ZD560型水輪機(jī)技術(shù)改造的分析研究

李 勝

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局淠東干渠管理處，安徽 六安 237009)

九里溝水電站2號(hào)水輪機(jī)型號(hào)為ZD560-LH-180，該機(jī)組額定容量1600kW，實(shí)際平均出力1418kW。要求通過(guò)現(xiàn)狀參數(shù)分析，找出出力受阻的原因，并在廠(chǎng)房水工基礎(chǔ)不變、預(yù)埋件和發(fā)電機(jī)部分不動(dòng)的前提下，進(jìn)行更新改造，達(dá)到額定出力。

1 機(jī)組出力受阻的原因分析

1.1 水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行水頭低于設(shè)計(jì)值

原始設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水位預(yù)測(cè)不盡準(zhǔn)確，且經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，下游渠道產(chǎn)生淤積，壅高了尾水位，使得機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭低于設(shè)計(jì)水頭。整理實(shí)測(cè)水文資料，2號(hào)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的特征水頭應(yīng)為：額定水頭11.19m，最大水頭12.34m，最小水頭10.67m?？梢?jiàn)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭比設(shè)計(jì)值低較多，尤其是額定水頭比設(shè)計(jì)值低1.31m，原葉片安放角度已明顯不合適，這對(duì)低水頭的軸流定槳水輪機(jī)的影響是巨大的，使其偏離高效區(qū)運(yùn)行。

1.2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸與模型有偏差，過(guò)流通道存在問(wèn)題

該站3號(hào)機(jī)亦為ZD560(+10°)-LH-180水輪機(jī)，但生產(chǎn)廠(chǎng)家不同。在相同的水頭下，2號(hào)機(jī)出力比3號(hào)機(jī)低150kW左右，因此除了運(yùn)行水頭原因之外，還需要對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析比較。水輪機(jī)真機(jī)與模型采用相似理論設(shè)計(jì)，以使水輪機(jī)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。按文[1]要求，原型與模型應(yīng)完全相似。ZZ560的模型(編號(hào)A30)流道參數(shù)和2號(hào)機(jī)實(shí)際流道參數(shù)的比較如表1所列。

表1 ZZ560模型與2號(hào)機(jī)真機(jī)流道參數(shù)對(duì)比表

注：軸流定槳時(shí)轉(zhuǎn)輪體(柱體)與轉(zhuǎn)輪直徑的比值 Db/D1=0.35，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪室為柱面；轉(zhuǎn)槳時(shí)轉(zhuǎn)輪體(球體)與轉(zhuǎn)輪直徑的比值Db/D1=0.4，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪室為球面。

由表1可見(jiàn)，2號(hào)機(jī)真機(jī)相對(duì)參數(shù)中，導(dǎo)葉和尾水管參數(shù)與模型機(jī)相對(duì)參數(shù)基本相符，主要差異在輪轂比，即2號(hào)機(jī)輪轂比應(yīng)為0.35，實(shí)際為0.4，這使頂蓋、轉(zhuǎn)輪室至泄水錐的流道變狹窄，影響了水輪機(jī)流道的通流能力，造成出力不足。

2 技術(shù)改造方案研究

2.1 技術(shù)改造要求

針對(duì)九里溝電站的情況，本次改造要求如下：① 在凈水頭11.19m時(shí),水輪機(jī)保證出力≥1720kW；②為控制工程量和工期，節(jié)約投資，蝸殼和尾水管不動(dòng)，發(fā)電機(jī)部分不動(dòng)；③原水輪機(jī)預(yù)埋件不動(dòng)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不更換，如有需要，可增大導(dǎo)葉開(kāi)口角度。

2.2 轉(zhuǎn)輪選型分析

(1)轉(zhuǎn)輪型號(hào)選擇。ZD560轉(zhuǎn)輪在我國(guó)早期建設(shè)的低水頭電站中曾廣泛應(yīng)用，機(jī)型較老，效率偏低，近年來(lái)，很多電站對(duì)該型轉(zhuǎn)輪成功進(jìn)行了增容改造，用JP502轉(zhuǎn)輪替換ZD560轉(zhuǎn)輪比較多見(jiàn)。但對(duì)于九里溝電站，由于發(fā)電機(jī)部分不動(dòng)(即不降速)，如使用JP502轉(zhuǎn)輪，經(jīng)計(jì)算和查模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(xiàn)，其運(yùn)行區(qū)間大大偏離最優(yōu)工況，設(shè)計(jì)點(diǎn)模型效率不到80%，故不可用JP502轉(zhuǎn)輪。經(jīng)反復(fù)比選，擬采用ZD660a轉(zhuǎn)輪，其模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 ZZ660a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(xiàn)

(2)模型流道分析。將ZZ660a模型與2號(hào)機(jī)真機(jī)流道參數(shù)對(duì)比如表2所列?？梢?jiàn)，真機(jī)與660a模型機(jī)相比，導(dǎo)葉數(shù)據(jù)略?xún)?yōu)，尾水管數(shù)據(jù)略差，整體流道差異不大，基本滿(mǎn)足需要。

表2 ZZ660a模型與2號(hào)機(jī)真機(jī)流道參數(shù)對(duì)比表

(3)模型水力性能和汽蝕性能分析。將ZZ660a和ZZ560模型機(jī)主要性能對(duì)比如表3所列。可見(jiàn)①ZZ660a轉(zhuǎn)輪比ZZ560轉(zhuǎn)輪過(guò)流能力大，最優(yōu)工況效率高3.7%，限制工況效率高6.2%。說(shuō)明在轉(zhuǎn)輪直徑和額定轉(zhuǎn)速相同的情況下，660a轉(zhuǎn)輪流量和效率均高于560轉(zhuǎn)輪，而且原機(jī)導(dǎo)水葉高度大于660a的模型值，水輪機(jī)過(guò)流能力更大。②ZZ660a轉(zhuǎn)輪比ZZ560轉(zhuǎn)輪的汽蝕性能略?xún)?yōu)，可保證在水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，不發(fā)生汽蝕。③ZZ660a轉(zhuǎn)輪比ZZ560轉(zhuǎn)輪飛逸轉(zhuǎn)速略低，水輪機(jī)在事故飛逸時(shí)轉(zhuǎn)速不超過(guò)原機(jī)，保證了原機(jī)組的強(qiáng)度和剛度安全性滿(mǎn)足改造需求。

表3 ZZ660a與ZZ560模型機(jī)主要性能對(duì)比表

2.3 真機(jī)性能分析

上述是用模型參數(shù)進(jìn)行選型分析的，擬采用ZD660a-LH-180轉(zhuǎn)輪替換原ZD560-LH-180轉(zhuǎn)輪，相應(yīng)更換支持蓋和泄水錐，保留原機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、尾水管流道不變。由于改造機(jī)型無(wú)法做到和模型參數(shù)完全相似，因此存在較大不確定性，這也是水輪機(jī)換型改造的難點(diǎn)。為保證改造效果，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了CFD分析，按照改造數(shù)據(jù)進(jìn)行全流道三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，模擬機(jī)組在額定工況下運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)流動(dòng)特性，預(yù)測(cè)其性能。如圖2和圖3所示。

圖2 導(dǎo)葉流場(chǎng)跡線(xiàn)

圖3 蝸殼、尾水管流場(chǎng)跡線(xiàn)

通過(guò)CFD分析可知，蝸殼、導(dǎo)葉流場(chǎng)速度分布情況良好，葉片工作面、背面速度分布均勻，從葉片進(jìn)口至出口沒(méi)有脫流、回流，轉(zhuǎn)輪室至泄水錐流線(xiàn)順暢，但尾水管流線(xiàn)略差。結(jié)論是，真機(jī)出力能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但效率受原尾水管影響，需修正，綜合分析，修正-3%。改造后真機(jī)額定工況下主要參數(shù)如表4所列。改造前后機(jī)組主要性能對(duì)比如表5所列。

表4 ZD660a-LH-180額定工況參數(shù)表

表5 改造前后機(jī)組主要性能對(duì)照表

2.4 導(dǎo)葉開(kāi)口復(fù)核

原導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不動(dòng)，通過(guò)繪制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉開(kāi)口布置圖如圖4所示。按原機(jī)導(dǎo)葉最大開(kāi)口254mm復(fù)核，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角可達(dá)到46°。額定工況時(shí)，660a轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角為43°，故原機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足改造需要，無(wú)需增大導(dǎo)葉開(kāi)口。

圖4 導(dǎo)葉開(kāi)口復(fù)核圖

2.5 吸出高度復(fù)核

水輪機(jī)的允許吸出高度按經(jīng)驗(yàn)公式HS=10-▽/900-KσH計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K取1.2, 安裝高程為36.2m，σc查曲線(xiàn)在額定點(diǎn)為0.66，H為11.19m，經(jīng)計(jì)算HS=1.1m，2號(hào)機(jī)現(xiàn)狀吸出高度為-1.5m，滿(mǎn)足要求。

2.6 調(diào)保計(jì)算復(fù)核

經(jīng)計(jì)算(過(guò)程略)，機(jī)組甩去全負(fù)荷最大轉(zhuǎn)速上升率β≤46.9%，蝸殼末端的最大壓力上升率ξ≤46.6%，尾水管真空度為0.5mH2O，均在原設(shè)計(jì)調(diào)保要求范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

九里溝電站2號(hào)機(jī)組因運(yùn)行水頭偏離設(shè)計(jì)值和轉(zhuǎn)輪輪轂比的差異，長(zhǎng)期達(dá)不到設(shè)計(jì)出力。通過(guò)對(duì)模型參數(shù)和現(xiàn)狀參數(shù)的比選，選用ZD660a(+27.5°)-LH-180轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更新改造，經(jīng)CFD模擬分析驗(yàn)證，并經(jīng)各項(xiàng)復(fù)核，滿(mǎn)足改造要求，改造后機(jī)組可達(dá)到設(shè)計(jì)出力，水輪機(jī)額定點(diǎn)效率提高8.8%，且改造只需要更換轉(zhuǎn)輪(含泄水錐)和支持蓋，工程量小，可結(jié)合大修進(jìn)行，技術(shù)可行，效益明顯。