泗阳站水泵机组反转发电特性模型试验及应用研究

泗阳站水泵机组反转发电特性模型试验及应用研究

季伟伟

（江苏省骆运水利工程管理处江苏宿迁223800）

摘要：南水北调东线泗阳站为了充分利用下泄的水资源对泵站机组反转发电的可行性进行了应用研究，通过对泵站机组进行发电特性模型试验，内容包括发电能量特性试验、流道流态试验、压力脉动试验等，分析模型试验不同叶片角的发电特性成果，合理选定了泗阳泵站机组反转发电方案，发挥了较好的社会效益和经济效益。

关键词：水泵装置；水能利用；反向发电；模型试验

引言

随着江苏大型泵站的大量兴建与改造,对泵站机组的可逆特性进行了进一步的研究,通过利用下泄的水资源进行反向发电,不但成本极低,而且没有污染,也可以提供一部分急需电能,南水北调东线一期工程泗阳站就是其中之一，为论证泗阳泵站机组反转发电的可行性，对泵机组进行了发电特性模型试验及应用研究。

1工程概况

南水北调东线一期工程泗阳站，位于江苏省泗阳县县城东南的中运河输水线上，泵站设计净扬程6.3m，设计选定叶轮直径=3.1m的立式轴流泵6台套（含1台备机），转速125r/min，单机流量33.4m3/s，总流量200m3/s，配3000kW/10kV同步电机，总装机容量18000kW。当骆马湖经中运河泄水时，泵站机组可以利用上游的过境水发电，据统计，泗阳站发电时正常运行水头3.5m～4.0m，倒泄发电流量120m3/s左右。

2发电试验

2.1发电试验装置

泗阳泵站发电模型试验装置即提水模型泵装置，模型泵为动力特性模型试验所用TJ20号水力模型，TJ20模型叶片数=4，导叶叶片数=7，轮毂比=0.468。泵装置的进水为肘型进水流道，出水为虹吸出水流道。泵站试验台动力机为40kW他激式直流电机。发电试验时，电机励磁接头外接220V励磁电源，电枢接头外接负载（可耗电12kW的电阻丝组），连同水泵即形成水轮水力发电机组；发电工况调节通过负载切入、切换实现。在水泵机组反转发电试验中，试验台潜水辅助泵开动，对水泵机组形成倒冲反转发电，其发电工况水头、流量、转速、轴功率等测定通过传感器和接口组接于可编程控制器（PLC）及两套微机系统，实现数据实时采样、自动处理、显示和打印。

2.2试验量测和记录

1）流量Q：由转换器IMT-25直读，同时通过专用微机显示、记录。

2）水头H：发电试验水头测试中，分别于进口水箱和出口水箱壁设测压点，经稳压后接差压变送器。水头H等于进、出口水箱的总能头差，差压传感器mH2O读数即装置水头H(m)。

3）轴功率P、转速n：泵轴扭矩T（N?m）、转速n（r/min）及轴功率P（kW）由JN338型测功扭矩仪二次仪表直读；另通过专用微机系统显示、记录。

4）模型装置效率：模型泵装置效率按下式计算：式中：P为水体密度（kg/m3）;g为重力加速度（m/s2）;Q为模型流量（m3/s）；H为模型装置水头（m）；T为模型输出轴扭矩（Nm）；T0为空载扭矩（Nm），由轴承与轴封摩擦阻力造成，不带叶轮泵工况空转测得。

2.3发电特性试验结果

发电特性完成3个叶片角(0°、±2°)模型试验，通过模型试验，提供不同叶片角的发电特性成果，包括：；提供不同叶片角水头与最优转速关系曲线及。

1）模型试验结果0°、±2°3个叶片角发电模型试验数据见表1

2）原型特性计算由模型试验数据，可得发电装置“单位转速”、“单位流量”,再由原型直径Dn和转速nn计算相应工况点原型水头Hn、原型流量qn。

原型效率按照IEC60193(水轮机、蓄能泵及水泵模型验收试验国际规程)标准换算。

式中为最优工况点模型周向速度雷诺数；为任意工况点模型周向速度雷诺数；为最优工况点模型水力效率，近似取总效率。

3）叶片角为0°时不同转速发电特性图1为0°叶片角保持泵转速=125r/min不变的发电特性曲线图。图2为0°叶片角降速（取=90r/min）的发电特性曲线图。图中：为原型效率，表示效率未作换算。

图10°、125r/min发电特性曲线图20°、90r/min发电特性曲线

4）叶片角为0°时不同水头发电特性为方便应用，绘制了叶片角0°时，3.0m、4.0m及5.0m各特定水头条件下发电特性曲线，分别为：图3、图4和图5所示。

图30°水头3m发电特性图图40°水头4m发电特性图图50°水头5m发电特性

2.4发电试验误差分析

发电试验测试精度取决于水头、流量、转速和轴功率测定精度几项：

1）水头测定精度JC-E110A-EMS4A-92DA差压变送器不确定度小于±0.1%。微机系统参数取样在发电工况充分稳定后进行。取变送器系统检定准确度作为系统误差，则水头测定误差为：=±0.1%

2）流量测定精度LDG-500电磁流量计检定不确定度＝±0.24%，取检定不确定度作为流量测定相对误差，＝±0.24%

3）转速测定精度取转速测定精度为JN338-200A扭矩传感器二次仪表转矩不确定度，即±0.1%

4）扭矩轴功率测定精度JN338-200A扭矩传感器扭矩仪检定不确定度±0.1%，则扭矩和轴功率相对误差：

5）发电装置效率测试随机误差及总误差发电装置效率测试系统误差系上述水头、流量、功率误差合成。取，由此可得效率综合系统误差：

泵站试验台试验测试中，各参数波动极小，0.95置信频率随机效率极限相对误差小于±0.1%，因此，本次试验装置效率总相对误差控制在以下范围：

3飞逸特性试验

在发电试验过程中切除全部负载并切断励磁电源时水泵转速即飞逸转速。以叶片角-2°为例，根据试验结果计算原型飞逸转速。当叶片角-2°=1.55m时飞逸转速=948.3r/min；=2.38m时飞逸转速=1164r/min。因模型试验中水封、轴承存在摩擦转矩，实际飞逸转速要稍大于上述计算值。根据试验结果按比例推算，无摩擦转矩约增加20r/min，两种工况单位飞逸转速：

取n=n1=233.33,原型水头以泵工况最高扬程Hn=6.8m计,则飞逸转速为:

约为提水额定转速125r/min的1.58倍。

4水力脉动试验

在发电试验装置尾水管侧壁装设一只高动态响应的压力传感器，采用美国NI公司的数据采集卡并配LabVIEW分析软件采样、分析水力发电工况下的水力脉动特性，分别采集了叶片角度为0°时共3个不同流量工况点的水力脉动数据，如图6-a、图6-b、图6-c所示。

图6-aQ=212L/s图6-bQ=220L/s图6-cQ=229L/s

图60°叶片角度3个不同流量工况点的水力脉动数据

5流道的流态试验

1）试验系统与量测设备试验系统包括进水压力箱、出水压力箱、管路系统、调节阀、电磁流量计、管道泵、模型进水流道、模型出水流道组成。量测设备包括电磁流量计、压差（压力）传感器及二次显示仪表直读。

2）进、出流道流态观测在发电工况下，从进、出水流道壁及喇叭口、导水锥所粘挂示踪物（红丝线）试验结果表明，进、出水流道内流线总体平顺，无危害性旋涡产生。

3）进、出水流道发电工况水力损失测试本次试验测试并绘出了发电工况的9个不同流量点的进、出水流道水力损失曲线（如图7），按照公式计算各点模型进、出水流道阻力系数平均值为：Sd=27.3m-5.s2，Ss=97.1m-5.s2；算至原型为：Sd=1.54×10-4m-5.s2，Ss=5.46×10-4m-5.s2。

图7进出水流道水力损失曲线（发电工况）

6模型试验结论

该泵站利用所选水力模型TJ20及所选虹吸出水流道配肘型进水流道条件发电是完全可行的，发电时进水流道作尾水管压力脉动较小，出水流道流态平顺，满足安全运行要求。泵站选用TJ20水力模型及流道型式，正常提水效率高,泵机组反转发电效率也高，叶片角为0°时最高发电模型效率高于80%。又因泵站发电水头仅为正常提水扬程一半左右，为高效率发电，电机须变速，采用90r/min以下转速，即采用变频调速作变速优化运行，根据不同叶片角发电试验结果，对照泵站可用发电水头，实际发电采用叶片角为0°或负角度运行为宜。

7发电应用及效益

经过试验分析泗阳站采用变频机组发电方式，全站仅增加了一套变频机组及其附属设备，变频发电机型号TF3550-12，功率3550KW,电压10500V，电流244A，频率50HZ，变频电动机型号TF3800-6，功率3800KW，电压5000V，电流502A，频率25HZ。同步电机发电工况时，单机功率700KW,电压5000V，频率25HZ,转速62.5r/min，当主机组发电时经变频机组并网。由于抽水和发电分开，便于运行管理，对水泵和电动机结构以及主泵房的设备布置都无影响。该工程2012年7月22日组织了发电工况单机预试运行工作；7月24日进行了机组发电工况预试运行测流工作，并逐台进行了发电工况预试，6台套机组发电并网顺利，各项运行参数正常，进出水流道工况稳定，主机运行平稳，2012年8月2日通过发电试运行验收；到2013年底累计发电运行122天，累计发电量315万kWh，较好地发挥了水力发电的社会效益和经济效益。

参考文献

[1]SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》中国水利水电出版社2007

[2]莫岳平于志忠黄海田龚维明魏强林《轴流泵反向发电能量性能模型试验研究》《排灌机械》1999（1）

[3]GBT18149-2000《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范》2000

[4]GB20043-2005《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》2005