改善豐滿重建電站水力穩定性的技術措施

王向志，史 千，吳喜東，明 亮，聶文昭

?

改善豐滿重建電站水力穩定性的技術措施

王向志1，史 千1，吳喜東1，明 亮2，聶文昭2

（1. 水力發電設備國家重點實驗室（哈爾濱大電機研究所），哈爾濱 150040；2. 國網濟寧供電公司，濟寧 272000）

豐滿電站水輪機額定出力為204MW，水頭變幅max/min=1.61范圍超過了混流式水輪機常規的適應范圍，機組運行范圍比常規電站寬廣，機組需要頻繁在小負荷進行調峰、調頻運行，并且，重建后出現了8臺機組在不同2個電網中進行調峰調頻工作。因此對機組的穩定性要求更高，尤其是部分負荷的穩定性。本文結合豐滿電站特定的運行條件，提出了模型開發過程中改善豐滿水輪機穩定性的措施，通過試驗驗證，滿足豐滿電站的運行特點。

混流式水輪機；豐滿重建電站；模型轉輪；穩定性

0 前言

吉林省豐滿水電站位于吉林省境內第二松花江干流上的豐滿峽谷口，多年平均流量為432m3/s。豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復電站原任務和功能，在原大壩下游120m處新建一座大壩，并利用三期工程。工程實施后以發電為主，兼顧防洪、城市及工業供水、灌溉、生態環境保護，并具有旅游、水產養殖等效益。為東北電網供電，在電網系統中主要擔負調峰、調頻和事故備用等任務[1-2]。

豐滿重建電站水頭變化主要受上游水庫水位下降形成，高水頭出現在豐水期，而低水頭出現在枯水期，吸出高度基本不受水頭影響，處于相近水頭段電站的最低水平，這是豐滿電站特有的水情，同時，豐滿電站最大水頭71m，最小水頭44m，額定水頭57m，max/min=1.61，max/Hr=1.25，電站水頭變幅超過了常規水輪機的水頭變幅，重建后，出現了8臺機組在不同2個電網中進行調峰和調頻[3]。

據最新的統計表明，水頭變幅大的水輪機易發生高水頭的穩定性問題。可能由兩個原因導致：一是由于高水頭與額定水頭的比值較大，使得高水頭的單位流量11偏小；另一原因是高水頭葉片吸力面附近易產生葉道渦及背面脫流，這些是混流式水輪機的固有特性[4-5]。

由于混流式水輪機的轉輪葉片不隨運行工況的調整而改變，在導葉小開度下，葉片進口沖角很大，繞流不好，極易造成葉片進口脫流及葉道渦。其次，由于在葉片出口處產生的正環量很大，產生能量很大的旋轉渦帶，撞擊尾水管壁，產生巨大的撞擊和噪音，這些都是造成水輪機不穩定的主要因素。根據理論研究和實測結果的統計分析表明，高水頭小開度運行工況容易引起水輪機穩定性問題，使得機組振動隨導葉開度減小而增大，這與導葉部分開度時產生脫流及葉道渦加劇密切相關[6-9]。而豐滿電站在系統中擔負調峰、調頻和事故備用等任務，部分負荷時的穩定性尤為重要。

根據豐滿電站的實際運行特點進行水力開發，開發的特點及難點在于：

（1）低水頭壓力脈動指標高于常規機組；

（2）機組運行范圍比常規電站寬廣；

（3）機組穩定性要求更高，尤其體現在部分負荷的穩定性；

（4）沒有合適的基礎轉輪，需要“量體裁衣”。

1 豐滿重建電站水力開發

1.1 模型裝置開發

圖1示出了水力開發技術路線情況。

圖1 水力開發技術路線圖

通過CFD優化設計，研發了2套不同的模型裝置。流道部分包含蝸殼、雙列葉柵、尾水管、泄水錐、轉輪等，如圖2~3所示。

圖2 模型裝置a

圖3 模型裝置b

1.2 模型轉輪開發

豐滿重建電站水力共開發了11個轉輪，從葉片型式、葉片數、葉片軸面形狀（如圖4所示）、葉片延展度、葉片厚度規律、進出口角匹配關系等均有不同。針對運行穩定性，模型轉輪開發的基本原則是：

（1）消除運行范圍內高部分負荷壓力脈動

1）通過降低轉輪的單位轉速、單位流量來降低轉輪的比轉速，比轉速的降低不僅利于改善水輪機運行過程中的壓力脈動，而且利于改善運行范圍內的高部分負荷壓力脈動[10-12]。

2）空化對高部分負荷壓力脈動影響顯著，通過CFD調整葉片的壓力分布來提高空化性能，消除高部分負荷壓力脈動。

3）采用不同形狀泄水錐改善壓力脈動幅值，消減高部分負荷壓力脈動的能量。

圖4 模型葉片軸面簡圖

（2）拓寬穩定運行區域

1）通過適當加大負傾角趨勢，減小最優點單位流量，使轉輪額定點的單位流量與最優點單位流量的比值加大，來拓寬穩定運行區域；

2）葉柵稠密度和轉輪葉片出口環量分布規律的優化，有利于降低壓力脈動，改善空化性能，擴大了穩定運行的范圍[13]；

3）對轉輪葉片的進水邊和出水邊進行修型，使效率圈向水平方向擴展，擴寬高效區，運行范圍更優，高水頭區運行穩定。

（3）提高空化性能

1）優化轉輪葉片厚度變化規律，改變轉輪葉型幾何形狀尤其是葉片進水邊和出水邊附近葉型，優化轉輪葉片的壓力梯度分布，改善空化性能；

2）優化合理進出口環量的分布規律，提高葉片表面最低點壓力, 降低單位面積上的壓力負荷，使葉片低壓區的壓力梯度變化更為均勻，根本上消除局部空化區域，從而減小空化系數；

3）采用高清流態成像觀測技術，可以觀測轉輪進出口流態，包括正背面脫流、葉道渦、渦帶、空化等情況。確保在高水頭區域內葉片吸力面不出現空化和脫流，在低水頭區葉片壓力面不出現空化和脫流，在保證運行范圍內不出現發展的葉道渦和可見卡門渦。

（4）提高轉輪的疲勞壽命和抗裂紋能力

1）采用合理葉片翼型，優化葉片表面壓力分布規律，對高應力區的葉片翼型進行適當的改型,降低此處的葉片應力幅值，避免應力集中，提高葉片應力的安全系數，改善轉輪的抗裂紋能力，提高轉輪的使用壽命，防止產生裂紋。

2）對葉片根部和葉片出水邊與上冠和下環的結合處進行適當處理，比如加三角塊。改善應力分布，在優化設計階段對各部件進行詳細的剛強度校核計算，提高轉輪的安全裕量。

3）降低水輪機的比轉速和增大轉輪的出口直徑，降低葉片出口及表面的相對流速，改善活動導葉翼型，提高水輪機的抗泥沙磨損能力。

2 改善壓力脈動措施

主要從數值模擬及試驗研究兩種手段對豐滿電站的壓力脈動特性進行研究。

2.1 數值模擬

主要通過CFD手段分析研究了通過水力通道和模型轉輪的聯合計算，尾水管渦帶的頻率、轉輪特征參數、不同泄水錐和尾水管壓力脈動間關系，影響尾水管壓力脈動的因素進行擇優選擇[14-16]。如圖5~7所示。

圖5 轉輪方案a部分負荷渦流強度分布

圖6 轉輪方案b部分負荷渦流強度分布

圖7 優化泄水錐最優工況下橫截面壓力分布

2.2 試驗研究

試驗研究主要通過對優選出結果的進行模型試驗驗證和對比分析。找出理論和實際影響尾水管壓力脈動的因素。同時通過改變空化系數獲取尾水管、蝸殼進口、無葉區等關鍵部位壓力脈動頻率和幅值的變化規律，模型試驗水頭對尾水管壓力脈動的影響，不同形狀泄水錐對不同典型工況壓力脈動頻率和幅值的影響。如圖8~9所示。

圖8 泄水錐翼型對穩定性研究

圖9 泄水錐打孔對穩定性研究

3 結論

豐滿重建電站的穩定性能指標，是同一水頭段穩定性能指標最高的，通過CFD數值模擬及模型試驗對2套裝置，11個模型轉輪，若干種泄水錐的水力開發，最終的目標轉輪達到了性能指標要求，空化性能、壓力脈動等水力穩定性指標優異，達到了行業內頂尖水平。滿足了豐滿重建電站的運行特性。

[1] 王穎. 電力建設項目貨物招標采購評標方法研究[D]. 華北電力大學碩士論文, 2014.06.

[2] 姜盛吉, 等. 豐滿水電站重建工程壩區監測基準網優化設計[J]. 東北水利水電, 2015(8): 4~5.

[3] 劉光寧, 等. 混流式水輪機的水頭變幅和運行工況問題兼論三峽發電機若干問題[M]. 哈爾濱大電機研究所, 1995.

[4] 覃大清, 等. 關于混流式水輪機穩定性的幾點新認識[J]. 大電機技術，1998(3).

[5] 賀梅. 混流式機組水力振動研究與破壞原因分析[D]. 西安理工大學碩士論文, 2000.3.

[6] 劉勝柱, 等. 葉片幾何參數對水輪機穩定性的影響[J]. 水力發電學報, 2004(1): 92~94

[7] 田子勤. 改善三峽電站水輪機穩定性的技術措施[J]. 中國三峽建設, 1996(6): 12~13.

[8] 于德榮, 等. 提高混流式水輪機穩定性的措施[J].長春工程學院學報, 2008(9): 23~25.

[9] 陳瑋. 混流式水輪機穩定運行的主要水力因素分析[J]. 工業技術, 2014(2): 69.

[10] 錢敏. 降低混流式水輪機高部分負荷壓力脈動方法探討[J]. 東方電氣評論，2010(9): 25～30.

[11] 張穎杰, 等. 向家壩電站左岸壩后廠房水輪機參數的特點[J]. 大電機技術, 2012(1): 48~51

[12] 鄭源, 等. 混流式水輪機尾水管壓力脈動研究綜述[J]. 水力發電, 2007(2): 66~68.

[13] 李偉剛, 等. 三峽右岸水電站水輪機參數選擇研究[J]. 大電機技術, 2009(3): 38~40.

[14] 李龍庭. 混流式水輪機數值模擬研究與壓力脈動分析[D]. 浙江大學碩士論文, 2012.06.

[15] 劉宇, 等. 混流式水輪機三維非定常湍流計算[J].水力發電學報, 2004(4): 103~105.

[16] 羅興锜, 等. 混流式水輪機定常流動分析[J]. 機械工程學報, 2009(4): 209~213.

The Technical Measures for Improving Hydraulic Stability of Reconstruction of Fengman Power Station

WANG Xiangzhi, SHI Qian, WU Xidong

(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China;2. State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272000, China)

The fengman power station turbine rated output is 204MW,the variation range of head Hmax/Hmin=1.61 is more than that of conventional Francis turbine .The operating range of the unit is wider than the conventional power station. The unit needs frequent peak-frequency modulation in small loads, and the reconstruction of eight units need work in two different power grids for peak-frequency modulation ,therefore, the stability of the unit is higher, especially the partial load stability. The article combined with the operational characteristics of fengman power station, put forward the measures to improve the stability of the turbine during the model development, through experimental verification ,meet the operational characteristics of fengman power plant .

Francis turbine; reconstruction of Fengman power station; model runner; stability

TK730.2

A

1000-3983(2017)06-0062-04

2016-10-20

王向志（1986-），2013年畢業于華北電力大學（北京）動力機械及工程專業，從事水力機械開發工作。