水輪機(jī)性能預(yù)測及運(yùn)行優(yōu)化分析

譚政武

(中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400)

對水電站而言，水輪機(jī)的選型合理與否不僅關(guān)系到電站建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性，對電站未來的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也有著重要影響。水輪機(jī)的型式是否與電站建成后的實(shí)際情況相吻合，最關(guān)鍵的兩個(gè)因素是:當(dāng)?shù)厮臈l件是否與水輪機(jī)參數(shù)相符合;水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確。我國現(xiàn)有的老水電站及中小型水電站，一方面由于年代久遠(yuǎn)，水文條件特別是上下游水位及徑流量發(fā)生了變化;另一方面當(dāng)時(shí)水輪機(jī)選型多采用型譜法或套用法，或多或少都存在著過于粗劣、型譜有限等缺點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際制造的水輪機(jī)與設(shè)計(jì)要求有一定的出入。

這兩種因素都會導(dǎo)致設(shè)計(jì)工況下水輪機(jī)效率下降，甚至可能誘發(fā)水輪機(jī)的異常震動(dòng)，造成水輪機(jī)零部件的磨損、破壞。采用CFD方法，仿真水輪機(jī)內(nèi)部流場，獲取轉(zhuǎn)輪進(jìn)口面環(huán)量和蝸殼進(jìn)口面與尾水管出口面能量差等參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測水輪機(jī)效率和空化性能，為水輪機(jī)工況優(yōu)化提供了實(shí)用的新方法，另外對電站技術(shù)改造也具有重要的借鑒意義。

1 能量性能預(yù)估模型

水輪機(jī)的有效水頭可用轉(zhuǎn)輪進(jìn)口面的環(huán)量計(jì)算得到:

其中，Vu為轉(zhuǎn)亂進(jìn)口面絕對速度的周向分量;U為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口面的圓周速度;n為轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù);g為重力加速度。

工作水頭可以通過計(jì)算蝸殼進(jìn)口面和尾水管出口面的能量差得到:

其中，p為水輪機(jī)進(jìn)出口面的靜壓力值;ρ為流體密度;Z為網(wǎng)格點(diǎn)的高程;V為此面上的絕對速度;n為此面上的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)。

水力效率的計(jì)算公式:

2 空化性能預(yù)估模型

水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉柵的翼型剖面上壓強(qiáng)是在變化的，在速度最高處，其壓強(qiáng)最低。水輪機(jī)葉片壓強(qiáng)最低處一般在葉片吸力面出口邊往里一點(diǎn)K處，若K點(diǎn)壓強(qiáng)等于或小于空化壓強(qiáng)時(shí)，則在葉片表面產(chǎn)生空化。

葉輪上壓強(qiáng)最低點(diǎn)K處的真空度為:

其中，HSK為靜態(tài)真空，hVA為動(dòng)力真空。

水輪機(jī)空化特性通常用空化系數(shù)σ的大小來評價(jià)。σ是水輪機(jī)的一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，是一個(gè)無因次量，在物理意義上它表示了水輪機(jī)工作輪中的相對動(dòng)力真空值。

根據(jù)能量方程可以得出

由此可以推導(dǎo)出

其中，ps為尾水管出口處壓強(qiáng);Vs為尾水管出口處的速度;Hs為尾水管高程;pK為K點(diǎn)的壓強(qiáng);HK為K點(diǎn)的高程;Hr為工作水頭。

3 工程實(shí)例分析

某水電站是上世紀(jì)80年代建造，采用的是2臺低比轉(zhuǎn)速HL160型混流式水輪機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)水頭65 m，設(shè)計(jì)流量3.81 m3/s，依據(jù)水泵特性曲線，設(shè)計(jì)工況下的水輪機(jī)效率為91.2%，實(shí)測效率僅為89.1%，兩者之間有一定的偏差。由于上游徑流量變化，目前水頭僅為63.2 m，工作條件也發(fā)生了變化，另外，當(dāng)?shù)赜秒娏吭黾?，電廠面臨增容改造壓力。為此，以電廠實(shí)測真機(jī)水輪，構(gòu)建水輪機(jī)全流道模型，模擬增加流量后的水輪機(jī)效率，并檢驗(yàn)增容改造的可行性。設(shè)定模擬如下9個(gè)工況進(jìn)行比較分析，見表1。

表1 模擬工況點(diǎn)

對表1所示工況進(jìn)行CFD仿真，結(jié)果見圖1?？傮w來看，各工況下，從蝸殼出口到蝸殼進(jìn)口，速度矢量沿徑向均勻增大，過渡平穩(wěn)，基本沒有較明顯的突變，而且速度分布在圓周方向具有較好的對稱性，僅在與固定導(dǎo)葉入口相鄰的蝸殼出口處，存在較小的撞擊脫流。蝸殼內(nèi)部流動(dòng)的速度分布比較均勻，流動(dòng)狀況比較理想，蝸殼水力性能優(yōu)良。

圖1 各工況蝸殼速度矢量圖

導(dǎo)葉開度為20 mm(如圖1中的a、b、c)時(shí)，各導(dǎo)葉區(qū)間內(nèi)速度分布從固定導(dǎo)葉進(jìn)口到活動(dòng)導(dǎo)葉出口基本均勻增大，僅在固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉頭部有較小的正撞擊，但沒有在負(fù)壓面引起脫流，而且速度分布在圓周方向的對稱性也比較好。新流量下，各導(dǎo)葉區(qū)間內(nèi)速度矢量分布從固定導(dǎo)葉進(jìn)口到活動(dòng)導(dǎo)葉出口均勻增大，流線順暢，導(dǎo)葉進(jìn)出口基本沒有明顯脫流、漩渦發(fā)生，進(jìn)口沖角接近零，為無撞擊進(jìn)口。

導(dǎo)葉開度較大時(shí)(如圖1中的e、f、g)，活動(dòng)導(dǎo)葉的頭部產(chǎn)生了高壓區(qū)，部分活動(dòng)導(dǎo)葉的正面出現(xiàn)了脫流，產(chǎn)生了低壓區(qū)。隨著導(dǎo)葉開度的增大，活動(dòng)導(dǎo)葉的水流駐點(diǎn)慢慢偏移至導(dǎo)葉背面，同時(shí)在活動(dòng)導(dǎo)葉正面出現(xiàn)了脫流，并在正面產(chǎn)生低壓區(qū)。這時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉出口周向速度呈較大增加趨勢，將會引起較大的水力損失。

4 水輪機(jī)性能預(yù)估結(jié)果

根據(jù)水輪機(jī)的CFD計(jì)算結(jié)果，按照式(1)～式(6)進(jìn)行水輪機(jī)的性能預(yù)估。圖2代表設(shè)計(jì)流量下CFD預(yù)估的效率曲線與電站實(shí)際運(yùn)行測試的水輪機(jī)效率曲線之比。

由圖2可見，在工況4時(shí)，水輪機(jī)的效率最高，其預(yù)測值為91.76%，實(shí)際運(yùn)行測試值為90.98%，兩者誤差僅為0.9%，顯然通過CFD仿真模擬所得的預(yù)測結(jié)果是可信且可靠的的。對于設(shè)計(jì)流量而言，導(dǎo)葉開度較大或較小時(shí)由于偏移了最佳工況區(qū)域，所以效率較低，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該避免在此區(qū)域運(yùn)行。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，水輪機(jī)出力為2 835 kW，能滿足發(fā)電設(shè)計(jì)的要求(2 500 kW)。

圖2 實(shí)測效率與預(yù)估效率之比

水輪機(jī)空化系數(shù)是表征水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空化性能的重要參數(shù)，它與轉(zhuǎn)輪翼型和水輪機(jī)的工況有關(guān)，還與尾水管的性能有關(guān)。設(shè)計(jì)和選用水輪機(jī)時(shí)，在保證良好的能量特性情況下應(yīng)使水輪機(jī)的空化系數(shù)值盡可能小。根據(jù)轉(zhuǎn)輪流場計(jì)算結(jié)果，在葉片上壓力最低處取一條流線，可計(jì)算出水輪機(jī)空化系數(shù)。設(shè)計(jì)流量下，工況2、4、6、8時(shí)水輪機(jī)空化系數(shù)分別為0.09，0.024，0.066，0.118。顯然，隨著導(dǎo)葉開度的增加，空化系數(shù)也隨之增加。這是因?yàn)殡S著導(dǎo)葉開度增加以后，葉片正背面壓力差增加，使葉片背面的壓力降低的緣故。因此，用穩(wěn)定流場的數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得到空化系數(shù)隨工況變化的變化趨勢。

上述關(guān)于設(shè)計(jì)流量下的水輪機(jī)效率和空化系數(shù)的分析，充分證明了水輪機(jī)性能預(yù)測的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)對新設(shè)計(jì)流量下，即流量為4.19 m3/s時(shí)水輪機(jī)CFD模擬結(jié)果進(jìn)行效率預(yù)測和空化系數(shù)計(jì)算，結(jié)果見表2。顯然新設(shè)計(jì)流量下，水輪機(jī)的最高效率比設(shè)計(jì)工況有所降低，但降幅不大，完全可以滿足發(fā)電需要。由此表明，新設(shè)計(jì)方案是可行的。

表2 新設(shè)計(jì)流量下水輪機(jī)性能估計(jì)

5 結(jié)論

1)通過CFD的水輪機(jī)全流道仿真模擬，預(yù)測水輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的效率，并將其與電站相同工況下實(shí)測效率作比較，證明了CFD技術(shù)的可靠性，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測了水輪機(jī)空化特性:空化系數(shù)隨著導(dǎo)葉開度的增加而增加。

2)利用CFD技術(shù)，進(jìn)行新設(shè)計(jì)工況的模擬仿真，得到新工況下的水輪機(jī)效率及空化系數(shù)，為電站運(yùn)行優(yōu)化提供了具有實(shí)用價(jià)值的參考意見。同時(shí)，該方法的應(yīng)用對水電站技術(shù)改造提供了新的思路。

[1] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[2] 楊建明.水輪機(jī)尾水管和轉(zhuǎn)輪中湍流計(jì)算研究[D].北京:清華大學(xué)博士生論文，1999.

[3] 倪浩清，沈永明.工程中湍流流動(dòng)、傳熱及傳質(zhì)的數(shù)值模擬[M].北京:中國水利水電出版社，1996.

[4] 崔寶玲，朱祖超，林勇剛，等.螺距誘導(dǎo)輪內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010(06):158-163.

[5] 侯樹強(qiáng)，王燦星，林建忠.葉輪機(jī)械內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究綜述[J]. 流體機(jī)械，2005，33(05):30-35.