宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验

宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型验收试验
王胜军胡清娟
（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司）
摘要：历时35天的河南国网宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机水力性能模型验收试验于2005年9月26日圆满结束。

本文对模型试验台、试验装置及模型试验结果进行了简单介绍。

关键词：宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验
1 概况
宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县市薄壁镇大王庙以上2.4km的峪河上，距新乡市45km，距焦作市约30km，与郑州市直线距离约80km，是一座日调节纯抽水蓄能电站。

电站装机容量1200MW，装设4台单机容量为300MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组。

电站建成后以500kV出线接入河南电网，担任河南电网的调峰、填谷、调频、调相以及事故备用等任务。

宝泉抽水蓄能电站主要参数
当地重力加速度9.7980m/s2水温0～28°C
额定转速500r/min 水轮机额定水头510.00m
电站运行最大毛水头570.40m 电站运行最小毛水头494.00m
水轮机额定出力306MW 水泵最大入力315.4MW
水泵水轮机安装高程即水泵水轮机导叶中心高程EL.150.0m
额定频率 50Hz（正常频率变化范围：49.5～50.5Hz；短时允许频率变化范围：48.5～51.0Hz）
本次模型验收的主要工作程序是：试验项目检查、试验室检查、讨论验收试验大纲；模型试验台原级标定仪器设备有效期内鉴定证书的检查；用于测试的各传感器的标定；水泵-水轮机效率试验；水泵-水轮机空化试验；水泵-水轮机压力脉动试验；飞逸转速试验；水泵
水轮机全特性试验；导叶水力矩试验；水推力试验；蜗壳压差与尾水管压差试验（Winter-Kennedy试验）；顶盖压力试验；模型通流部件的几何尺寸检查；验收纪要讨论与签字。

2 试验台及模型试验装置简介
宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验是在法国ALSTOM的TP3试验台上进行的。

TP3试验台是一座高水头立式试验台，主要测量设备和仪器仪表均为高精度有效原级率定设备，水轮机轴承为内、外双套轴承，内套为机械轴承，外套为静压油轴承；发电机定子摆动轴承为静压油轴承。

试验台运行范围：
最大出力：在转速100～2400r/min时为360kW
最大试验水头：150m
水轮机运行工况的通常试验水头：10～60m
水泵运行工况通常试验转速：800～1400r/min
最大流量：900l/s
用于试验的宝泉模型机组由蜗壳、固定导叶、活动导叶及调节机构、转轮及轴系、尾水管等主要部件组成，根据模型的流道尺寸按几何比例放大进行真机制造；模型机的蜗壳采用玻璃纤维和树脂结构，尾水直锥管段上部为有机玻璃、下部及尾水肘管为金属焊接结构，转轮叶片为铜材质，活动导叶下环可被气囊顶起以便减小导叶端面间隙，另有8个特制导叶可替换常规导叶用于测量导叶水力矩。

按照要求在模型机组上布置安装了水头（扬程）、转速、压力脉动传感器等测试仪器。

ALSTOM公司的TP3试验台的功能和运行范围满足宝泉抽水蓄能电站水泵水轮机模型试验的要求，测试仪器仪表和数据采集及处理系统满足试验要求，试验效率误差计算方法正确，模型机组的设计加工满足要求。

3 模型试验结果
3.1 水泵工况能量试验
水泵工况能量特性模型试验在恒定试验转速下进行，验收时要求模型试验的雷诺数必须满足IEC60193的规定。

根据初步试验报告，宝泉抽水蓄能电站水泵正常运行范围所对应的导叶开度为γ＝16º～22º，验收时对导叶开度γ＝16º、18°、20º、22º和24º的水泵能量特性曲线进行了重复性检查，共复核了99个工况点，并随机对若干个工况点的计算数据进行了校核，复核结果与初步试验结果基本吻合。

在此基础上确认了水泵的最优工况，对该工况连续采集10次（并将该组数据用于水泵效率试验误差计算），平均效率为91.41%。

根据IEC60193规程和合同规定的效率修正公式，原模型效率修正采用二步法。

对合同规定的575m、560m、545m、530、515和500m扬程，在电站装置空化系数下对相应流量的效率进行了测试，以验证水泵工况加权平均效率。

在电站装置空化系数下进行了最高和最低扬程下的流量、入力、效率的测试。

试验结果见下表：
内 容
单位初步试验结果验收试验结果 保证值水泵加权平均保证效率
水泵模型加权平均效率
% 91.24 91.34 91.30 水泵原型加权平均效率
% 93.37 93.46 93.36 水泵最高保证效率
水泵模型最高效率(m)
% 91.35 91.39 91.40 相应扬程(m)
m 49.01 47.51 58.81 相应流量(m)
m 3/s 0.232 0.247 0.313
水泵原型最高效率 % 93.48 93.52 93.57 相应扬程 m 545 528.6 536.9 相应流量 m 3/s 49.6 52.6 49.7 最小扬程Hpmin m 497.9 497.9 497.9 相应流量 m 3/s 57.96 58.13 55.2 水泵模型效率(m) % 90.91 91.05 90.29 水泵原型效率 % 93.05 93.17 92.35 在频率为50Hz 时包括误差在内的原型水泵最大入力 MW 302.1 303.3 303.4 在电网正常频率变化范围内、包括原模型换算误差在内
的原型水泵最大入力 MW 314.2 315.1 315.4 水泵最大扬程（m ） m 573.9 573.9 573.9 相应流量（m 3/s ） m 3/s 43.7 43.4 40.0 在最大扬程，正常运行最小频率范围内，H/Q 对应的点与驼峰区的开始点之间的裕度（%） % 未满足，提出相关报告
及保证措施 ≥3
原型特性曲线如下：
水泵工况的能量特性验证试验进行了最高效率、加权平均效率试验，保证流量试验，水
泵最大入力试验，结果与初步试验报告中提供的结果相吻合。

水泵工况的最高效率、加权平
均效率、保证流量、水泵最大入力等性能满足合同指标。

对于在最大扬程、正常运行最小频
率范围内，H/Q 对应的点与驼峰区的开始点之间的裕度未达到最大扬程的3%的问题，
ALSTOM 提出了相关报告及保证措施。

3.2 水泵空化试验
水泵空化试验是在恒转速的条件下进行，模型试验雷诺数大于4.0×106。

初步试验报告提供了模型试验转速n M =1200r/min 下的NPSH ～Q 曲线图，该图表明：在
正常水泵运行范围（电网频率49.5～50.5Hz ）内装置空化系数大于初生空化系数。

但由于试
验方无法观察到水泵叶片进口压力面的汽泡，故该图中的大流量区域的初生NPSH i 曲线是按
照临界NPSH c （效率下降1%）的1.4倍选取的。

验收团认为水泵的空化指标是机组的重要性能指标之一，建议试验方抛光转轮叶片表
面，水泵叶片进口压力面的情况。

模型验收试验阶段共选择10BAOQUAN : Acceptance test results transposed to prototype 460470480
490500
510520530540550560
570
580
590600H p r
o t
o (m )max head all units min head 1 unit Test results envelope guaranteed points Baoquan model acceptance test TP3-559Baoquan prototype characteristic : Efficiency versus pump lift
P r
o
t o
t
y
p
e
e f f i
c
i e
n
c
y (%
) Efficiency curve
Guaranteed points
Baoquan model acceptance test TP3-559
验收试验与初步试验结果比较表明：水泵临界空化系数曲线、小流量区域水泵初生空化
系数曲线有较好的重复性，试验结果可信；大流量区域水泵初生空化系数曲线有较大差异，
这是因为两次试验确定初生空化的方法不同。

根据合同与规程要求，验收试验时所采取的方
法更科学和合理，因此应以模型验收试验时所确定的水泵初生空化系数曲线为准。

试验结果表明，电网频率50Hz 时可无汽泡运行。

3.3 水泵零流量试验和水泵异常低扬程试验
3.3.1 水泵零流量试验
初步试验 验收试验 保证值
零流量扬程（m ） 660 660 690 输入功率（MW ） 80 72 <130
在零流量试验过程中同时进行了压力脉动测量。

合同要求：水泵零流量工况下，在活动
导叶出口与转轮进口间（Gap ）的压力脉动幅值小于20%。

水泵零流量工况下，实测导叶开
度0°～2.5°时的压力脉动幅值小于10%，导叶开度4.9°时的压力脉动幅值为18%，满足合同要
求。

3.3.2 水泵异常低扬程试验
电站压力管道被辅助泵充满至732m 高程，设计尾水位260m ，则水泵毛扬程为472m ，取
水泵异常低扬程为470m 。

验收试验时验证了导叶开度γ＝15°的水泵异常低扬程特性；增加了导叶开度γ＝2°、4°、
8°、11°、13º和14º的水泵异常低扬程特试验，同时为了确保水泵异常低扬程运行的稳定性，
还增加了空化观测测试和压力脉动测试。

根据上述试验结果，ALSTOM 推荐上水库初期充水的水泵异常低扬程运行的导叶开度
为13°，最低异常启动扬程为470m ，相应的原型流量约为54m 3/s ，电网频率50Hz 时的入力为
295MW ，满足合同中对水泵正常运行范围内压力脉动幅值的要求，模型试验确认在此条件
下运行不发生有害振动和空化破坏。

3.4 水轮机工况能量试验
在相应电站装置空化系数σp 下以恒定水头H M 、变转速n M 方法进行试验。

在最优工况附近选择三个导叶开度γ=15°、16°和17°进行试验，验收团采用自编程序
对试验数据进行计算核对，确定水轮机模型最优效率在导叶开度16°。

根据IEC60193规程和合同规定的效率修正公式，原模型效率修正采用二步法。

BAOQUAN : Cavitation in pump mode
(Prototype scale : n p = 500 rpm)35,0040,0045,0050,0055,0060,0065,00
Q (m3/s)
N
P S H (m )Preliminary test results : Inception value Preliminary test results : Critical value NPSH 2U at 50Hz
NPSH 2U at 50.5Hz NPSH 2U at 49.5Hz Acceptance test results : Inception value Acceptance test results : Critical value Limit advised by ALSTOM
选择导叶开度γ＝11°、16°和31°进行水轮机效率重复性检查，共抽查了28个工况点，
确认数据计算无误，验收试验的效率值略高于初步试验，重复性在误差范围之内，初步试验
结果可信。

水轮机效率与保证值比较：
初步试验结果 验收试验结果 保证值
模型加权平均效率(%) 89.55 89.56 89.27 原型加权平均效率(%) 91.78 91.78 91.67
模型最优效率(%) 91.35 91.45 90.80 在运行范围内 原型最优效率(%) 93.58 93.68 93.20
模型水轮机效率(%) 88.57 88.68 86.72 Hr ＝510m
P r ＝306MW 原型水轮机效率(%) 90.80 90.90 89.12
原型水头(m) 567.1 567.1 566.0
原型流量(m 3/s) 59.06 59.06 61.5
原型水轮机效率(%) 93.42 93.42 92.66
原型水头(m) 487.4 487.4 500.8
原型流量(m 3/s) 65.48 65.48 67.9
最小净水头 原型水轮机效率(%) 90.81 90.81 89.17
总之，水轮机工况各项能量试验结果与初步试验结果有较好的重复性，效率指标均满足
合同保证值要求，模型试验结果可作为原型性能换算的基础。

3.5 水轮机空化试验
试验在定水头、模型试验雷诺数大于4.0×106条件下进行。

临界空化系数按效率下降0.2%处的空化系数，即σ0.2确定，初生空化系数σi 按两个叶片
表面开始出现可见汽泡时所对应的空化系数确定。

选择3个水头下的7个工况进行了试验，其中3个工况点在50%负荷区、1个为额定工况点、
另3个为超出力工况点。

对每一空化试验工况σp 、σi 及σ0.2时水轮机转轮出口流态进行了拍照
和摄像。

试验结果显示，电站装置空化系数下未观察到汽泡，初生和临界空化系数与电站装置空
化系数之间有较大余量。

满足要求。

3.6 水轮机飞逸转速特性试验
项 目 初步试验值 验收试验值 合同保证值
Hmax （m ） 570.35 570.35 570.35 Γ（º） 34 34 n 11 Rmax （r/min ） 53.87 53.67 n Rmax （r/min ） 670 668 ≤723
验收试验结果与初步试验结果有较好的重复性，原型最高飞逸转速满足合同保证值。

92%
92%91.50%
91%90%89%
88%
88%87%87%
85%85%83%83%
80%
75%70%60%50%
9.05deg 11.17mm 11.02deg 13.69mm
13deg 16.2mm
15.11deg 18.86mm 16.03deg 20.01mm
17.01deg 21.24mm
19deg 23.68mm
20.98deg
26.09mm 24.01deg
29.66mm
26.98deg 33.05mm
31.01deg 37.43mm
34.03deg
40.57mm
200
250300
350400450500
5506006507007508008509009501000
n11 (rpm)
Q 11
(
l /
s
)
3.7 压力脉动试验
水泵－水轮机的压力脉动试验，宝泉模型机组在以下部位安装了6个压力脉动传感器：
蜗壳进口测压断面、固定导叶上环、转轮上顶盖、活动导叶出口与转轮进口间下端面和尾水
管锥管段下游侧及左侧，传感器为Entran－EPX系列和DRUCK－PDCR900系列的压力传感
器。

试验前采用DRUCK DPI605标准压力计标定对压力脉动传感器进行了静态标定。

采样频率1.1kHz/通道，采样周期10s，数据处理采用97%的置信区域。

压力脉动试验结
果比较如下：
分类内容单位初步试验结果验收试验结果保证值
尾水管管壁的水压脉动值
（ΔH/H，ΔH为混频、峰－峰双振幅）
1.1 <2
水轮机最优工况 %
(1)
<5
水轮机部分负荷 %
4.5 3.6
<2
1.1
水泵工况 %
1.8
导叶和转轮之间压力脉动值
（ΔH/H，ΔH为混频、峰－峰双振幅）
5.3
<8
5
水泵工况 %
(2)
<8
5 6.2
水轮机额定工况 %
<12
9 9
水轮机部分负荷 %
水泵工况零流量 % 18（γ＝0°～5°） <20 上表数据显示，模型验收试验结果与初步试验结果吻合，水泵、水轮机压力脉动性能指
标全部满足合同要求，水泵异常低扬程运行时的压力脉动幅值也满足合同要求。

3.8 四象限试验
可逆式水泵-水轮机的正常运行工况为水泵工况和水轮机工况，上述工况只是其全特性
中较小的一部分，而在过渡过程计算中还会遇到水泵制动工况、水轮机制动工况和反水泵工
况等各种工况。

因此，全特性试验结果的正确与否关系到各种过渡过程计算的准确性，与机
组的正常启动、工况转换以及在事故状态下机组运转和引水系统的稳定性有着密切的关系。

四象限验收试验验证了初步试验结果的正确性。

水轮机空载工况附近区域出现轻微“S”形，
ALSTOM根据模型试验数据进行了仿真计算，认为水轮机空载启动不存在问题，为解决可
能出现的问题提出了活动导叶非同步预开启的备用方案。

3.9 其他试验
导叶水力矩试验、Winter－Kennedy试验、水推力试验、顶盖压力试验等均进行了验证，
其试验结果可以作为原型机设计的参考。

3.10 泵水轮机模型几何尺寸检查
模型验收试验后，对模型试验的测压断面尺寸、蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾
水管的主要尺寸以及固定导叶、活动导叶、转轮叶片的型线进行了检验。

所有尺寸与设计值
比较都小于IEC60193所规定的偏差范围。

4 结论
试验、
（1
（2
（3
（4。