（1.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司 溧阳 213333；2.水力发电设备国家重点实验室 哈尔滨 150040）
摘要：江苏沙河抽水蓄能电站水泵水轮机发电机组由ALSTOM设计制造，经多年运行，两台转轮相继出现空蚀、裂纹、孔洞等缺陷，历经多次维修，均未能彻底解决。通过自主研发，哈电机成功研制出各项性能指标优良的模型转轮。本文主要对模型验收试验结果进行了分析，其水轮机及水泵能量特性、空化特性、压力脉动特性、S特性、水轮机飞逸特性等各项主要指标均满足要求，为原型转轮的设计、制造、运行和调节保证设计提供了可靠的依据。
关键词：水泵水轮机；效率；空化；S特性；压力脉动
SUN Cheng-ling，YANG Wei-bin，YU Xie-dong
（1.Jiangsu Shahe Pumped Storage Power Generation Co.，Ltd，Liyang 213333，China
2.State Key Laboratory of hydropower equipment，Harbin 150040，China
Abstract：The pump and turbine generator of Shahe Pumped Storage Power Station in Jiangsu Province was designed and manufactured by Alstom.After years of operation，the two runners successively suffered from cavitation，cracks，holes and other defects.After many times of maintenance，none of them was completely solved.Through independent research and development，Harbin Electric Machinery Co.，Ltd.has successfully developed model runner with excellent performance indexes.In this paper，the results of model acceptance test are analyzed，and the main indexes of turbine and pump energy characteristics，cavitation characteristics，pressure fluctuation characteristics，s characteristics，runaway characteristics of turbine meet the requirements，providing a reliable basis for the design，manufacture，operation and regulation guarantee design of prototype runner.
Keywords：The pump and turbine generator；efficiency；cavitation；s characteristic；pressure fluctuation
1前言
江苏沙河抽水蓄能发电有限公司位于江苏省溧阳市天目湖境内，距离溧阳市区约18km，安装两台单机额定容量50MW立轴单级混流可逆式水泵水轮机组（HLN178-LJ-332），2002年6、7月份相继投入商业运行。电站主机设备由原法国ALSTOM设计制造，其中水泵水轮机安装高程-8m，发电额定水头97.7m，单机发电额定流量60.8m3/s，抽水最小扬程100.5m，单机最小扬程抽水流量53.7m3/s，年设计发电量1.82亿KW.h。电站输水系统采用一洞两机布置型式，下游尾水隧洞采用一机一洞布置形式。作为水泵水轮机核心部件转轮主要由上冠、下环、叶片及泄水锥等部件组成，材质为马氏体不锈钢，标称直径为3.32m。
（1）电站主要参数
正常蓄水位136m，正常消落水位120m，死水位116m。最高水位19.5m，最低水位15m，正常水位17.5m~19.0m。水轮机工况运行最大毛水头121m，正常情况下运行最小毛水头100.5m，极端运行最小毛水头96.5m，额定净水头97.7m。水泵工况运行最大毛扬程为121m，正常情况下最小毛扬程100.5m，非常情况下最小毛扬程96.5m。
（2）改造前机组存在问题
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图1叶片空蚀照片
①转轮（数控加工）检修时发现叶片出水边空蚀严重，如图1所示。
②转轮（数控加工）检修时发现叶片存在裂纹，如图2所示。
③转轮（数控加工）检修时发现叶片角焊缝存在缺陷，如图3所示。
④水轮机及水泵工况效率下降。
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图2 叶片裂纹照片
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图3 焊接缺陷照片
（3）原因分析
根据转轮裂纹、空蚀、孔洞等情况，结合原《模型验收试验报告》的相关内容，综合判断转轮空蚀及裂纹的主要原因是原转轮设计空化余量不足，水泵工况处于有空泡状态下运行。同时为了改善空化性能，原制造厂在转轮出水泵（水轮机方向）设置抗空化层，但是由于制造工艺等原因，导致焊材与母材没有完全融合，致使转轮在运行后出现空蚀、孔洞等情况。
基于以上问题，江苏沙河抽水蓄能发电有限公司对机组转轮提出改造的要求，在只更换转轮的前提下通过CFD分析技术及试验验证的方式，改善转轮的空化性能，提高水泵水轮机的效率。
2模型试验概述
模型试验依据为《江苏沙河抽水蓄能电站1、2号机组转轮技改项目设备采购合同》、IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[1]、IEC60609-1-2004《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的空蚀损坏评定第1部分：反击式水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的评定》[2]和GB/T15613-2008 《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[3]等。
江苏沙河抽水蓄能电站1#、2#机组转轮技改项目验收试验在哈尔滨电机厂有限责任公司大电机研究所水力机械试验6台进行。模型验收试验前对水头压差传感器、电磁流量计、尾水压力传感器和力矩传感器进行了现场原位标定，通过效率试验，模型验收试验水轮机方向的效率综合测量误差为±0.145%，水泵方向的效率综合测量误差为±0.138%，水轮机和水泵方向的综合误差均满足规定的不大于±0.2%的要求。
3模型试验主要结果
下文对模型验收试验的主要结果进行介绍。
3.1水轮机工况效率试验
水轮机工况模型验收试验是在等水头条件下进行的，模型试验水头为30m，全部工况均在高空化条件下进行。模型效率试验按照IEC60193[4]规定的两步法换算到原型效率。水轮机工况效率主要包括最优效率、运行区最优效率、加权平均效率、额定点效率和出力试验，其试验结果见表1。
由表1可知，水轮机工况模型效率和换算后的原型效率均满足要求。
表1 水轮机工况效率试验结果
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3.2水泵工况效率、入力、流量和驼峰裕度试验
水泵工况模型验收试验是在等转速条件下进行的，模型转速为1100r/min，全部工况均在高空化条件下进行。模型效率试验按照IEC60193规定的两步法换算到原型效率。水轮机工况效率主要包括最优效率、和加权平均效率，其试验结果见表2。
水泵工况流量试验包括电网频率f0=50Hz时最小流量、最大流量及平均流量试验。水泵工况入力试验包括电网频率f0=50Hz和f0=50.5Hz时的最大入力试验，其中入力为考虑原模型换算偏差时的最大入力，试验结果见表3。
表2 水泵工况效率试验结果
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表3 水泵工况流量和入力试验结果
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由表1及表3可知，水泵工况效率、入力、平均流量均满足要求。
水泵工况驼峰裕度试验的正斜率区域度在电网频率f0=49.8Hz时为3.69%，满足不小于2%的要求。
3.3水泵工况空化试验
空化特性试验包括水轮机工况、水泵工况的初生空化系数和临界空化系数的确定。空化系数计算的参考高程为导叶中心线。临界空化系数σc定义为随着吸出水头的减小，效率低于无空化工况效率0.5％时的空化系数。初生空化系数σi定义为在3个转轮叶片表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。利用闪频仪对所有空化现象包括气泡、旋涡的发生、发展进行观测并拍照。
水轮机工况空化试验在额定水头97.7m发额定出力、水头115m超发56.21MW下进行，试验水头27m，试验结果见表4，从中可以看出在电站正常运行条件下，初生空化系数小于电站空化系数，满足转轮无空化运行的要求。
水泵空化试验转速nm=1100 r/min，对3个特征工况点进行了验收试验，覆盖所有运行扬程工况，空化系数计算的参考高程为导叶中心线。试验结果见表5。从中可以看出在电站正常运行条件下（频率为49.8-50.5Hz），初生空化系数小于电站空化系数，满足要求。
表4 水轮机工况空化试验结果
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表5 水泵空化试验结果
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3.4压力脉动试验
压力脉动试验测点分别布置在蜗壳进口、导叶与转轮间、顶盖与转轮间、尾水锥管及尾水肘管等位置，具体分部位置严格与原型机位置相同。
水轮机工况压力脉动在最大水头HP=121.00m，额定水头HP=97.70m条件下进行，从空载到110%负荷在电站空化系数下进行压力脉动试验。空化系数参考面以导叶中心线为准。试验结果见表5。试验结果表明水轮机工况运行范围内及部分负荷时的压力脉动值均满足要求。
根据电站实际需要，水轮机工况异常低水头（黑启动）试验结果见表6。
表5 水轮机工况压力脉动试验结果
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表6 水轮机异常低水头试验结果
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水泵工况压力脉动试验覆盖水泵工况全部运行范围，转速n=1100 r/min，在电站空化系数下进行试验。水泵工况转轮与导叶间、锥管测点的压力脉动试验结果见表7。
试验结果表明，转轮与导叶间压力脉动在电站整个运行扬程范围内最大值略超出保证值，超出部分扬程主要集中在96.50m~108.00m的运行区间，根据权值分配表可知，电站在这部分水头运行的概率较低（权重为2.50%）；尾水锥管压力脉动在电站全部运行范围内最大值略超出保证值，超出部分水头为96.50~101.00m，电站在这部分水头运行的概率较低（权重为0.5%）。
表7 水泵压力脉动试验结果
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目前为止，除尾水管涡带在原型和模型之间具有一定的相似性外，其他测点，由于模型与原型结构上不同，不具备相似性，结合模型试验结果，充分分析压力脉动频率成分，对转动部件和固定部件进行模态分析，使固有频率避开各阶激振频率，避免共振发生，保证机组安全稳定运行[5，6]。
3.5四象限全特性试验
在导叶开度A0=9.00°的条件下完成水泵工况、水泵制动工况、水轮机工况、水轮机制动工况、反水泵工况5个工作区域的全特性验收试验。A0=27.00°导叶开度下进行水轮机工况、水轮机制动工况的局部加密试验，以准确计算“S”特性安全余量。全特性及“S”特性实验结果如图4及表8所示。试验结果表明，验收试验和初步试验结果吻合。稳定区域边界临界负斜率点单位转速n11=88.35r/min，水轮机工况运行范围距“S”特性区安全余量为25.47m（相对最小毛水头96.50m），安全余量较大，满足要求。考虑机组安装制造的误差，确保水泵水轮机安全稳定并网，同时零流量启动时，输入功率较低，且具有较高扬程，压力脉动幅值也较低[7]。
表8 “S”特性试验结果
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图4 全特性曲线
3.6飞逸转速试验
初步试验时，飞逸转速试验覆盖了水泵水轮机全部运行水头和从导叶关闭位置到110%导叶开度范围。验收试验在导叶开度A0=39.00°（额定开度）和A0=43.00°（110%额定开度），在高空化系数下进行试验。验收试验与初步试验结果对比见表9。飞逸试验结果表明，原型机最大飞逸转速为462.6r/min，满足不大于475 r/min的要求。
表9 水轮机工况飞逸转速试验结果
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4结论
沙河电站水泵水轮机模型验收试验是根据合同、验收试验大纲、规程规范等要求进行，整个试验过程均得到验收组的见证。水轮机工况下的模型最高效率、换算到原型机的最高效率、模型加权平均效率、原型机加权平均效率均满足要求。水泵工况下的模型最高效率、换算到原型机的最高效率、模型加权平均效率、原型机加权平均效率均满足要求。水轮机及水泵工况下空化性能均满足要求。水轮机和水泵工况压力脉动值除个别点略超出保证值外，其它均满足要求。水轮机工况下的飞逸试验结果满足要求。
综上所述，哈电研制的模型转轮水力性能较好，已通过验收并按此模型进行原型转轮的设计制造。通过这次转轮改造，进一步优化改善了存在的问题，使沙河抽水蓄能电站的水泵水轮机达到现代先进水平。
参考文献：
[1]IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[S]．
[2]IEC60609-1-2004《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的空蚀损坏评定第1部分：反击式水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的评定》[S]．
[3]GB/T15613-2008 《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[S]．
[4]徐洪泉，刘诗琪，宫让勤．IEC60193存在的部分问题及新国际对其的修正[J]．大电机技术，2012（3）：49-54．
[5]郭彦峰，罗成宗，赵志文．浙江仙居电站水泵水轮机模型验收试验及水力性能分析研究[J]．大电机技术，2016（4）：36-41．
[6]刘林元，于纪幸．呼和浩特抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验及性能分析[J]．水电站机电技术，2009（4）：50-54．
[7]陈元林，覃大清．响水涧项目水泵水轮机性能研发[J]．水电站机电技术，2001．
[8]覃大清，张乐福．关于水泵水轮机最高扬程驼峰区安全裕度选取的建议[J]．大电机技术，2006．
作者简介：
孙成玲（1977--），女，本科，高级工程师，从事抽水蓄能电站建设、运行、维护管理等工作。
杨卫彬（1986--），男，硕士，工程师，从事水泵水轮机水力设计及结构设计等工作，通信作者。