中小型水電站水輪機技術(shù)改造探討

朱長宏

(松原市哈達山水利樞紐工程管理局,吉林松原 138000)

中小型水電站水輪機技術(shù)改造探討

朱長宏

(松原市哈達山水利樞紐工程管理局,吉林松原 138000)

我國有相當一部分軸流式水力機組空蝕破壞嚴重、運行穩(wěn)定性差、綜合性能指標較低,亟待改造,在不改變水工建筑物和流道的限制條件下,提高低水頭水能資源的利用效率以及提高水輪發(fā)電機組運行的可靠性具有非常重要的意義。

水電站 水輪機 改造 關(guān)鍵問題

1 我國中小型水電站水輪機現(xiàn)狀

1.1 運行效率低

水輪機的運行效率是水輪機性能的重要指標,關(guān)系到水能資源的利用程度。我國有一大批軸流式機組水輪機轉(zhuǎn)輪系國內(nèi)50、60年代產(chǎn)品,由于投產(chǎn)時間較長,機組效率出現(xiàn)明顯下降,加上本身效率較低,與現(xiàn)在國內(nèi)外先進轉(zhuǎn)輪的效率相比,差距較大,造成了可利用水力資源的巨大浪費。

1.2 運行穩(wěn)定性較差

隨著比轉(zhuǎn)速和單機容量的增大,水輪機結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,機組尺寸增大,導(dǎo)葉相對高度增高,相對剛度減弱,加上老電站水輪機設(shè)計參數(shù)和實際運行參數(shù)的不匹配,導(dǎo)致機組運行工況有時欠佳,致使機組運行中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象越來越多,甚至波及到電站的建筑物,由此引發(fā)的問題也日益突出。

1.3 葉片裂紋

水輪機轉(zhuǎn)輪中的裂紋現(xiàn)象,在世界各地普遍存在。軸流式水輪機的葉片屬懸臂結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)輪剛度較差,運行中葉片受力條件不好,葉片根部更容易發(fā)生裂紋破壞。轉(zhuǎn)輪裂紋嚴重影響電站的安全運行和經(jīng)濟效益,引起人們的極大關(guān)注,各水電站及研究機構(gòu)都在積極探索裂紋產(chǎn)生的原因,尋求根本的解決方法。

1.4 空蝕磨損嚴重

通常又將水輪機空蝕與磨損聯(lián)合破壞稱為水機空蝕磨損破壞,簡稱磨蝕。在我國己投產(chǎn)的水電站中,有相當一部分電站由于空蝕磨損破壞,導(dǎo)致機組效率下降、出力減小、振動加劇,不僅威脅水電站的安全運行,而且嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行。

2 水電站水輪機技術(shù)改造的方法

2.1 認真總結(jié),摸清情況

許多中小型水電站經(jīng)過多年運行,積累了豐富的運行和檢修經(jīng)驗, 但由于資料管理不善及人員變動等多方面原因,許多設(shè)計及設(shè)備圖紙殘缺不齊,甚至機組上的銘牌都已丟失。同時由于當時制造水平低, 許多設(shè)備的加工水平并沒有達到設(shè)計圖紙的要求。因此,水電站水輪機技術(shù)改造前要認真做好原始資料收集及分析工作,包括電站實際運行時的水頭、來水量、棄水量和機電設(shè)備的主要參數(shù)以及運行檢修等實際狀況。只有徹底摸清情況,才能有針對性地進行水輪機技術(shù)改造,取得實實在在的改造成果。

2.2 對原有轉(zhuǎn)輪進行改造

通過現(xiàn)代理論對原水輪機葉片的外形進行改型設(shè)計,來提高水輪機的水力性能。例如,在葉片輪緣處加抗空化裙邊,可提高機組的抗空蝕性能;在保證強度的條件下,對出水邊進行修型,可降低葉片出水邊卡門渦產(chǎn)生的幾率,改善機組運行穩(wěn)定性。對于泥沙較多的水電站,應(yīng)根據(jù)過機含泥沙的特性和泥沙量的多少,選用耐磨蝕的不銹鋼轉(zhuǎn)輪或者是新型的、效率高的抗磨蝕性能好的轉(zhuǎn)能等,以延長水輪機壽命,提高出力和效率,增加電站經(jīng)濟效益。對于年久失修、出力下降、空蝕振動嚴重、部件磨損和損壞(如葉片、軸承)不能再運行的水電站,應(yīng)更換水輪機。

2.3 調(diào)整轉(zhuǎn)輪設(shè)計參數(shù)

根據(jù)水電站的實際運行水頭和來水量降低額定水頭,減小額定功率,選用合適的新型轉(zhuǎn)輪和參數(shù),將水輪機調(diào)整到較優(yōu)工況區(qū)運行,提高水輪機運行效率,增加年發(fā)電量。通過技術(shù)改造,根據(jù)上下游水流條件的變化,針對電站實際情況調(diào)整轉(zhuǎn)輪的設(shè)計參數(shù),例如,提高設(shè)計水頭,增大設(shè)計流量,然后在原流道基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)輪進行專門設(shè)計,可提高水輪機效率,增大水輪機出力,改善其綜合水力性能。對于水頭、來水量比原設(shè)計減小的水電站,宜采取減容改造方式。

2.4 對水輪機的主要結(jié)構(gòu)部件進行技術(shù)改造

對有些電站而言,進行水輪機結(jié)構(gòu)和一部件的技術(shù)改造也是很有必要的。水輪機主要性能參數(shù)與電站實際運行參數(shù)不匹配、水輪機處于非最優(yōu)工況區(qū)運行、機組出力不滿、效率低、空蝕嚴重、振動及噪聲大、溫升高的水電站,應(yīng)改用適應(yīng)該電站參數(shù)的新型轉(zhuǎn)輪或性能先進的水輪機,提高水輪機運行效率, 增加年發(fā)電量。

2.5 開發(fā)新轉(zhuǎn)輪

21世紀的現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計理論采用多目標優(yōu)化算法,通過不同的優(yōu)化方法綜合考慮水輪機的能量特性、空化特性和壓力脈動特性,對水輪機轉(zhuǎn)輪進行三維設(shè)計?？舍槍﹄娬緦嶋H參數(shù)進行“量體裁衣”式的專門設(shè)計,在保持較高效率的基礎(chǔ)上提高水輪機的抗空化能力,增加機組出力,保證機組的的運行可靠性。

2.6 應(yīng)用新技術(shù)

在轉(zhuǎn)輪改造過程中采用性能預(yù)估技術(shù)和動態(tài)特性分析技術(shù)可在設(shè)計階段全方位掌握所設(shè)計水輪機的水力性能和動態(tài)特性,及時對設(shè)計作出修改和調(diào)整;數(shù)控加工技術(shù),模壓成型技術(shù)等的應(yīng)用,使葉片在型線、表面粗糙度等方面都得到保證,還可以避免人為因素造成的加工質(zhì)量不良。

3 軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪改造中的關(guān)鍵問題

(1)固定導(dǎo)葉出口水流角在周向上分布的不均勻程度隨水輪機流量的增大而增加;導(dǎo)葉區(qū)的流動要素沿周向分布的均勻性隨導(dǎo)葉開度的增大逐漸減弱;大流量工況下,來流不均勻引起的各葉片表面壓力分布的差異在輪轂處附近表現(xiàn)得最為明顯,輪緣附近次之,各截面葉片間相差較大的地方均位于葉片前半部分。

不同工況下,相近時刻的導(dǎo)葉正背面壓力分布趨勢差異較大;尾水管進口壓力脈動的主頻成分主要為低頻成分,這種低頻壓力脈動是水輪機中壓力脈動的主要脈動源之一;導(dǎo)葉區(qū)壓力脈動的主頻含有與尾水管低頻壓力脈動相同的頻率成分,在底環(huán)和中間點的壓力脈動中還含有接近機組轉(zhuǎn)頻的頻率成分;葉片表面的壓力脈動頻率除了低頻成分外,還有機組轉(zhuǎn)頻倍數(shù)的中頻成分,為機組的次要振動源。

(2)在水壓力的作用下,葉片上出現(xiàn)了3個應(yīng)力集中區(qū);整體轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力值隨葉片轉(zhuǎn)角增大逐漸減小;隨著葉片轉(zhuǎn)角增大,葉片表面從輪轂至輪緣應(yīng)力變化梯度逐漸增大,葉片表面應(yīng)力分布不均勻程度增大。

葉片動應(yīng)力分析結(jié)果表明,葉片上最大應(yīng)力點隨工況和時間的不同在葉片壓力面與法蘭連接處靠近下游側(cè)和葉片吸力面與法蘭連接處靠近下游側(cè)之間變化;葉片與法蘭連接處存在高幅動應(yīng)力明顯大于葉片靜應(yīng)力的分析結(jié)果;葉片中部的應(yīng)力波動比輪轂和輪緣嚴重,出水邊比進水邊明顯;葉片上各點的動應(yīng)力頻率成分與流道內(nèi)的水壓力脈動頻率基本一致,說明葉片上的高幅動應(yīng)力主要由水壓力脈動引起。

(3)軸流式葉片在水中的固有頻率有所降低,具有非線性的特點;考慮流固耦合作用后,葉片正背面壓差增大,在一定程度上惡化了葉片的空化性能;考慮流固耦合作用后,葉片上的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置均未發(fā)生明顯變化;與非定常流動計算結(jié)果相比,各時刻最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變的變化情況各不相同;流固耦合作用不僅改變了葉片區(qū)的流場分布,對葉片的應(yīng)力也有較大影響。

4 結(jié)語

為提高中小型水電站技術(shù)改造的水平,取得最佳的經(jīng)濟效益,建議在小型水電站技術(shù)改造時,先進行技術(shù)和經(jīng)濟分析,提出可行性研究報告,以對癥下藥。選用相應(yīng)的能量指標先進、空化特性優(yōu)良、運行穩(wěn)定性好的水輪機,且選定的水輪機應(yīng)與其模型流道相似,以保證水電站技術(shù)改造的先進性、合理性和經(jīng)濟性。

[1]邵奇,等.三峽原型水輪機的非定常湍流計算和壓力脈動分析.水電站機電技術(shù),2003.

[2]劉樹紅,等.三峽水輪機的非定常湍流計算及整機壓力脈動分析.水力發(fā)電學報,2004.

[3]鄭小波.水輪機過流部件的優(yōu)化設(shè)計和振動特性分析.西安理工大學,2006.

[4]李定勇.轉(zhuǎn)漿水輪發(fā)電機組的檢修和處理探討.科技與生活,2012.

[5]李濤.基于CFD的軸流式水輪機增容防蝕改造的研究.西華大學,2013.