王振宇,王黎明

(1.湖北漢江王甫洲公司發(fā)電廠,湖北 老河口 441800;2.丹江口水利樞紐小水電有限公司,湖北 老河口 442700)

1 前 言

丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠,是一個利用丹江口水利樞紐大壩第八壩段 1號深孔進(jìn)行改造、興建的壩后式水力發(fā)電企業(yè),其主要任務(wù)是為丹江口水利樞紐提供安全、可靠的防汛備用電源。防汛電廠的位置設(shè)在大壩 6～8壩段下游側(cè),距大壩軸線 107m,電廠的高程確定為上游水位157m高程,下游水位 92m高程。電廠在壩上第 8壩段上游側(cè)設(shè)有攔污柵、檢修閘門和固定吊桿的平臺及裝置。廠內(nèi)安裝 2臺單機(jī)容量為 25MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,年設(shè)計發(fā)電量 9200kW·h,機(jī)組引水采用 φ3.8m的鋼管,然后分成 2條 φ3m的支管。機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

由于“南水北調(diào)中線方案”工程需要從丹江口水利樞紐水庫提水,使水自流向“北方”,因此丹江口水利樞紐大壩將加高到 176.6m海拔高程,比原來高程增高 14.6m,大壩常年蓄水位變?yōu)?170m高程。這將使丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的水輪發(fā)電機(jī)組的運行參數(shù)發(fā)生較大的變化,具體數(shù)據(jù)見表2。

由于自備防汛電廠的水能計算是在不考慮“南水北調(diào)”、“抬高運行水位”、“加高大壩”等前提條件下,水庫的高度確定和運用方式與庫水位 157m的水利規(guī)劃基本一致情況下計算得出的,因此由大壩加高而引起的水頭提高,將對自備防汛電廠的發(fā)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響,甚至產(chǎn)生一定的破壞作用。例如,大壩加高后,電廠發(fā)電的年平均運行水頭抬高 10m,水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組絕大部分時間在 60 m以上水頭區(qū)間運行,導(dǎo)葉開度明顯減小,經(jīng)常運行在 40%～70%左右。這時發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)運行區(qū)域嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況區(qū),空化安全系數(shù)裕量偏小,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪長期在惡劣工況下運行。即使在額定出力下,轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊負(fù)壓面將會出現(xiàn)渦流,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊空化。這不僅對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生破壞,甚至可能造成轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生高頻振動,危及水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運行。因此,自備防汛電廠必須對水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造。

2007年 4月,丹江口水利樞紐小水電有限公司委托華南理工大學(xué)電力學(xué)院對本公司的水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造模型設(shè)計,在其 HLD75-LJ-220水輪機(jī)的基礎(chǔ)上,將水輪機(jī)的運行技術(shù)參數(shù)確定為:最大水頭 78m,平均水頭 68m,最小水頭 53m;設(shè)計水頭 66.5m(蝸殼進(jìn)口測壓點的值),設(shè)計流量42.6m3/s,發(fā)電機(jī)出力 25MW。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

表2 水輪發(fā)電機(jī)組運行參數(shù)m

2 水輪機(jī)增容改造模型的一般要求① 丹江口水利樞紐小水電有限公司模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計技術(shù)開發(fā)合同書。

2.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造模型技術(shù)指標(biāo)

改造模型的轉(zhuǎn)輪直徑:D1=0.367m;

改造模型的轉(zhuǎn)輪葉片數(shù):n=13片;

改造模型的活動導(dǎo)葉數(shù):Z=20個;

真機(jī)與模型機(jī)的比例:6.289。

2.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造模型技術(shù)性能指標(biāo)

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速:73～74r/m in;

最小單位轉(zhuǎn)速:68r/min;

最大單位轉(zhuǎn)速:83r/min;

最優(yōu)單位流量:0.95～1.0m3/s;

設(shè)計單位流量:1.05～1.1m3/s;

設(shè)計點的空化系數(shù)σ:0.12～0.13;

壓力脈動(ΔH/H):＜8%～9%;

最優(yōu)效率:92.7%～93.5%;

設(shè)計工況效率:91.5%～92.0%。

3 水輪機(jī)增容改造模型試驗結(jié)果② 丹江口水利樞紐小水電有限公司委托水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪試驗合同書。

受丹江口水利樞紐小水電有限公司委托,東方電機(jī)股份有限公司于 2008年 3月 31日完成模型水輪機(jī)裝置的加工工作,于 2008年 10月 24日～2008年 11月 29日對模型水輪機(jī)裝置進(jìn)行性能試驗。

試驗在東方電機(jī)股份有限公司水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪實驗室進(jìn)行,采用了 DF-60水力機(jī)械通用試驗臺(見圖1)。DF-60試驗臺主要進(jìn)行大流量的軸流式、貫流式和中低水頭的混流式水輪機(jī)模型試驗研究。

該試驗臺主要參數(shù)見表3。

3.1 試驗項目

(1)能量試驗;(2)空化試驗;(3)壓力脈動試驗;(4)飛逸試驗。

3.2 能量試驗結(jié)果

模型水輪機(jī)最高效率 η=94.2%;模型水輪機(jī)額定效率 η=92.4%換算到原型機(jī)上額定效率 η=93.6%;原型水輪機(jī)額定流量 Q=41.6m3/s。

3.3 空化試驗結(jié)果

額定點臨界空化系數(shù):σs=0.082。

表3 轉(zhuǎn)輪試驗試驗臺主要參數(shù)

3.4 壓力脈動試驗結(jié)果

在全部運行范圍內(nèi)壓力脈動最大值為 6.0%;尾水管壓力脈動混頻幅值為 9.0%。

3.5 飛逸試驗結(jié)果

模型水輪機(jī)使用最大開度 α=36°時,最大單位飛逸轉(zhuǎn)速為 137.31r/min;電站最大水頭 78m時,原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為 525.4r/min。

4 水輪機(jī)增容改造模型的見證試驗

筆者于 2008年 12月 1日在與模型試驗中完全相同的 DF-60水力機(jī)械通用試驗臺上,對設(shè)計的模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了見證試驗。

試驗內(nèi)容包括能量試驗、空化試驗、壓力脈動試驗、飛逸試驗?，F(xiàn)將見證試驗內(nèi)容、成果及結(jié)論介紹如下:

(1)模型能量見證試驗結(jié)果與前期能量試驗結(jié)果基本一致。在進(jìn)行最低水頭的能量試驗同時進(jìn)行了葉道渦流初生和發(fā)展現(xiàn)象的觀察。

(2)額定工況點空化見證試驗的臨界空化系數(shù)σs=0.08,與初步空化試驗的 0.082基本一致。

(3)見證組選取 9個工況點進(jìn)行壓力脈動見證試驗。模型壓力脈動見證試驗結(jié)果與初步壓力脈動試驗結(jié)果基本一致。

(4)選取額定導(dǎo)葉開度 αr=29.5°進(jìn)行飛逸試驗見證。見證試驗結(jié)果與初步試驗結(jié)果基本一致。

筆者認(rèn)為,試驗裝置模擬了丹江口水利樞紐小水電有限公司自備防汛電廠的流道,試驗方已按照合同要求完成了初步試驗。試驗結(jié)果真實可靠,與初步試驗結(jié)果基本一致。

圖1 DF-60水力機(jī)械通用試驗臺的示意

5 水輪機(jī)增容改造模型的試驗分析

公司自備防汛電廠水輪機(jī)改造模型,是華南理工大學(xué)電力學(xué)院在水輪機(jī)流態(tài)數(shù)值的計算機(jī)模擬分析(CFD)基礎(chǔ)上,優(yōu)化水輪機(jī)的水力設(shè)計和水力特性后設(shè)計制造的模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。通過對原型水輪機(jī)流道全模擬模型上進(jìn)行性能試驗,以驗證新開發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪各項水力性能參數(shù)是否滿足模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計合同規(guī)定的保證值,模型試驗結(jié)果將作為原型水輪機(jī)設(shè)計和驗證出力、效率保證值的依據(jù)。

模型能量試驗見圖2。

由圖 2可以看出:(1)模型水輪機(jī)最優(yōu)工況效率 η=94.2%,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 72r/min,最優(yōu)單位流量 Q=0.8m3/s。(2)額定工況效率 η=92.4%(換算到原型機(jī)上額定效率為 93.6%),單位轉(zhuǎn)速76.98r/min,單位流量 Q=0.853m3/s(換算到原型機(jī)上額定 Q=41.6m3/s)。參數(shù)值均在模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計要求之內(nèi)。從額定工況來看,模型水輪機(jī)綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=92%和 η=93%之間,水輪機(jī)的效率一般。從最優(yōu)工況來看,模型水輪機(jī)綜合特性曲線圖上反映出力線,落在效率曲線的 η=93%和 η=94%之間,可認(rèn)為水輪機(jī)的效率較好。

由于丹江口水利樞紐加高后的水庫正常蓄水為170m,故改造后的水輪機(jī)也將長期在 170m水位工況下運行。

通過驗證,空化試驗結(jié)果為:額定點臨界空化系數(shù)σs=0.082,σp/σs=1.98,均在模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計要求之內(nèi)。

通過驗證,壓力脈動試驗結(jié)果見圖3。

(1)在全部運行范圍內(nèi)壓力脈動最大值:ΔH/H=6.0%左右。(2)尾水管壓力脈動混頻幅值:ΔH/H=9.0%。從模型水輪機(jī)綜合特性曲線壓力脈動圖上來看,模型導(dǎo)葉開度 15°時空化系數(shù)為最大,ΔH/H=9.0%,最優(yōu)工況和額定工況下的空化系數(shù)分別為:ΔH/H=0.01。因此模型轉(zhuǎn)輪空化試驗結(jié)果比較理想,證明改造模型轉(zhuǎn)輪空化性能較好。

通過驗證,飛逸試驗結(jié)果為:(1)模型水輪機(jī)使用最大開度 α=36°時,最大單位飛逸轉(zhuǎn)速為137.31r/min(換算到原型機(jī)上的導(dǎo)葉開度為 α=122%)。(2)電站最大水頭 78m時,原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為 525.4r/min。從模型飛逸試驗結(jié)果上來看,水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為525.4r/m in。目前在用的水輪發(fā)電機(jī)組的最大飛逸轉(zhuǎn)速為550r/min,所以滿足改造后水輪發(fā)電機(jī)組的要求。

圖2 模型轉(zhuǎn)輪能量試驗結(jié)果

圖3 壓力脈動試驗結(jié)果

通過驗證,換算到原型機(jī)上的額定流量Q=41.6m3/s,而設(shè)計給定流量 Q=42.6m3/s,從能量性能來說,模型機(jī)的性能比較理想。

6 結(jié)束語

丹江口水利樞紐小水電公司自備防汛電廠水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪試驗的結(jié)果,證明華南理工大學(xué)電力學(xué)院設(shè)計出的適應(yīng)丹江口水利樞紐大壩加高后新工況下的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,在能量、空化、飛逸等參數(shù)方面,具有好的性能,并有一定的裕度,滿足本電廠的要求。