基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計方法在云南綠水河二級電站機組改造項目中的應用

路 奔 劉毅杰

(1.遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110003；2.沈陽格泰水電設備有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 項目背景

1.1 電站主要參數(shù)及原水輪機轉輪基本參數(shù)

云南綠水河發(fā)電廠二級站本次改造范圍是對2號，3號和4號機組進行全面改造，電站主要參數(shù)及水輪機轉輪基本參數(shù)如下：

a.電站主要參數(shù)：

最大水頭(Hmax)：331m；

最小水頭(Hmin)：295m；

額定水頭(Hr)：305m；

額定轉速(n)：750r/min；

水輪機額定出力(Nr)：15630kW；

吸出高度(Hs)：-1m；

汽蝕安全系數(shù)(K)：1.024。

b.原水輪機轉輪基本參數(shù)：

水輪機型號:HL683-LJ-140；

轉輪型號曾用名:HL133；

導葉高度(B0):0.1；

最優(yōu)單位轉速(n11):61r/min；

限制工況點單位流量(Q11):228L/s；

限制工況點汽蝕系數(shù)(σ):0.035。

1.2 電站存在的問題及問題解決思路

云南綠水河發(fā)電廠二級站2號、3號、4號機原機組存在的問題不是單一的，是多方面的，主要存在的問題包括：?水輪機效率低下，轉輪過流能力差，遠沒有充分利用現(xiàn)有水力資源，導致水資源浪費，嚴重影響經(jīng)濟效益；?固定導葉、活動導葉和轉輪等過流部件磨損嚴重，極大地降低了機組的效率與水電機組穩(wěn)定性，使得水輪機檢修頻繁；?轉輪存在汽蝕問題，影響水輪機效率，嚴重的汽蝕部位需要補焊修復處理。因此，找到一種針對電站改造具體問題的行之有效的解決方案是非常重要的。沈陽格泰水電設備有限公司集多年水輪機改造經(jīng)驗，并通過與加拿大海外研發(fā)機構多年深度的合作，已經(jīng)形成了一套成熟的針對水輪機改造具體問題的全面解決方案。水輪機改造全面解決方案的核心是基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計方法。圖1概括了全面解決方案的總體思路。

圖1 水輪機改造全面解決方案示意圖

為了保證電站的安全運行，除了水力優(yōu)化設計改善機組的穩(wěn)定性之外，轉輪強度、轉輪制造質量尤其鑄件、焊接、熱處理應嚴格按照工藝要求嚴格執(zhí)行，對于有汽蝕問題的電站，水力優(yōu)化設計進一步改善汽蝕性能，同時應該選取抗空蝕性能好的不銹鋼材質。在基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計過程已經(jīng)實現(xiàn)了與有限元FEA分析的無縫連接，CFD分析結果可以直接自動應用在葉片、上冠和下環(huán)表面上，提高了應力計算精度，大大節(jié)省了轉輪強度的分析時間。水力設計優(yōu)化后的轉輪三維實體可以直接用于CNC數(shù)控編程，節(jié)省了設計和制造周期。水輪機改造全面解決方案能夠在改造項目中得以成功實施核心是基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計方法，以該方法為基礎的實現(xiàn)與有限元FEA分析無縫連接，保證了優(yōu)化設計的轉輪具有足夠的剛強度，轉輪制造質量是優(yōu)化設計的轉輪最終得以應用的保證。

2 項目改造過程

綠水河發(fā)電廠二級站2號、3號、4號機原機組水輪機型號HL683-LJ-140，轉輪型號老舊，效率低下，經(jīng)過多年運行過流部件磨損嚴重，轉輪汽蝕嚴重，為了通過改造解決存在的所有問題，本次改造采用了以基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計方法為核心的全面解決方案。全面解決方案主要包括以下四個方面：

a.基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計，這是整個解決方案的核心和基礎。

b.轉輪強度計算及結構振動分析，這是保障機組安全穩(wěn)定運行的前提。

c.制造質量控制，是所有設計得以實施的保證。

d.過流部件磨損部位噴涂，是解決泥沙磨損問題重要措施。

2.1 基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計

基于CFD分析技術的水力優(yōu)化設計是全面解決方案的基礎，也是設計的第一步。這次改造除了埋入部件尾水管沒有變，其他部件包括蝸殼、導水機構和轉輪都進行了更新，可以對過流部件型線和尺寸進行適當?shù)淖杂稍O計，為實現(xiàn)水輪機的最佳水力優(yōu)化設計提供了有力條件。提效增容是本次改造的主要目標，原機組出力15MW，改造后由于電機出力的限制要求增至17MW，為了實現(xiàn)機組出力的增加，在水力設計上需要增加水輪機的效率和過流能力，同時需要兼顧泥沙磨損問題，增加水輪機流量時不能過多地增加流道內(nèi)流速，避免加劇過流部件的磨損程度，因此在采用CFD分析技術的水力優(yōu)化設計時，適當增加了水輪機的尺寸(除尾水管尺寸保持不變外)，以期達到水力設計最優(yōu)化?；贑FD分析技術的水力優(yōu)化設計后和原機組水輪機參數(shù)對比見表1。

表1 優(yōu)化前后機組水輪機參數(shù)對比

CFD優(yōu)化過程首先要從基礎轉輪庫選取基礎轉輪作為優(yōu)化設計的基礎(見圖2)，基礎轉輪的性能越接近設計目標，優(yōu)化設計的所需時間越短。

圖2 混流式轉輪設計基礎庫

Q11和n11定義:

Q11=Q/(D12sqrt(H))n11=nD1/(sqrt(H))

其中，D1是轉輪的喉管直徑。

CFD優(yōu)化設計過程建模和網(wǎng)格劃分見圖3、圖4。

圖3 CFD優(yōu)化設計計算域(整個水輪機從蝸殼進口到尾水管出口)

CFD分析可視化計算結果：

在座環(huán)區(qū)域固定導葉的安放位置幾乎與流線完全一致，壓力梯度變化均勻，沒有觀察到問題區(qū)域(見圖4)。

圖4 座環(huán)和導水機構內(nèi)流動(左邊最優(yōu)點和右邊部分負荷低于10MW)

轉輪內(nèi)流場的觀察是通過葉片變壓力分布和從轉輪進口到出口的流線得到的。轉輪內(nèi)流場可以反映出水輪機性能，葉片表面壓力梯度變化小均勻，表明轉輪能量轉化效率高，水力損失小。事實上CFD水輪機最終優(yōu)化設計結果水輪機效率超過94%，這表明轉輪優(yōu)化設計是很好的(見圖5、圖6)。

圖5 轉輪內(nèi)流動(左邊最優(yōu)點和右邊部分負荷低于10MW)

圖6 轉輪葉片壓力分布

尾水管(原機組的尾水管)內(nèi)的流動很大程度由尾水管進口流動決定，優(yōu)化后的水輪機尾水管在最優(yōu)點和滿負荷點性能很好，尾水管內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)流動死區(qū)或流動分離現(xiàn)象，水力損失低于1%(見圖7)。

圖7 尾水管內(nèi)流動(左邊最優(yōu)點和右邊部分負荷低于10MW)

根據(jù)整個水輪機的CFD分析，預估的水輪機在額定水頭305m下的水輪機性能見表2、圖8～圖9。

表2 預估的水輪機性能(Hnet=305m;D1=1440mm;n=750r/min)

圖8 預估額定水頭305m下水輪機性能

CFD優(yōu)化設計后新水輪機額定流量為6.28m3/s，比原水輪機額定流量6.15m3/s有所增加，由于機組尺寸的增加總體水輪機內(nèi)的流速降低了，有利于解決泥沙磨損問題；機組出力的增加主要由于水輪機的效率增加帶來的，水輪機額定點效率由原來的84.88%增加到93.13%，預計增加了8.25%，完全滿足電站提效增容改造的要求。

圖9 預估水輪機臨界汽蝕系數(shù)

原機組的汽蝕安全系數(shù)只有1.024，汽蝕安全余量嚴重不足，按現(xiàn)在技術要求，汽蝕安全系數(shù)應大于1.5，故綠水河二級原機組水輪機汽蝕嚴重是在預料之中的，CFD優(yōu)化設計后的水輪機臨界汽蝕系數(shù)在額定點為0.023，汽蝕安全系數(shù)為1.55，滿足電站安裝高程要求。

2.2 轉輪的強度計算和結構振動分析

為了保證機組能夠長期穩(wěn)定運行，轉輪應該擁有足夠的剛強度，在設計上對轉輪進行有限元FEA應力分析，在任何工況下最高應力不超過規(guī)定許應力。轉輪材料為ZG06Cr16Ni5Mo，根據(jù)設計和制造經(jīng)驗該材料許應力[σ]≤100MPa。

CFD分析結果可以直接自動應用在葉片、上冠和下環(huán)表面上，提高了應力計算精度，大大節(jié)省了轉輪強度的分析時間，實現(xiàn)了CFD分析與有限元FEA分析無縫連接(見圖10)。

為了避免在結構設計上產(chǎn)生共振現(xiàn)象，運用有限元分析手段，對頂蓋改造前后固有頻率和改造后轉輪在水中固有頻率進行了分析計算。有限元分析結果表明:改造前后頂蓋的固有頻率滿足設計要求；改造后的轉輪在水中固有頻率很好地避開了機組的激振頻率，滿足設計要求。

頂蓋動態(tài)特性計算結果見表3。

圖10 轉輪強度計算

表3 頂蓋動態(tài)特性計算結果

頂蓋應避開的主要激振頻率：

改造后的頂蓋

f=n·Zblade/60=750×30/60=375Hz

改造前的頂蓋

f=n·Zblade/60=750×17/60=212.5Hz

從表3可以看出，改造前后頂蓋的固有頻率很好地避開了頂蓋的主要激振頻率，即：無論是改造前還是改造后的頂蓋，都具有良好的動態(tài)特性。改造后的各種振型見圖11～圖13。

圖11 頂蓋軸向振動振型

圖12 頂蓋擺動振動振型

圖13 頂蓋四瓣振動振型

由于轉輪是工作在水中的，因此考慮轉輪的固有頻率應考慮水的附加質量的影響。通常情況下，由于水的附加質量影響，使得轉輪在水中的固有頻率低于轉輪在空氣中的固有頻率。

對于綠水河電站，轉輪在水中的固有頻率應避開激振頻率為

f=n·Zwicket/60=750×20/60=250Hz

根據(jù)經(jīng)驗，綠水河電站轉輪在水中的固有頻率不應落在225～275Hz之間。

轉輪動態(tài)特性計算結果見表4，振型見圖14～圖16。

表4 轉輪動態(tài)特性計算結果

圖14 轉輪扭轉振動振型

圖15 轉輪左右擺動振型

圖16 轉輪四瓣振動振型

2.3 生產(chǎn)制造質量控制

制造質量控制主要是關鍵部件的鑄件質量和加工質量控制，轉輪上冠、下環(huán)、葉片以及活動導葉材質選用抗空蝕、耐磨損的水輪機材料ZG06Cr16Ni5Mo。應用VOD超低碳精煉技術進行鋼水冶煉以確保轉輪和活動導葉的品質及綜合性能；鑄件無損探傷嚴格按照標準CCH70-3執(zhí)行。轉輪上冠，下環(huán)、葉片、活動導葉和組焊轉輪的精加工都是數(shù)控加工，嚴格控制加工精度。

2.4 過流部件磨損部位的噴涂

為了增加過流部件磨損部位的耐磨度，對于相應部位進行了噴涂處理，噴涂采用的是技術先進的高速火焰碳化鎢噴涂。

過流部件轉輪和導水機構噴涂部位如下：

a.頂蓋的噴涂位置見圖17。

圖17 頂蓋的噴涂位置

b.底環(huán)的噴涂位置見圖18。

圖18 底環(huán)噴涂位置

c.轉輪的噴涂位置見圖19。

圖19 轉輪噴涂位置

d.下固定止漏環(huán)噴涂位置見圖20。

圖20 下固定止漏環(huán)噴涂位置

e.導葉噴涂位置見圖21。

圖21 導葉噴涂位置

3 改造效果

綠水河二級電站3臺機組2號、3號、4號機是先后兩次改造完成的，為了改造慎重起見，2016年先完成4號機的改造并投入運行，4號機改造成功后，在2018年完成了2號、3號機的改造并投入運行。兩次改造機組出力，效率均達到設計要求，機組出力由原來15MW增加到17MW，實際水輪機出力可以達到18MW，由于電機出力的限制，機組額定出力定為17MW。華電電力科學研究院現(xiàn)場完成了機組穩(wěn)定性試驗，試驗表明在機組運行范圍內(nèi)，機組振動指標均滿足安全運行要求。經(jīng)過四五個汛期的運行，對過流部件的檢查表明，過流部件磨損部位的磨損程度比改造前明顯減輕了，延長了檢修和修復周期，總體改造后業(yè)主非常滿意，機組投運至今運行效果良好。

4 結 論

改造效果表明沈陽格泰水電設備有限公司提供的水輪機改造全面解決方案是可行的，水輪機真機的研究與開發(fā)是在沒有模型試驗前提下全部采用基于CFD分析技術優(yōu)化設計方法完成的，無須模型試驗，節(jié)省了大量研發(fā)費用，大大縮短了研發(fā)周期，為電站節(jié)省了大量的改造成本和費用，這種全新模式為電站改造提供了既經(jīng)濟實用又可靠的解決方案，在今后的電站改造項目中具有廣泛的推廣價值，可以帶來重大的經(jīng)濟效益和社會效益。