廣東楓樹壩水電站水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)及結(jié)論

劉 鵬，曾維強(qiáng)，付志遠(yuǎn)

（1.廣東粵電楓樹壩發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 龍川 517300；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 工程概況

楓樹壩電廠位于東江流域上游干流，廣東省龍川縣赤光鎮(zhèn)梅光村附近，位置約為北緯24°24'54.04"、東經(jīng)115°21'18.35"。該電廠至河源市龍川縣的路程約60 km。

電廠于1974 年建成投產(chǎn)，是以防洪、供水和發(fā)電為主的綜合利用工程。水庫是一座不完全年調(diào)節(jié)水庫?？刂屏饔蛎娣e為5 150 km2，水庫最大庫容19.4 億m3，設(shè)計(jì)正常高水位166.00 m，對(duì)應(yīng)庫容為15.3 億m3。大壩為寬縫重力壩。壩內(nèi)式廠房裝設(shè)有兩臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為200 MW。

楓樹壩電站2 號(hào)機(jī)組于1974 年11 月發(fā)電，原裝機(jī)容量80 MW，2009 年5 月完成機(jī)組增容改造工作，改造后裝機(jī)容量為100 MW，引水鋼管半徑R為2.75 m；尾水管為4H 加長型，橫直管段矩形斷面面積約60 m2(10 m×6 m)。其主要參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 水輪機(jī)主要參數(shù)

2 試驗(yàn)概述

本研究需對(duì)廣東楓樹壩水電站開展水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目如表3 所示。

表3 水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)項(xiàng)目一覽表

本研究開展基于流速儀法的水輪機(jī)原型效率試驗(yàn)，具體內(nèi)容包括：

（1）根據(jù)IEC 和國標(biāo)規(guī)程的要求,分析不同流量測量方法的特點(diǎn)。對(duì)安裝適應(yīng)性強(qiáng)、復(fù)雜程度高的流速儀法設(shè)計(jì)一套適用的測量支架[1]。流速儀法采用的測量傳感器較多，擬針對(duì)性的設(shè)計(jì)一種基于流速儀法的優(yōu)化安裝測量支架，既能保證足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能夠?qū)⒅Ъ鼙旧韺?duì)擾流的影響減到最小，從而獲取充分而準(zhǔn)確的流速數(shù)據(jù)。

（2）選取適合的測試位置及采用最優(yōu)的積分算法進(jìn)行試驗(yàn)，控制測試誤差最小。針對(duì)電站2 號(hào)機(jī)組的流道特點(diǎn)，分析流態(tài)對(duì)測量位置的影響，選取最優(yōu)測量位置和方式。通過密布的流速儀傳感器，開展計(jì)算分析，獲取不同位置的流態(tài)分布，為真機(jī)測流結(jié)果的比較和驗(yàn)證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究不同積分算法對(duì)流量及水輪機(jī)效率測量不確定度的影響，比較其誤差分析結(jié)果，最終得到適合楓樹壩水電站2 號(hào)機(jī)組的流量積分算法。

（3）采用流速儀法測量機(jī)組在試驗(yàn)水頭下的流速分布,利用平均流速法計(jì)算機(jī)組流量,測量出工作水頭與機(jī)組出力,最終計(jì)算出原型機(jī)組效率并率定機(jī)組Winter-Kennedy 系數(shù)[2]。開展研究應(yīng)用。與機(jī)組模型試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行分析，為優(yōu)化機(jī)組耗水率，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（4）分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果，出具試驗(yàn)及研究報(bào)告。分析測試數(shù)據(jù)，編制試驗(yàn)報(bào)告。歸納研究分析成果，對(duì)水輪機(jī)的效率進(jìn)行分析，為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供實(shí)踐指導(dǎo)。

3 水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

流速儀法測流量時(shí)，要求把一定數(shù)量的流速儀布置在封閉過流管道適當(dāng)斷面的測點(diǎn)處。試驗(yàn)時(shí)，利用流速儀測量過流斷面的各點(diǎn)流速，然后沿?cái)嗝娣e分求得過流斷面的流量Q，進(jìn)而計(jì)算出水輪機(jī)的絕對(duì)效率。

水輪機(jī)效率計(jì)算公式為：

式中：

——Pt，水輪機(jī)輸出功率，kW

——Ph，水輪機(jī)輸入功率，kW

——ρ，水的密度，根據(jù)水溫和絕對(duì)壓力在IEC 60041 附錄E 中查得，kg·m-3

——Q，水輪機(jī)流量，m3·s-1

——g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，根?jù)現(xiàn)場緯度和海拔計(jì)算得出，m·s-2

——H，水輪機(jī)工作水頭，m

3.2 設(shè)備安裝

根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程[3]的要求，對(duì)于圓形斷面的壓力鋼管至少須有13 個(gè)測點(diǎn)，其中需要有一點(diǎn)布置在管道中心。每一半徑上的測點(diǎn)數(shù)目（Z），除中心點(diǎn)外，可根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程確定，其中R為管道內(nèi)半徑，以m 計(jì)。邊壁流速儀軸線距管壁至少應(yīng)為流速儀旋轉(zhuǎn)直徑的0.75 倍以上，相鄰流速儀的間距應(yīng)大于流速儀直徑1.2 倍。ISO 3354-2008[4]推薦圓形斷面測點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 流速儀支架及測量斷面尺寸圖

流速儀安裝支架固定在壓力鋼管內(nèi)。流速儀支架及流道斷面尺寸如圖1 所示，經(jīng)計(jì)算，斷面面積為23.76 m2。

流速儀支架共有6 個(gè)支臂，每個(gè)支臂上按ISO 3354-2008 推薦的測點(diǎn)位置布置7 個(gè)流速儀，加上中心處一個(gè)流速儀，共計(jì)43 個(gè)流速儀。流速儀的信號(hào)線纜固定在安裝支架上，一起封裝延長至支架頂端，沿著管道內(nèi)壁由蝸殼測壓孔處引出。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用符合GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程[3]的方法進(jìn)行采集記錄，試驗(yàn)工況點(diǎn)為有功功率階梯式升至最高負(fù)荷。負(fù)荷點(diǎn)為：10.2 MW、17.6 MW、24.3 MW、31.4 MW、45.8 MW、54.6 MW、59.9 MW、70.8 MW、75.0 MW、78.9 MW、84.2 MW，在以上負(fù)荷下采集各流速儀的流速[4]。部分負(fù)荷點(diǎn)6個(gè)支臂采集的流速值如圖2所示。

圖2 部分負(fù)荷點(diǎn)采集的流速值

根據(jù)GB/T 20043 試驗(yàn)規(guī)程流速儀法由水輪機(jī)凈水頭換算計(jì)算所得額定水頭61 m 下的流量來計(jì)算水輪機(jī)效率，同時(shí)采集水輪機(jī)出力、水輪機(jī)蝸殼壓差數(shù)據(jù)、水庫水位、導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)。

標(biāo)定的水輪機(jī)蝸殼壓差WINTER-KENNEDY 系數(shù)、流量與水頭損失關(guān)系曲線、水輪機(jī)出力與水頭損失關(guān)系曲線、水輪機(jī)效率與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線、導(dǎo)葉開度與水輪機(jī)過流量關(guān)系曲線、導(dǎo)葉開度與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線、機(jī)組有功功率與耗水率關(guān)系曲線、真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與原型試驗(yàn)換算效率曲線對(duì)比見圖3~10。

圖3 水輪機(jī)蝸殼壓差的WINTER-KENNEDY 系數(shù)（61 m）

圖4 流量與水頭損失關(guān)系曲線（61 m）

圖5 水輪機(jī)出力與水頭損失關(guān)系曲線（61 m）

圖6 水輪機(jī)效率與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線（61 m）

圖7 導(dǎo)葉開度與水輪機(jī)流量關(guān)系（61 m）

圖8 導(dǎo)葉開度與水輪機(jī)出力關(guān)系（61 m）

圖9 機(jī)組有功功率與耗水率關(guān)系（61 m）

圖10 原型實(shí)測效率與原型設(shè)計(jì)效率對(duì)比（61 m）

4 結(jié)論

綜上所述，廣東楓樹壩水電站水輪機(jī)效率在水輪機(jī)出力0~76.146 MW 間隨著出力增大而增高，76.146 MW 時(shí)達(dá)到最高的94.67%，而后隨著出力增大而降低。機(jī)組耗水率隨著水輪機(jī)出力的增大而降低，當(dāng)前試驗(yàn)水頭下，機(jī)組有功在45.8 MW 以上運(yùn)行時(shí)，機(jī)組耗水率低于7 m3/（kW·h），建議盡量使機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，減少發(fā)電耗水，從而提升發(fā)電效益[5]。