混流式水輪機(jī)組技術(shù)改造前后性能分析

唐 健，賴喜德

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

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混流式水輪機(jī)組技術(shù)改造前后性能分析

唐 健，賴喜德

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

針對目前中小型水電站運(yùn)行及改造中存在的問題，為探究混流式水輪發(fā)電機(jī)組改造前后的水力穩(wěn)定性，基于CFD性能預(yù)測方法，以某電站的實(shí)際改造情況為例，對該電站改造前后的水輪機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行全流道三維數(shù)值模擬分析，探討水輪機(jī)內(nèi)部流場的速度分布、壓力分布等情況，并做了對比分析。結(jié)果表明：更新改造后的電站機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉頭部撞擊損失減少，轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部流態(tài)得到改善，流動(dòng)更加均勻；且轉(zhuǎn)輪在高水頭、大流量運(yùn)行區(qū)域葉片速度和壓力分布更加均勻，提高了水輪機(jī)水力效率，機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，檢修周期延長。研究結(jié)果可為中小型水輪發(fā)電機(jī)組的增效擴(kuò)容技術(shù)改造提供一定參考。圖7幅，表3個(gè)。

混流式水輪發(fā)電機(jī)；技術(shù)改造；三維數(shù)值模擬

0 引 言

建國以來，我國的水電建設(shè)取得了巨大的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國常規(guī)水電裝機(jī)容量已達(dá)1億kW，其中中小型水電站總裝機(jī)容量達(dá)3 200萬kW。由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)問題和設(shè)備的制造工藝水平落后，機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)了諸多問題，同時(shí)目前大部分機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了二三十年，設(shè)備的老化和年久失修等多種原因給水輪機(jī)水力穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響，為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了隱患。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了保證電廠安全生產(chǎn)，中小型水電站機(jī)組的改造已經(jīng)掀起了熱潮。水電站水輪機(jī)設(shè)備改造的主要目的在于增容和改善其水力性能?；跀?shù)值模擬計(jì)算的水電站水輪機(jī)改造技術(shù)已不同程度在國內(nèi)外電站改造實(shí)踐中得到應(yīng)用[1]。

目前針對混流式水輪機(jī)單一部件或多部件的CFD數(shù)值模擬分析的研究者很多。黃荊強(qiáng)對高關(guān)水電站的增效擴(kuò)容改造從設(shè)計(jì)原則及改造后的成果進(jìn)行了分析，但未對水輪機(jī)過流部件進(jìn)行流場分析[2]；王麗、莫兆祥等人通過洋河灘水電站改造，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面對水電站的改造進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[3]；羅興钅奇、姬晉廷等人通過混流式水輪機(jī)全流道數(shù)值模擬分析，探討了引起混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定的原因[4]?？梢妵鴥?nèi)學(xué)者大多都是對電站改造做整體的技術(shù)分析或者針對某一特定機(jī)組進(jìn)行三維流場分析，鮮見有水電站在技術(shù)改造中對機(jī)組在改造前后進(jìn)行流場的對比分析?；谏鲜鲈?，本文根據(jù)某電站在增效擴(kuò)容改造中的技術(shù)方案，結(jié)合CFD技術(shù)對某水電站的混流式水輪發(fā)電機(jī)在改造前后的結(jié)構(gòu)及流場進(jìn)行對比分析，分析了電站改造的可行性，為水電站的水輪機(jī)改造提供一定的理論參考。

1 電站改造的基本情況

某電站是岷江上游右岸河上的第二座梯級電站，位于阿壩藏族羌族自治州汶川縣及臥龍自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)，裝機(jī)容量4×40 MW。電站所處的山區(qū)河流中含有泥沙，尤其是在汛期，暴雨引發(fā)山洪和泥石流，河水暴漲，水流渾濁，機(jī)組檢修中可見泥沙磨損及空蝕導(dǎo)致過流部件嚴(yán)重?fù)p壞的情況。改造前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差，水輪機(jī)在50%～75%滿負(fù)荷范圍內(nèi)振動(dòng)、噪音大，造成機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻時(shí)，負(fù)荷調(diào)整困難。由于以前設(shè)計(jì)和制造技術(shù)能力落后，水輪機(jī)效率設(shè)計(jì)值偏低；加上過流部件空蝕磨損嚴(yán)重，致使大修后水輪機(jī)效率快速降低。隨著科技的進(jìn)步，科研水平和設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，新的高性能轉(zhuǎn)輪替代舊的低性能轉(zhuǎn)輪已成為必然，在借鑒云南魯布革電站引進(jìn)的挪威KE公司低比轉(zhuǎn)速長短葉片轉(zhuǎn)輪對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行成功改造的經(jīng)驗(yàn)前提下，對該電站水輪機(jī)進(jìn)行了改造[5]。

為了延長機(jī)組檢修間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)增容10%，水輪機(jī)的效率在原有基礎(chǔ)上提高2%～3%，提高了機(jī)組的穩(wěn)定性。改造中在原魯布革的A361型轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上結(jié)合A45、A542轉(zhuǎn)輪的特點(diǎn)研制了A542b型轉(zhuǎn)輪及與之相適應(yīng)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，A361為長短葉片轉(zhuǎn)輪，具有轉(zhuǎn)輪效率區(qū)寬廣的特點(diǎn)。A542b型轉(zhuǎn)輪采用15個(gè)長葉片和15個(gè)短葉片，轉(zhuǎn)輪上部為梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，下部為五臺(tái)階式止漏環(huán)。轉(zhuǎn)輪直徑由原來的2.1 m增大為2.15 m。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中：導(dǎo)葉高度為0.12D1，比原導(dǎo)葉高48 mm，導(dǎo)葉個(gè)數(shù)20個(gè)，采用的是接近對稱型偏心導(dǎo)葉，該導(dǎo)葉在水力矩的作用下有自關(guān)閉傾向；導(dǎo)葉分布圓直徑由2 500 mm增加為2 520 mm(見表1、表2)。

表1 水輪機(jī)改造前后參數(shù)

表2 A542b、A542和A45轉(zhuǎn)輪模型主要參數(shù)

2 轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉流場分析

2.1 轉(zhuǎn)輪流場分析

為了準(zhǔn)確研究確定改造前后的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能，針對該電站改造前后機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，建立用于CFD計(jì)算分析的水輪機(jī)內(nèi)流場全流道三維幾何模型；主要分析了改造后機(jī)組在最優(yōu)工況下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片的壓力分布及對比了改造前后機(jī)組固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉速度矢量及壓力分布情況。模型主要由蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管組成，改造后機(jī)組全流道三維幾何建模如下所示(見圖1)。網(wǎng)格生成的目標(biāo)是離散流動(dòng)區(qū)域，由于水力機(jī)組整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的形狀復(fù)雜，本次計(jì)算模型網(wǎng)格采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行流體域的網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算精度，對流動(dòng)梯度較大的區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。為保證計(jì)算更加接近真實(shí)流場，計(jì)算中對水體施加重力加速度，并對蝸殼進(jìn)口端面作適當(dāng)延伸[6]。

圖1 水輪機(jī)流場計(jì)算三維模型

計(jì)算邊界條件：采用SIMPLE算法求解不可壓縮流體的時(shí)均N—S方程，模型選取RNGk—ε湍流模型。壁面采用無滑移邊界條件，流體內(nèi)近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，并設(shè)置動(dòng)靜耦合轉(zhuǎn)子交界面，蝸殼進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口，出口采用壓力出口。CFD分析得到的轉(zhuǎn)輪流道的速度和壓力分布圖如下所示(見圖2～圖4)，其速度和壓力值以不同的顏色及其深淺來表示(見表3)。

表3 不同顏色及其深淺所代表的速度和壓力值范圍

A542b轉(zhuǎn)輪長葉片正面、背面壓力分布如圖2所示，短葉片正面、背面壓力分布如圖3所示。從以上各圖可以看出，A542b的長短葉片正背面壓力分布很均勻，尤其是在葉片背面進(jìn)水邊與下環(huán)交點(diǎn)處消除了低壓區(qū)，不僅避免了空蝕的發(fā)生，而且提高了葉片的抗磨蝕性能。

A542b轉(zhuǎn)輪在額定水頭及最高水頭下的額定出力點(diǎn)長短葉片壓力分布如圖4所示。從A542b在2個(gè)工況點(diǎn)的壓力場可以看出，A542b不僅在最優(yōu)工況點(diǎn)具有良好的水力性能，同時(shí)在高水頭、大流量運(yùn)行區(qū)域的速度和壓力分布情況也良好，且轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量很小，有利于轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)的降低和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的提高。轉(zhuǎn)輪的流速分布均勻，轉(zhuǎn)輪在下環(huán)附處靠葉片背面進(jìn)水邊附近沒有常見的脫流現(xiàn)象，由此可知轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)的改善不僅可以提高水輪機(jī)效率，同時(shí)還可改善機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[7]。用A542b轉(zhuǎn)輪取代A45轉(zhuǎn)輪，長短葉片的A542b轉(zhuǎn)輪因其葉片數(shù)目較多，葉片間的水流流動(dòng)狀態(tài)好，轉(zhuǎn)輪空化性能好，模型空化系數(shù)小。改造后轉(zhuǎn)輪直徑加大50 mm，對應(yīng)點(diǎn)單位流量減小，模型空化系數(shù)變小達(dá)電站水輪機(jī)的吸出高度??；1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，額定點(diǎn)的空化安全系數(shù)大于2.38，空化安全系數(shù)較大，葉片空蝕破壞將很小。

長葉片正面 長葉片背面

短葉片正面 短葉片背面

額定水頭 最高水頭

圖4 A542b在額定水頭額定出力下的壓力分布速度矢量

2.2 導(dǎo)葉流場分析

由于電站的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配存在一定問題，因而根據(jù)電站的實(shí)際情況，采用如下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造方案：固定導(dǎo)葉不變；活動(dòng)導(dǎo)葉采用魯布革型導(dǎo)葉替代原導(dǎo)葉，魯布革型導(dǎo)葉表面相對流速較低，導(dǎo)葉抗磨性能好、壽命長；導(dǎo)葉分布圓不變，導(dǎo)葉個(gè)數(shù)由16個(gè)增加到24個(gè)；導(dǎo)葉高度由0.1D1提高到0.12D1，這對降低導(dǎo)葉區(qū)的流速是有利的。在對機(jī)組進(jìn)行流場CFD的計(jì)算分析中，對現(xiàn)使用導(dǎo)葉和以上改造方案中的導(dǎo)葉分別進(jìn)行了CFD分析計(jì)算和比較(見圖5～圖7)。

a 改造前 b 改造后

a 改造前 b 改造后

a 改造前 b 改造后

圖7 改造前后導(dǎo)葉流線

電站改造前導(dǎo)葉高度為b0=0.1D1，經(jīng)過CFD分析計(jì)算可以看到真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉出口絕對流速為20.3 m/s，而改造后導(dǎo)葉高度為b0=0.12D1，真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉出口絕對流速降為14.2 m/s以下；說明通過提高導(dǎo)葉高度來降低導(dǎo)葉區(qū)流速是行之有效的方法?；顒?dòng)導(dǎo)葉改為魯布革型導(dǎo)葉后，在最優(yōu)開口下，活動(dòng)導(dǎo)葉頭部低壓區(qū)消失，繞流駐點(diǎn)位于活動(dòng)導(dǎo)葉頭部中間附近，從而減少了水流對活動(dòng)導(dǎo)葉頭部的撞擊損失，可提高水輪機(jī)的最高效率[8]。因此，活動(dòng)導(dǎo)葉改為魯布革型導(dǎo)葉是合理的。

通過24個(gè)導(dǎo)葉的方案與改造前16個(gè)導(dǎo)葉的比較表明：采用24個(gè)導(dǎo)葉方案的導(dǎo)葉進(jìn)口處的流速基本相當(dāng)，導(dǎo)葉出口處的流速低1 m/s左右，所以導(dǎo)葉數(shù)的增加對提高效率和降低流速有利。此外，為減小止漏環(huán)處的磨損和間隙空蝕，應(yīng)盡可能減小并合理設(shè)計(jì)下止漏環(huán)的間隙，使止漏環(huán)的漏水量減小，進(jìn)而減小止漏環(huán)的磨蝕，從而延長轉(zhuǎn)輪的大修周期，達(dá)到改造的目的。

3 結(jié) 論

經(jīng)過對該電站混流式水輪機(jī)技術(shù)改造前后的CFD分析比較，新轉(zhuǎn)輪采用長短式葉片結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)更加穩(wěn)定。改造后水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在轉(zhuǎn)輪高效區(qū)附近，運(yùn)行范圍較優(yōu)，使得機(jī)組可靠性、穩(wěn)定性提高，機(jī)組大修周期延長。該電站水輪發(fā)電機(jī)組的成功更新改造，可為其他類似電站機(jī)組改造提供一定的技術(shù)參考。

機(jī)組流場CFD計(jì)算對比分析結(jié)果表明，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的改造將大大地降低導(dǎo)葉間的流速，極大地提高導(dǎo)葉及此區(qū)域抗磨板的壽命，消除電站的備品備件壓力；增加葉片數(shù)之后的長短式葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，基本消除了轉(zhuǎn)輪葉片之間的旋流，且使葉片尾部負(fù)壓區(qū)范圍減小，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)的壓力分布更均勻，規(guī)律性更強(qiáng)，高壓區(qū)和低壓區(qū)范圍擴(kuò)大；轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)得到改善，水輪機(jī)水力穩(wěn)定性得以提高，給電廠和企業(yè)帶來顯著的效益；而埋設(shè)部件、調(diào)速器、油壓裝置等在改造后可繼續(xù)使用，又極大地降低了改造費(fèi)用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2015-05-29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179)

唐 健(1989-)，男，碩士研究生。主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。 E_mail：tangjianmofei1@126.com