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响水涧抽水蓄能机组水泵水轮机模型试验结果分析 响水涧抽水蓄能机组水泵水轮机模型试验结果分析 黎 辉 赵英男 许建新 （哈尔滨大电机研究所 哈尔滨 150040） [摘 要] 响水涧电站是我国首个完全国产化设计的大容量、高水头抽水蓄能项目，哈尔滨电机厂有限责 任公司中标后，根据合同分别在国内哈尔滨大电机研究所高水头试验二台、国外瑞士洛桑中立 PF3 试验台 进行了水泵水轮机模型验收试验本文对两试验台的模型主要试验结果进行了比较和分析 [关键词] 响水涧抽水蓄能电站 水泵水轮机 模型试验 试验台 1 项目背景 我国开展抽水蓄能技术研究工作始于六、七十年代，哈尔滨大电机研究所与清华大学等单位合 作研究，先后在 100-300m 水头的水泵水轮机取得了一定的成果但受当时国内电网条件的限制，在 机组研制方面一直实绩不多，基本上都是单机容量不超过 100MW、水头不超过 100m 的机组上世 纪八十年代以后，在潘家口、广蓄、十三陵、天荒坪等电站从国外引进高水头、大容量抽水蓄能机 组在白莲河、宝泉、惠州三个抽水蓄能项目“打捆招标”技术引进之后，我国水泵水轮机的科研 进入了独立开发与消化吸收引进技术相结合的阶段，各科研研究机构通过系统的消化吸收引进机组 的技术，在高水头的水泵水轮机设计方面取得了较好的成果。

随着一批测试精度高、功能全、测试 范围宽的高水头试验台的建成和投入使用，我国已具备了独立开发和测试高水头、大容量水泵水轮 机的能力 2006 年 9 月，国家发改委确定响水涧为我国抽水蓄能机组国产化示范项目，实行国内招标，全 部采用国内自主设计和制造响水涧成为我国抽水蓄能机组完全自主开发、设计和制造的第一个国 产化的大容量、高水头抽水蓄能项目，意义重大 作为我国首台完全国产化设计、制造的大容量、高水头抽水蓄能机组，它的起点是非常高首 先，响水涧抽水蓄能电站的技术参数要求达到了同类型机组的国际先进水平；其次，为了核实模型 试验结果，检验水泵水轮机的水力性能，要分别在国内试验台和国外中立试验台进行模型验收试验 2008 年初哈尔滨电机厂有限责任公司在该项目中中标 2008 年 10 月，在国内哈尔滨大电机研究所高水头试验二台进行了响水涧模型水泵水轮机验收 试验 2009 年 6 月，在国外瑞士洛桑理工学院水力试验室 PF3 试验台再次进行响水涧模型水泵水轮机 验收试验 2 电站概况 响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇，装机容量 1000MW电站临近华东电网 负荷中心， 直线距离距芜湖市区 30km， 合肥 130km， 南京 120km。

电站安装 4 台单机容量为 250MW 的可逆式发电电动机组电站建成后，以 500kV 一级电压、2 回出线接入 500kV 繁昌变电站，承担 华东电网调峰、填谷、事故备用、调频、调相等任务 水泵水轮机型式为立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机与额定转速为 250r/min、50Hz 发电电 动机通过主轴法兰直接连接转动方向为：水轮机工况俯视逆时针，水泵工况俯视顺时针 电站所在地重力加速度 gp=9.7943/s2 多年平均水温 16.7℃ 机组台数 4台 水泵水轮机安装高程 -52.05m 额定频率 50Hz 水轮机工况正常频率变化范围 49.5～50.2Hz 水泵工况正常频率变化范围 49.8～50.5Hz 短时允许频率变化范围 48.5～50.5Hz 水泵水轮机额定转速为 250r/min 额定净水头为 190m 水轮机工况额定输出功率 不小于 254MW。

3 水力模型试验台简介 哈尔滨大电机研究所高水头试验二台建成于 2000 年，是一座高参数、高精度的水力机械通用 试验台（图 1a） 试验台设有 A、B 两个工位，可分别进行贯流式、轴流式、混流式及可逆式水力 机械模型试验， 试验台效率综合误差≤±0.20%； 瑞士洛桑理工学院水力试验室是国际上最著名中立水 力试验室，历史悠久，代表着世界最高技术水平，共有 3 座通用水力机械试验台（图 1b） ，可进行 诸如水泵、水轮机和水泵水轮机等立式或卧式所有类型的水力机械的试验，试验台效率综合误差 ≤±0.25%两座试验台的具体参数如下： 图 1a 哈尔滨大电机研究所高二台 图 1b 瑞士洛桑中立试验台 表 2 两试验台的参数 项项 目目 HILEM LMH 最高水头(m) 150 100 最大流量(m3/s) 2.0 1.4 测功机功率(kW) 500 300 测功机转速(r/min) 0～2500 0～2500 供水泵电机功率(kW) 600×2 400×2 流量校正筒容积(m3) 120×2 150 效率综合误差(%) ≤±0.20 ≤±0.25 注：HILEM-哈尔滨大电机研究所高二试验台 LMH-洛桑 PF3 试验台 4 模型试验结果及分析 本文对响水涧模型水泵水轮机在两座试验台的主要试验结果进行了比较和分析，内容包括效率 特性、空化特性、压力脉动、飞逸特性、四象限试验。

4.1 效率特性试验 效率特性试验包括：1）水轮机工况下的模型、原型的最优效率点、运行区内最优效率点、额定 效率点和加权平均效率点试验结果2）水泵工况下的模型、原型的最优效率点和加权平均效率点试 验结果效率试验结果分别见表 3 和表 4 表 3 响水涧水轮机工况效率 水轮机工况 水轮机工况 HILEM LMH 合同保证值 合同保证值 模型最优效率（%） 92.04 92.19 ---- 运行区模型最高效率（%） 91.85 91.88 91.66 运行区原型最高效率（%） 94.16 94.28 93.87 模型额定点 87.82 87.70 87.55 原型额定点 90.13 90.10 89.70 原型加权平均效率（%） 91.20 91.28 91.10 表 4 响水涧水泵工况效率 水泵工况水泵工况 HILEM LMH 合同保证值合同保证值 模型最优效率（%） 91.29 91.61 91.04 原型最优效率（%） 93.31 93.71 93.29 模型加权平均效率（%） 91.10 91.50 90.79 原型加权平均效率（%） 93.14 93.60 93.04 由表 3、表 4 可知响水涧水泵水轮机各效率值在水轮机、水泵工况均满足合同要求。

同时对比 我国近十年投产的绝大多数抽水蓄能机组效率（见表 1） ，可知响水涧水泵水轮机的效率水平已达到 世界先进水平 4.2 空化特性试验 空化特性试验包括水轮机工况、水泵工况的临界空化和初生空化的确定 由于水泵水轮机水泵工况时的叶片动压降位于水泵进口处，叶片动压降与水泵工况的转轮进口 处的低压区重合，水泵工况比水轮机工况更易发生空化，因此水泵水轮机的空化性能主要取决于水 泵工况的空化性能基于此原因，两试验台在进行空化验收试验时，仅对水轮机工况下的额定工况 点进行了空化特性复核试验（见表 5） 水泵工况则对包括最大毛扬程、最小毛扬程在内的典型工况 点进行了空化复核试验（见图 3） 试验结果如下： 表 5 水轮机工况空化试验结果 n11 Q11 Hp σc σi σp σp/σc σp/σi (r/min) (m3/s) (m) HILEM 59.67 1.018 190 0.118 0.161 0.337 2.86 2.09 LMH 59.67 1.015 190 0.105 0.142 0.337 3.21 2.37 从水轮机工况空化试验结果看，其电站装置空化系数要远高于初生空化系数，空化裕度非常大， 满足合同要求。

两试验台临界空化系数值相当，但初生空化系数值 HILEM 略大于 LMH这可能与 在 HILEM 进行试验的转轮材料为青铜， 在 LMH 进行试验的转轮材料为不锈钢所致见图 2、 图 4） HILEM LMH 图 2 水轮机工况初生空化观测 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 400 420 440 460 480 500 520 540 560 空化系数σ模型流量Q1300[l/s]响水涧水泵工况空化试验结果HILEM σiHIlEM σcLMH σiLMH σc图 3 水泵工况空化试验结果 水泵工况空化试验结果显示，除在运行区最高扬程低频点的初生空化系数大于装置空化系数， 其余空化性能满足电站要求从两试验台试验结果看，在小流量区域的临界空化系数值、初生空化 系数值基本一致大流量区域，初生空化系数值略有差别，而临界空化系数值差别稍大从水泵空 化理论上来说空化系数随着流量的增加而变大更符合特征规律 HILEM LMH 图 4 水泵工况大流量叶片压力面初生空化观测 4.3 压力脉动试验 响水涧项目的压力脉动验收试验共采用 7 个压力脉动测点，分别是蜗壳进口、转轮与导叶之间 （无叶区）、顶盖与转轮上冠之间、锥管及肘管上下游。

表 6、表 7 分别列出了两试验台在水轮机 工况和水泵工况的模型压力脉动试验比较结果 表 6 水轮机工况压力脉动验收试验结果 测点位置测点位置 HILEM LMH 合同保证值合同保证值 蜗壳进口 2.38% 2.14% < 3 % 导叶后转轮前 5.23% 5.76% < 7% 顶盖与转轮之间 5.67% 4.26% < 7% 锥管上游 6.43% 4.93% < 7% 锥管下游 5.18% 4.32% < 7% 肘管内侧 5.94% 6.39% < 7% 肘管外侧 2.27% 1.62% < 7% 表 7 水泵工况压力脉动验收试验结果 测点位置测点位置 HILEM LMH 合同保证值合同保证值 蜗壳进口 2.80% 2.50% < 4 % 导叶后转轮前 3.50% 3.82% < 7% 顶盖与转轮之间 3.20% 3.04% < 7% 锥管上游 2.30% 1.34% < 2% 锥管下游 2.00% 1.46% < 2% 肘管内侧 1.70% 0.70% < 2% 肘管外侧 2.00% 1.59% < 2% 从试验结果看，响水涧水泵水轮机在水轮机工况和水泵工况的压力脉动幅值总体较小，均满足 合同要求。

且两试验台的压力脉动试验结果上看，各测点位置的压力脉动幅值基本一致，趋势相同 4.4 飞逸转速特性试验 对于飞逸转速特性，两试验台在高空化系数和电站装置空化系数下均进行了试验，试验结果见 图 5： 303540455055606570758000.10.20.30.40.50.60.7n11(r/min)Q11(m3/s)响水涧飞逸转速特性试验结果HILEM飞逸试验点（高空化系数）LMH飞逸试验点（高空化系数）HILEM飞逸试验点（电站装置空化系数）LMH飞逸试验点（电站装置空化系数）图 5 飞逸试验结果 图 5 可看出，高空化系数和电站装置空化系数下的响水涧的飞逸特性是一致的从常规空化理 论来说，空化系数变化对飞逸数据是有影响的但由于响水涧水泵水轮机具有良好的空化性能，空 化裕度很大，所以在电站临界空化系数下对飞逸转速影响极小或无影响，试验结果也证明了这一点 4.5 四象限全特性试验 四象限全特性试验指的是反映包括水泵水轮机常规运行范围在内的所有运行状态的水力性能试 验，共包括两个流量方向和两个转速方向的水泵和水泵‐水轮机工况（四象限运行），其中有水泵工 况、水。