪抽水蓄能電站水泵水輪機水輪機工況的比轉速n's按最高水頭及最大出力計算

水泵工況比速系數處于較高水平，水輪機工況比速系數處于合理狀態，綜合性能處于目前國內已建抽水蓄能機組中較高水平。

[1] 安徽績溪抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗組. 水泵水輪機模型驗收試驗報告. 2015.Anhui Jixi Pumped Storage Power Station Pump Turbine Model Acceptance Test Group. Test Report on Acceptance Test of Pump Turbine Model. 2015.

[2] 梅祖彥. 抽水蓄能技術[M]. 北京：清華大學出版社，1988.MEI Zuyan. Pumped Storage Technology[M]. Beijing：Tsinghua University Press，1988.

[3] 房玉亭，李勝兵，黃祖光. 對水泵水輪機模型試驗要求的認識[J].水力發電，2006，32（2）：48-50.FANG Yuting，LI Shengbing，HUANG Zuguang.Understanding of Test Requirements for Pump Turbine Model[J].Hydropower，2006，32（2）：48-50.

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[5] 劉林元，于紀幸. 呼和浩特抽水蓄能電站水泵水輪機模型驗收試驗及性能分析[J].水電站機電技術，2009，32（4）：50-54.LIU Linyuan，YU Jixing. Acceptance Test and Performance Analysis of Pump Turbine Model for Hohhot Pumped Storage Power Station[J]. Electrotechnical Technology of Hydropower Station，2009，32（4）：50-54.

2017-01-15

2017-05-20

姜紅偉（1989—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站建設管理。E-mail：jhw2546@163.com

陳善貴（1970—），男，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站建設管理。E-mail：csg12gsc@163.com

賀 涌（1967—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站建設管理。E-mail：894376386@qq.com

Test and Performance Analysis of Jixi Pumped Storage Power Station Pump Turbine Model Acceptance

JIANG Hongwei1，CHEN Shangui1，HE Yong1，MENG Xiaochao2，QIU Shaoping2
（1. Anhui Jixi Pumped Storage Co.，LTD，Anhui jixi 245300，China；2. The China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；3.Huadong Engineering Corporation Limited，Zhejiang Hangzhou 310014，China）

Jixi pumped-storage power station are introduced pump turbine model acceptance test results，the main hydraulic pump turbine performance has carried on the preliminary analysis.

pumped storage；pump turbine；the model acceptance；hydraulic performance analysis

TV74

A學科代碼：470.4024

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.021