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龙首二级（西流水）水电站水轮机能量特性检验
jiang_0514 发表于 2009/6/29 11:31:55 1304 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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龙首二级（西流水）水电站水轮机能量特性检验
摘 要：机组的能量特性检验对水电站的安全运行有着非常重要的意义。国内的检验方法普遍不够先进，本文中的特性检验采用的是拥有世界上最先进的水轮机CFD计算技术的KV-ERNER公司的技术，通过对黑河龙首二级（西流水）水电站4#机组的现场能量特性试验检验，证明了该技术在水轮机能量特性检验上效果突出。通过检验不仅对电站今后运行有一定的参考意义，而且对同类机组在今后国内的设计、制造以及研究提供了可借鉴的特性参数。
关键词：水电站：能量试验；优化运行
中图分类号：TK73 文献标识码：B
1 前言
水轮机组的能量特性检验对水电站的安全运行有着非常重要的意义。由于流体机械内部流体流动的复杂性, 能量特性检验在技术和经济上都比较困难。尤其是对于设计新的水轮机,由于理论的不完善,水轮机的实际性能参数与设计数值并不完全一致， 本文中的特性检验采用的是水轮机CFD计算技术的KVERNER公司的技术，结合南瑞公司（NARI）生产的UF-911A型多声路超声波测流装置来实现机组的能量特性检验。本次检验选择一台机组在某一水头下进行现场试验。试验机组为4号机（大机），该机组于2004年6月初开始安装，7月份在φ2.5 m压力钢管上安装了一套由南瑞公司（NARI）生产的UF-911A型多声路超声波测流装置，8月中旬机组启动试运行。
2．工程概况及4号机组主要技术参数
2.1工程概况
黑河龙首二级（西流水）水电站是黑河中游梯级电站开发规划的第七座水电站，位于黑河祁连山峡谷中，距甘肃省张掖市西南43 km。枢纽主要建筑物由拦河大坝、隧洞引水发电系统、岸边式发电系统以及发电厂房等组成。水库正常蓄水位1 920.0 m，库容8 620 m3，具有日调节性能，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高146.5 m。右岸布置深孔排沙洞和表孔溢洪道，左岸布置压力引水式发电系统，引水隧洞长1 760 m，厂房位于大坝下游左岸3 km处，为岸边地面厂房。电站安装4台（3×45+1×22）MW混流式水轮发电机组，总装机容量157 MW，年发电量5.28亿kW·h。电站采用两回110 kV送出线路接入张掖电网，主要任务是发电，同时在张掖电网中承担调峰、调相等任务。电站建成后将缓解当地工农业用电的紧张局面，改善电网电压结构，为地区经济发展提供必须的电力保障。
2.2 发电机主要技术参数
型 号：SF-J45-16/4400
额定容量:52.941MVA
额定功率:45 MW
额定电压:10.5 kV
额定电流:2911 A
额定转速:375 r/min
额定功率因数:0.85
额定点效率:98.14％
2.3 水轮机主要技术参数
型 号 :HL（L237100）-LJ-220
最大水头: 164.36 m
额定功率:46.88 MW
额定水头: 150 m
额定流量:33.29 m3/s
最小水头:137.70 m
额定转速:375 r/min
飞逸转速：665 r/min
额定点吸出高度：-2.2 m
最高效率:95.89％
额定点效率:95.8％
3 试验方法及测点布置
试验方法为超声波法绝对效率试验，遵循的标准是IEC41-91《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收》国际规程。主要参数采用电研所自行研制的水轮机效率微机采集与处理系统进行自动采集和数据处理，最终计算出水轮机出力和效率值。测量原理示意图见图1。
·流量测量：采用八声路超声波流量计测量，换能器形式为H210-45°内装式。由于直管段较短，换能器前约1 m处是喇叭口，后约2 m处是蝶阀，所以，换能器按交叉形式布置。
·水头测量：用蜗壳进口断面能量减去尾水管出口断面能量测量计算。
·功率测量：用高精度（0.2级）功率变送器采用双瓦特表法测量发电机输出功率，水轮机功率是由发电机功率扣除损耗后得到，该损耗由发电机效率反映。发电机效率采用制造厂家提供的设计值。
4试验情况及试验误差
4．1试验情况
本次试验严格按照IEC规程和《西流水水电厂4号机组水轮机效率试验大纲》的要求进行，试验工况点安排如下：空载5、10、15、20、25、30、35、37.5、40、42.5、45、最大、40、32.5 MW，共计15点。试验负荷调整到预定的试验工况点后，调节无功（注：本次试验使功率因数接近于1），待机组充分稳定后，由试验指挥发信号，开始进行数据的采集和读数，这样就保证了测量的同时性。
试验过程中，除个别工况进口压力测量绝对值波动较大外，其余各测量值均稳定。主要参数（有功、进出口压力、流量等）均采用多次测量后得到，通过大量测量比较后可消除较大的测量误差。另外试验的水质也很好。
工作水头、有功功率、功率因数、周波等参数均满足IEC规程的偏差要求，所以试验各工况测量参数符合规程规定的水轮机效率不作修正的条件，实测效率可直接引用在换算水头下，转速也不用修正，出力、流量可直接按换算公式进行换算。
4．2 误差分析
绝对效率试验的综合误差是由测量的系统误差和随机误差按方和根求取，根据有关计算方法，试验测量误差计算结果如下：
由此可见，本次试验所测水轮机效率误差在IEC41规程允许的范围内（±1.5％～2.5％），测试数据有效，完全可用本次试验结果来评价4号水轮机能量性能的保证值。
5 试验结果
图2和图3是将试验数据换算到Ｈp=139.5 m下的水轮机出力和效率特性曲线。
5.1 水轮机出力
从试验数据可见，当导叶开度为86％、工作水头为138.416 m时，机组出力为45.721 MW，已超过机组的额定出力45 MW，按厂家提供的发电机效率计算，反映到水轮机出力为46.588 MW，接近水轮机额定出力46.88 MW。由于试验时的水头远低于额定水头150 m（现修改为145 m名义上的，原因下述），故当机组运行在额定水头时，水轮机出力将远超过厂家提供的保证出力46.88 MW，也就是说4号机组水轮机出力和机组出力裕量较大。
5.2 水轮机效率
从厂家提供的水轮机运转特性曲线（HL（L237100）-LJ-220）上可得到水头为139.5 m的水轮机效率特性曲线（数值见表2）。从图3可见，在平均水头139.5 m时，实测曲线均位于厂家曲线之下，两条曲线几乎平行（最高点后两条曲线逐渐接近），变化规律一致，最高效率点的位置几乎相同，均在41 MW附近。实测最高效率为94.726％，相应水轮机出力40.610 MW，低于同水头厂家提供值（95.5％左右）约0.78％。从误差带范围可见，厂家提供曲线均在误差带上限范围内。所以，在平均水头139.5m 时，厂家给定的效率特性满足要求。
表1为实测的水轮机效率特性曲线和厂家提供的效率曲线以及效率偏差值。
从表1可见，在可比范围内，实测的水轮机效率比厂家提供的效率低，平均约低0.72％。
6 水轮机能量特性分析
龙首二级（西流水）水电站机组的选型采用的是挪威KVERNER能源公司高水头混流式水轮机的最新技术和最新设计图纸资料（注：2003年KVERNER被美国GE公司兼并），并引进了KVERNER先进制造加工工艺。KVERNER能源公司具有世界先进的转轮技术和丰富成熟的设计制造经验，龙首二级（西流水）没有做转轮模型试验，而是直接选用成熟的转轮，该转轮模型最高效率为94.82％。
龙首二级（西流水）水电站是目前甘肃省应用水头最高的一座水电站，原设计最高水头164.36 m，最小水头137.70 m，额定水头150m。根据以前的模型试验结果换算到原型机组，水轮机最高效率2#、3#、4#大机95.89％，1#小机95.74％；额定点效率大机95.80％，小机95.15％；额定水头以上大机能超发11.1％，小机超发4％；性能指标是比较高的，尤其是额定点的效率几乎接近最高效率是少见的。从现场试验结果可见，实测效率曲线变化趋势与厂家给定曲线完全一致，实测效率与给定值在数值上仅相差0.7％～0.8％。实测水轮机出力裕度也比较大，从而验证了西流水水轮机的能量性能比较先进。西流水水轮机能量指标的提高在设计、结构、材质、制造工艺等方面主要采取了以下措施：
(1) KVERNER拥有世界上最先进的水轮机CFD计算技术，许多部件水力计算、受力分析、刚强度有限元计算、轴系振动计算、过渡过程计算等都采用了先进的计算技术。
(2) 转轮设计上采用了“X”型叶片型线，“X”型线可使转轮内部的流态、叶片正背面的压力分布均衡，压力差较小，因而减少了局部高流速区，减缓了转轮内的二次回流，使进口后无涡流区，水力损失相对较小，不仅具有良好的抗泥沙磨损性能，而且还提高了水力效率和水力稳定性。另外，“X”型叶片要求的补气量小，也可提高水轮机的效率。
(3)转轮叶片较薄，加大了过流断面，同样减少了局部高流速区。过流量的增大，使水轮机出力增加。
(4)大机转轮上冠、下环采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸造，大机叶片也采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸造，小机采用06Cr13Ni4Mo不锈钢板模压成型，数控五座标镗铣床加工，保证了叶片型线的加工精度。泄水锥也采用0Cr13Ni4Mo不锈钢材料。
(5)顶盖、底环过流面也采用抗磨蚀性能优良的0Cr13Ni4Mo不锈钢材料。
需要说明的是，受电站尾水位抬高5 m的影响，导致安装高程由1753.75 m上升到1758.75 m，厂房各层高程也相应抬高5 m，原额定水头由150 m下降为145 m，但水轮机的机型不变，也即水轮机的能量性能保持不变，额定水头变化只是名义上的。所以，仍按厂家原先提供的运转特性曲线进行检验。
额定水头的减小，减少了机组在高水头运行的时间，使得设计年发电量减少。只有广泛深入开展经济运行才能弥补这一缺憾。
7 结语
通过现场试验验证，得出如下结论：
（1）许多部件水力计算、受力分析、刚强度有限元计算、轴系振动计算、过渡过程计算等都采用了先进的水轮机CFD计算技术，计算准确率很高。
（2）本次试验所测水轮机效率误差在IEC41规程允许的范围内（±1.5％～2.5％），测试数据有效，完全可用本次试验结果来评价4号水轮机能量性能的保证值。
（3）龙首二级（西流水）水轮机能量指标在Ｈp=139.5 m水头下是比较先进的，但要全面评价还需在额定水头等几个水头范围内进行试验。对于高水头电站，应特别注意流量的利用，所以，应尽快完成可能运行水头范围内的能量试验，以制定合理、科学的运行机制，减少耗水，增发电量。
参考文献：
[1] 刘秀良. 黑河龙首二级（西流水）水电站能量特性试验报告［R］.甘肃省电力试验研究所，2004.
[2] 魏微. 甘肃黑河龙首二级（西流水）水电站工程首台机组启动设计工作报告［R］.甘肃省水利水电勘测设计研究院，2004.
[3] 龙首二级（西流水）水电站水轮发电机组投标书［Z］.克瓦纳（杭州）发电设备有限公司，2002.
Testing the Electric Output Performance of Turbine of Longshou II
Power StationXiliushui
ZHANG Qing-yang1, YANG Bing1, LIU Xiu-liang2, JIA Rong3
(1 Gansu Tou River Hydropower Development Ltd, Gansu Zhangye 734000, China; 2 Gansu Electric Testing Institute, Gansu Lanzhou 730050, China;
3 Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)
Abstract：Testing of electric output is of essential for the safety performance of hydropower station. The domestic testing method was not advanced; the testing technique used in the study was developed by KVERNER Company, which was the toprank turbine producer in the world. It was shown by the testing for No.4 unit electric output performance of the Tou River hydropower station that the technique has outstanding effects. The testing was provided not only basic reference for operation of the station, but also characteristic parameters for design, production and research.
Key words：hydropower station; electric output testing; optimal operation