南水北調(diào)泗陽站水泵裝置發(fā)電特性模型試驗(yàn)及應(yīng)用

丁淮波 潘衛(wèi)鋒 孫 宇

南水北調(diào)泗陽站水泵裝置發(fā)電特性模型試驗(yàn)及應(yīng)用

丁淮波1,2潘衛(wèi)鋒1,2孫 宇1,2

一、工程概況

泗陽泵站是南水北調(diào)東線梯級(jí)泵站之一，泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程6.3m，設(shè)計(jì)選定葉輪直徑D=3.1m的立式軸流泵6臺(tái)套（1臺(tái)備用），轉(zhuǎn)速125r/min，單泵流量33.4m3/s，總流量200m3/s。

當(dāng)駱馬湖泄水時(shí)，泗陽泵站可以利用上游的來水發(fā)電。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，泗陽站發(fā)電時(shí)正常運(yùn)行水頭3.5～4.0m，倒泄發(fā)電流量120m3/s左右。

二、發(fā)電試驗(yàn)

1.發(fā)電試驗(yàn)裝置

泗陽泵站發(fā)電模型試驗(yàn)裝置即提水模型泵裝置，模型泵為動(dòng)力特性模型試驗(yàn)所用TJ20號(hào)水力模型。TJ20模型葉片數(shù)Z=4，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zh=7，輪轂比α=0.468。泵裝置進(jìn)水為肘型進(jìn)水流道，出水為虹吸出水流道。

泵站試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力機(jī)為40kW他激式直流電機(jī)。發(fā)電試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁接頭外接220V勵(lì)磁電源，電樞接頭外接負(fù)載（可耗電12kW的電阻絲組），連同水泵即形成水輪水力發(fā)電機(jī)組。發(fā)電工況調(diào)節(jié)通過負(fù)載切入、切換實(shí)現(xiàn)。

2.試驗(yàn)量測(cè)和記錄

（1）流量Q：流量由轉(zhuǎn)換器IMT-25直讀，同時(shí)通過專用微機(jī)顯示、記錄。

（2）水頭H：發(fā)電試驗(yàn)水頭測(cè)試中，分別于進(jìn)口水箱和出口水箱壁設(shè)測(cè)壓點(diǎn)，經(jīng)穩(wěn)壓后接差壓變送器。水頭H等于進(jìn)、出口水箱的總能頭差，差壓傳感器mH2O讀數(shù)即裝置水頭：（m）。

（3）軸功率P、轉(zhuǎn)速n：泵軸扭矩T （N·m）、轉(zhuǎn)速n（r/min）及軸功率P（kW）由JN338型測(cè)功扭矩儀二次儀表直讀；另通過專用微機(jī)系統(tǒng)顯示、記錄。

（4）模型裝置效率：模型泵裝置效率按下式計(jì)算：

式中：ρ為水體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；Q為模型流量（m3/s）；H為模型裝置水頭（m）；T為模型輸出軸扭矩（Nm）；T0為空載扭矩（Nm），由軸承與軸封摩擦阻力造成，不帶葉輪泵工況空轉(zhuǎn)測(cè)得。

3.發(fā)電特性試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)電特性完成5個(gè)葉片角（0°、±2°、±4°）模型試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)，提供不同葉片角的發(fā)電特性成果，包括：n=n（H）、Q=Q（H）、η=η（H）、P=P （H）；提供不同葉片角水頭與最優(yōu)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線nopt=n（H）及P=P（nopt，H）。

（1）模型試驗(yàn)結(jié)果（列舉0°葉片角為例）：表1為0°葉片角發(fā)電模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 TJ20號(hào)模型0°裝置數(shù)據(jù)表

（2）不同葉片角模型綜合特性：分別做了0°、±2°、±4°葉片角綜合特性曲線（圖略），ηm為模型效率，N0、Q0分別為“單位轉(zhuǎn)速”和“單位流量”。

式中：nm、Qm分別為試驗(yàn)實(shí)測(cè)模型轉(zhuǎn)速（r/min）和模型流量(m3/s)。

（3）原型特性計(jì)算：由模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得發(fā)電裝置“單位轉(zhuǎn)速”、“單位流量”，再由原型直徑Dn和轉(zhuǎn)速nn計(jì)算相應(yīng)工況點(diǎn)原型水頭Hn、原型流量Qn。

原型效率ηn按照IEC60 193（水輪機(jī)、蓄能泵及水泵模型驗(yàn)收試驗(yàn)國(guó)際規(guī)程）標(biāo)準(zhǔn)換算。

式中：Reoptm為最優(yōu)工況點(diǎn)模型周向速度雷諾數(shù)；Rem為任意工況點(diǎn)模型周向速度雷諾數(shù)；ηhoptm為最優(yōu)工況點(diǎn)模型水力效率，近似取總效率。

（4）不同葉片角不同轉(zhuǎn)速發(fā)電特性:分別做了額定轉(zhuǎn)速（n=125r/min）及降速（n=90r/min）發(fā)電特性曲線。ηn為原型效率，ηn=ηm表示效率未作換算。

（5）不同葉片角水頭與最優(yōu)轉(zhuǎn)速：根據(jù)5個(gè)葉片角發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果，并繪制0°、±2°、±4°水頭與最優(yōu)轉(zhuǎn)速及發(fā)電量關(guān)系曲線。對(duì)照泗陽站可用發(fā)電水

頭，實(shí)際發(fā)電宜采用葉片角0°或負(fù)角度。

（6）不同葉片角不同水頭發(fā)電特性，為方便應(yīng)用，繪制出0°葉片角3.0m、4.0m、5.0m特定水頭條件發(fā)電特性曲線。

三、飛逸特性試驗(yàn)

發(fā)電試驗(yàn)過程中切除全部負(fù)載并切斷勵(lì)磁電源時(shí)水泵轉(zhuǎn)速即飛逸轉(zhuǎn)速。

以葉片角-2°為例，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算原型飛逸轉(zhuǎn)速。

葉片角-2°、H=1.55m時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速n1m=948.3r/min；H=2.38m時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速n1m=1164r/min。因模型試驗(yàn)中水封、軸承存在摩擦轉(zhuǎn)矩，實(shí)際飛逸轉(zhuǎn)速要稍大于上述計(jì)算值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果按比例推算，無摩擦轉(zhuǎn)矩n1m約增加20 r/min，工況單位飛逸轉(zhuǎn)速：

取n'=n1'=233.33,原型水頭以泵工況最高揚(yáng)程Hn=6.8m計(jì)，則飛逸轉(zhuǎn)速為:

約為提水額定轉(zhuǎn)速n=125r/min 的1.58倍。

四、發(fā)電水力脈動(dòng)試驗(yàn)

在發(fā)電試驗(yàn)裝置尾水管側(cè)壁裝設(shè)一只高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的壓力傳感器。用美國(guó)NI公司的數(shù)據(jù)采集卡并配LabVIEW分析軟件采樣、分析水力發(fā)電工況下的水力脈動(dòng)特性。分別采集了0°葉片角度共3個(gè)不同流量工況點(diǎn)的水力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1、2、3所示。

圖1 葉片角度0°Q=212L/s

圖2 葉片角度0°Q=220L/s

圖3 葉片角度0°Q=229L/s

五、流道流態(tài)試驗(yàn)

1.進(jìn)、出流道流態(tài)觀測(cè)

為觀察發(fā)電工況流道內(nèi)的流態(tài)，分別在進(jìn)、出水流道壁及喇叭口、導(dǎo)水錐粘掛示蹤物（紅絲線）。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)、出水流道內(nèi)流線總體平順，無危害性旋渦產(chǎn)生。

2.進(jìn)、出水流道發(fā)電工況水力損失測(cè)試

測(cè)試了發(fā)電工況9個(gè)不同流量點(diǎn)的進(jìn)、出水流道水力損失（圖4）。按照S=Δh/Q2公式計(jì)算各點(diǎn)模型進(jìn)、出水流道阻力系數(shù)平均值為：Sd=27.3 m-5.s2，Ss=97.1m-5.s2；算至原型為：Sd=1.54× 10-4m-5.s2，Ss=5.46×10-4m-5.s2。

圖4 進(jìn)出水流道水力損失曲線（發(fā)電工況）

六、結(jié)論及建議

泗陽站泵站利用所選水力模型TJ20及所選虹吸出水流道配肘型進(jìn)水流道條件發(fā)電是完全可行的。發(fā)電時(shí)出水流道流態(tài)平順；進(jìn)水流道作尾水管壓力脈動(dòng)較小，滿足安全運(yùn)行要求。

泗陽站泵站選用TJ20水力模型及流道型式，正常提水效率高，泵機(jī)組反轉(zhuǎn)發(fā)電效率也高。葉片角0°最高發(fā)電模型效率高于80%。

鑒于泗陽泵站發(fā)電水頭僅為正常提水揚(yáng)程一半左右，為高效率發(fā)電，電機(jī)須變速，采用90r/min以下轉(zhuǎn)速。

基于上述理由，泗陽站泵站發(fā)電宜采用葉片角0°或負(fù)角度運(yùn)行。如采用變頻調(diào)速作變速優(yōu)化運(yùn)行，葉片角0°葉片角度的水頭與最優(yōu)轉(zhuǎn)速曲線可作參考。

七、應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過比選，采用變頻機(jī)組發(fā)電方式，全站增加了一套變頻機(jī)組及其附屬設(shè)備，對(duì)水泵和電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和主泵房的設(shè)備布置都無影響。抽水和發(fā)電分開，運(yùn)行管理也比較方便。主機(jī)組發(fā)電經(jīng)變頻機(jī)組并網(wǎng)，其中變頻發(fā)電機(jī)型號(hào)TF3550-12， 功 率 3550 kW， 電 壓10500V，電流244A，頻率50Hz。變頻電動(dòng)機(jī)型號(hào)TF3800-6，功率3800kW，電壓5000V，電流502A，頻率25 Hz。同步電機(jī)發(fā)電工況時(shí)，單機(jī)功率700kW,電壓5000V，頻率25 Hz，轉(zhuǎn)速62.5r/min。

泗陽站工程于2012年7月22日組織了發(fā)電工況單機(jī)預(yù)試運(yùn)行工作；7月24日進(jìn)行了機(jī)組發(fā)電工況預(yù)試運(yùn)行測(cè)流工作，并逐臺(tái)進(jìn)行發(fā)電工況預(yù)試，6臺(tái)套機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)順利，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，進(jìn)出水流道工況穩(wěn)定，主機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，2012年8 月2日通過發(fā)電試運(yùn)行驗(yàn)收。截至2014年4月發(fā)電運(yùn)行138天，累計(jì)發(fā)電量420萬kWh，較好地發(fā)揮了水力發(fā)電效益■

（作者單位：1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處 223800 2.江蘇省南水北調(diào)泗陽站工程建設(shè)處 223700）

（專欄編輯：張 婷）