論高水頭水電站低噪聲減壓技術(shù)的研究與應(yīng)用

萬(wàn)雙民，周 剛，王天文，康 強(qiáng)，宋摯中

（1.天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司，貴州 興義 562400；2.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司西部檢修試驗(yàn)分公司，貴州 興義 562400；3.湘潭中基電站輔機(jī)制造有限公司，湖南 湘潭411100）

1 前言

天生橋二級(jí)水電站位于貴州省安龍縣與廣西壯族自治區(qū)隆林縣交界處的南盤江上，距貴陽(yáng)市約300 km，距昆明市約300 km，距南寧市約550 km。電站建筑物包括主廠房、上游副廠房、下游副廠房、廠房制冷站、中控樓、500 kV開關(guān)站、220 kV開關(guān)站。裝設(shè)6臺(tái)220 MW立軸混流式機(jī)組，機(jī)組最高水頭204 m，額定水頭176 m，最低水頭174 m，額定流量139.8 m3/s，額定轉(zhuǎn)速200 r/min，單機(jī)技術(shù)供水流量約1300 m3/h。天生橋二級(jí)水電站裝從1996年開始，機(jī)組自流減壓供水系統(tǒng)使用ZJY46H-25P DN300組合式減壓閥，通過(guò)一級(jí)減壓供水給到機(jī)組各用水點(diǎn)，20多年來(lái)減壓閥穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)量少。但ZJY46H型組合式減壓閥運(yùn)行時(shí)A計(jì)權(quán)分貝值最高達(dá)到107.5 dB，超過(guò)工業(yè)廠房日接觸時(shí)間8 h的接觸極限值85 dB。

ZJY46H型組合式減壓閥是專為復(fù)雜工況下運(yùn)行的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的減壓設(shè)備。減壓閥是通過(guò)改變節(jié)流錐開度來(lái)調(diào)節(jié)壓力和流量，以減小過(guò)流面積達(dá)到減壓目的。當(dāng)進(jìn)口壓力或流量發(fā)生變化時(shí)，減壓閥靠介質(zhì)本身的能量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持出口壓力為原設(shè)定好的低壓值。主要功能有：減壓、穩(wěn)壓、調(diào)壓，鎖定出口壓力，反饋系統(tǒng)反沖排污，互為備用雙反饋系統(tǒng)。

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基電站輔機(jī)制造有限公司（以下簡(jiǎn)稱“湘潭中基”），通過(guò)對(duì)在運(yùn)ZJY46H型組合式減壓閥的調(diào)研、理論分析基礎(chǔ)上，使用ANSYS-CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)科技項(xiàng)目“高水頭水電站大減壓比低噪聲活塞式減壓技術(shù)的研究與應(yīng)用（以下簡(jiǎn)稱“低噪聲減壓技術(shù)”）”共同研發(fā)，科技項(xiàng)目編號(hào)為：020100KK52180001。計(jì)劃設(shè)計(jì)低噪聲減壓技術(shù)的ZJY46H型組合式減壓閥，在天生橋二級(jí)水電站運(yùn)行工況下，距其1 m處測(cè)定的運(yùn)行噪聲需比原來(lái)107.5 dB降低8%。

2 CFD模擬理論與參數(shù)選擇

ZJY46H型組合式減壓閥內(nèi)部的流動(dòng)為高強(qiáng)度的湍流，湍流狀態(tài)下流場(chǎng)中出現(xiàn)許多漩渦，湍流場(chǎng)中的物理量出現(xiàn)隨機(jī)的不規(guī)則脈動(dòng)的特征。流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲研究的前提需要對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算，盡可能捕捉流場(chǎng)中存在的漩渦及壓力脈動(dòng)，目前流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分為直接和間接數(shù)值模擬兩種。其中直接數(shù)值模擬雖然對(duì)流場(chǎng)的模擬最精確，但是該方法計(jì)算量過(guò)大，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，較難用于工程問(wèn)題,做理論研究也不方便。工程上主要利用間接方法，較為常用的有Reynolds平均法和大渦模擬。大渦模擬在進(jìn)行湍流模擬時(shí)，將大于網(wǎng)格尺度湍流和小尺度渦分別采用不同的方法進(jìn)行模擬。大渦模擬的本質(zhì)是介于直接法和間接法之間的一種模擬方法。相對(duì)于直接數(shù)值模擬它更節(jié)約計(jì)算資源，對(duì)于間接模擬其彌補(bǔ)了Reynolds平均法所疏漏的非穩(wěn)態(tài)。雖然大渦模擬能夠捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，但計(jì)算資源的消耗仍然非常高。工程上廣泛采用計(jì)算資源相對(duì)較小且滿足計(jì)算精度的Reynolds平均法。

非穩(wěn)態(tài)的RANS（Reynolds Average Navier-Stokes equations）方程如下：

Ui為沿i方向上的速度，ρ為流體密度，v為渦粘度，Ui與分別為時(shí)間和脈動(dòng)速度為Reynolds應(yīng)力張量。

模擬采用k-ω SST湍流模型來(lái)封閉方程：

vt表示湍動(dòng)渦粘度，為待求量，Sij為變形率張量，δijk為 Kronecker符號(hào)。

k-ω SST湍流模型中湍動(dòng)粘度和比耗散率的輸運(yùn)方程如下：

分析軟件中F1、F2、Pk、CDkw、α1、α2、β1、β2、β*、σk1、σk2、σw1等均為方程組閉合系數(shù)。

表1 模型/條件列表

低噪聲減壓技術(shù)通過(guò)ANSYS-CFD數(shù)值模擬技術(shù)，選擇表1模型與條件，通過(guò)計(jì)算得出主閥的壓力、流速、噪聲、汽蝕分布。

3 ZJY46H型組合式減壓閥噪聲分析

閥門通常噪聲主要有機(jī)械振動(dòng)噪聲、流體動(dòng)力噪聲。ZJY46H型組合式減壓閥內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)剛性大，一般不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)噪聲，因此減壓閥噪聲主要是流體動(dòng)力噪聲，即：液體流動(dòng)噪聲和空化（汽蝕）噪聲。液體流動(dòng)噪聲是水流在節(jié)流錐的節(jié)流口處流速增高，并于下游節(jié)流錐附近形成強(qiáng)烈的湍流所致。

空化（汽蝕）噪聲，液體流過(guò)節(jié)流口流速增加，從而內(nèi)部靜壓降低。當(dāng)流速大于液體的臨界速度時(shí)，靜壓小于液體的飽和蒸汽壓，則液體局部出現(xiàn)汽化，并加上低壓時(shí)空氣析出，二者形成氣泡。氣泡隨流體流動(dòng)，在節(jié)流錐下游流速降低，靜壓升高，氣泡爆裂，產(chǎn)生空化噪聲。此時(shí)氣泡爆裂后產(chǎn)生的微小流體以極高的速度撞擊節(jié)流錐表面，將產(chǎn)生汽蝕和汽蝕噪聲。有資料表明，空化噪聲的聲功率與流速的7次方或8次方成正比。

4 低噪聲減壓技術(shù)研發(fā)思路

CFD模擬計(jì)算與分析得知原ZJY46H型組合式減壓閥以液體流動(dòng)噪聲和空化(汽蝕)噪聲為主。要實(shí)現(xiàn)減壓閥降噪，降低減壓閥節(jié)流口處過(guò)高的流體流速就成為關(guān)鍵。同時(shí)，因?yàn)橐ＷC通過(guò)減壓閥的流量不變，因而在降低節(jié)流口流速時(shí)，節(jié)流錐的開度需要增加，說(shuō)明節(jié)流錐上游要增加消耗流體能量的裝置，建立合理的流場(chǎng)，這樣就可以有效地實(shí)現(xiàn)減壓閥降噪。

當(dāng)減壓閥進(jìn)出口壓差大而產(chǎn)生較高流體動(dòng)力噪聲時(shí)，減壓閥增加降噪套筒和優(yōu)化節(jié)流錐密封面角度即可實(shí)現(xiàn)減壓閥降噪目的。通過(guò)降噪套筒的過(guò)流孔增加流阻使節(jié)流錐上部壓力降低到P1.1，然后通過(guò)主閥節(jié)流錐減壓到P2；使主閥開度增加，降低節(jié)流口流速，同時(shí)噪聲降低；通過(guò)優(yōu)化節(jié)流錐密封面角度減少汽蝕現(xiàn)象。

5 ZJY46H型組合式減壓閥CFD模擬計(jì)算

ZJY46H型組合式減壓閥為原型結(jié)構(gòu)為一級(jí)減壓閥，通過(guò)閥座與節(jié)流改變節(jié)流錐開度來(lái)調(diào)節(jié)壓力和流量，以減小過(guò)流面積達(dá)到減壓目的。減壓閥進(jìn)口壓力設(shè)定為1.9 MPa，通過(guò)節(jié)流錐一級(jí)減壓到整定壓力0.7 MPa，流量設(shè)定為1 200 m3/h。節(jié)流口圓角為R1,節(jié)流錐角度為12°。

ZJY46H型組合式減壓閥通過(guò)ANSYS-CFD模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為主閥開度為15.5 mm，節(jié)流口最高流速為61 m/s，模擬噪聲為101 dB，節(jié)流錐有嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象。

圖1 ZJY46H型組合式減壓閥原型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 CFD壓力分布計(jì)算結(jié)果

圖3 CFD噪聲計(jì)算結(jié)果

圖4 CFD汽蝕計(jì)算結(jié)果

天生橋二級(jí)水電站6臺(tái)ZJY46H型組合式減壓閥現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行噪聲為97～106 dB，平均噪聲為101 dB；CFD模擬計(jì)算的噪聲值為101 dB與實(shí)際運(yùn)行噪聲值非常接近。根據(jù)CFD模擬計(jì)算一級(jí)減壓閥的噪聲源為閥座過(guò)流口和節(jié)流錐密封面的汽蝕噪聲；同時(shí)主閥開度過(guò)小，使節(jié)流口的流速過(guò)高。節(jié)流錐角度和主閥開度都有優(yōu)化空間。

6 低噪聲減壓技術(shù)研發(fā)方案

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司研發(fā)的低噪聲減壓技術(shù)，將原ZJY46H型組合式減壓閥主閥閥座4個(gè)筋板取消；新增降噪套筒、新角度節(jié)流錐和整流罩。降噪套筒設(shè)計(jì)Φ8 mm過(guò)流孔，壁厚為10 mm，過(guò)流孔選擇周向靠上三角形排列；進(jìn)口壓力從1.9 MPa減壓到1.4 MPa,節(jié)流錐從1.4 MPa減到0.7 MPa，滿足1 200 m3/h流量要求。如圖1、圖5所示。

圖5 低噪聲減壓技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

低噪聲減壓技術(shù)方案通過(guò)ANSYS-CFD模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為主閥開度從15.5 mm增加到20 mm，開度增加了29%；節(jié)流口最高流速?gòu)?1 m/s降低到52 m/s，降噪套筒過(guò)流孔流速為30 m/s；減壓閥噪聲源為節(jié)流口模擬噪聲為89 dB；節(jié)流錐無(wú)汽蝕現(xiàn)象。

根據(jù)低噪聲減壓技術(shù)研究要求，我們采用先進(jìn)的 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算分析減壓閥的流場(chǎng)、噪聲、汽蝕。研究了減壓閥內(nèi)部流動(dòng)特性、汽蝕特性和噪聲特性。天生橋二級(jí)水電站減壓閥進(jìn)口壓力為1.9 MPa，出口壓力為0.7 MPa，流量為1 200 m3/h的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)的低噪聲減壓技術(shù)方案，目前通過(guò)CFD 計(jì)算結(jié)果表明，節(jié)流錐無(wú)汽蝕現(xiàn)象，運(yùn)行噪聲從107 dB下降到89 dB，降低了16.8 %，滿足合同降噪8%要求。

圖6 CFD壓力計(jì)算結(jié)果

圖7 CFD流速計(jì)算結(jié)果

圖8 CFD噪聲計(jì)算結(jié)果

圖9 CFD汽蝕計(jì)算結(jié)果

根據(jù)低噪聲減壓技術(shù)研究要求，我們采用先進(jìn)的 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算分析減壓閥的流場(chǎng)、噪聲、汽蝕。研究了減壓閥內(nèi)部流動(dòng)特性、汽蝕特性和噪聲特性。天生橋二級(jí)水電站減壓閥進(jìn)口壓力為1.9 MPa，出口壓力為0.7 MPa，流量為1 200 m3/h的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)的低噪聲減壓技術(shù)方案，目前通過(guò)CFD 計(jì)算結(jié)果表明，節(jié)流錐無(wú)汽蝕現(xiàn)象，運(yùn)行噪聲從107 dB下降到89 dB，降低了16.8%，滿足合同降噪8%要求。

7 低噪聲減壓技術(shù)中期檢查

2019年12月06日，天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司在湖南省長(zhǎng)沙市組織召開了科技項(xiàng)目“高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)的研究與應(yīng)用”中期檢查會(huì)議，專家組聽取了項(xiàng)目階段工作總結(jié)報(bào)告、技術(shù)研究報(bào)告等，開展了現(xiàn)場(chǎng)工廠試驗(yàn)，檢查了經(jīng)費(fèi)支出情況表及相關(guān)材料。

科技項(xiàng)目低噪聲減壓技術(shù)中期檢查工廠試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)配置1 600 kW電機(jī)，水泵揚(yáng)程為300 m；管道為DN300，設(shè)計(jì)旁通管道、電磁流量計(jì)、減壓閥進(jìn)出口配置耐震壓力表、節(jié)流閥和低噪聲減壓技術(shù)。噪聲測(cè)量點(diǎn)離減壓閥標(biāo)志面的反饋系統(tǒng)1 m處，耐震壓力表安裝離減壓閥1.5 m位置，電磁閥安裝離減壓閥3 m位置，減壓閥穩(wěn)流段長(zhǎng)度為3 m。通過(guò)對(duì)節(jié)流閥、旁通管道、電機(jī)變頻調(diào)節(jié)，滿足天生橋二級(jí)減壓閥進(jìn)口壓力1.8～2.0 MPa變化，流量為1 100～1 300 m3/h變化，出口壓力為0.7 MPa的運(yùn)行工況。檢驗(yàn)低噪聲減壓技術(shù)的壓力特性、流量特性、噪聲，確定低噪聲減壓技術(shù)降噪效果。

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司初步設(shè)計(jì)的科技項(xiàng)目低噪聲減壓技術(shù)，低噪聲減壓技術(shù)壓力特性進(jìn)口壓力2.0～1.8 MPa變化，流量為1 200 m3/h；出口壓力偏差值小于出口壓力的5%。低噪聲減壓技術(shù)流量特性進(jìn)口壓力為1.9 MPa，流量為1 100～1 300 m3/h變化；出口壓力偏差值小于出口壓力的10%。工廠試驗(yàn)測(cè)定噪聲為83～86 dB,與電站現(xiàn)場(chǎng)原減壓閥噪聲107 dB相比降低了19.6%～22.4%，優(yōu)于計(jì)劃任務(wù)書降低8%的預(yù)期效果。

8 天生橋二級(jí)水電站-試運(yùn)行試驗(yàn)

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司設(shè)計(jì)在ZJY46H型組合式減壓閥主閥內(nèi)的低噪聲減壓技術(shù)（編號(hào)17-75-59），2020年5月20日安裝在天生橋二級(jí)水電站2號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管道，順利完成調(diào)試。通過(guò)電站復(fù)雜工況檢驗(yàn)低噪聲減壓技術(shù)壓力特性、流量特性和運(yùn)行噪聲，同時(shí)確認(rèn)CFD數(shù)值模擬理論數(shù)據(jù)與電站實(shí)際數(shù)據(jù)的差異。

低噪聲減壓技術(shù)完成調(diào)試后，按合同要求對(duì)低噪聲減壓技術(shù)進(jìn)行電站試運(yùn)行試驗(yàn)。試運(yùn)行時(shí)間為2020年5月20日～2020年5月24日，共計(jì)5 d（120 h）；每天按試運(yùn)行記錄表要求測(cè)量2組數(shù)據(jù)。

根據(jù)低噪聲減壓技術(shù)試運(yùn)行數(shù)據(jù)可看出減壓閥進(jìn)口壓力、流量變化時(shí)，減壓閥出口壓力穩(wěn)定，運(yùn)行噪聲為90～93 dB，運(yùn)行噪聲從107 dB降低了13%～15.8%滿足合同降噪8%要求；低噪聲減壓技術(shù)CFD數(shù)值模擬噪聲為89 dB，CFD數(shù)值模擬與試運(yùn)行噪聲非常接近，說(shuō)明CFD模擬的正確性。因此第三階段高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)滿足合同技術(shù)要求。

9 天生橋二級(jí)水電站-真機(jī)時(shí)效試運(yùn)行試驗(yàn)

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司設(shè)計(jì)在ZJY46H型組合式減壓閥主閥內(nèi)的低噪聲減壓技術(shù)（編號(hào) 17-75-59），2020年 5月 24日安裝在天生橋二級(jí)水電站2號(hào)機(jī)組技術(shù)供水管道，順利完成試運(yùn)行。根據(jù)技術(shù)合同的計(jì)劃書要求低噪聲減壓技術(shù)，電站真機(jī)時(shí)效運(yùn)行時(shí)間不得低于120 d（2 880 h）。經(jīng)雙方同意時(shí)效運(yùn)行時(shí)間從2020年5月24日～2020年10月10日，時(shí)效運(yùn)行共計(jì)3 288 h。2020年10月10日按真機(jī)時(shí)效運(yùn)行記錄表要求測(cè)量2組數(shù)據(jù)。

高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)時(shí)效運(yùn)行時(shí)間從2020年5月24日～2020年10月10日，時(shí)效運(yùn)行共計(jì)137 d（3 288 h）。根據(jù)2020年10月10日按時(shí)效運(yùn)行記錄表數(shù)據(jù)，減壓閥進(jìn)口壓力從1.9 MPa下降到1.70 MPa,減壓閥出口壓力為0.7 MPa，流量為1 233 m3/h工況時(shí)，減壓運(yùn)行噪聲為89.5 dB。

高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)目前為第四階段，時(shí)效運(yùn)行時(shí)間從2020年5月24日～2020年10月10日，時(shí)效運(yùn)行共計(jì)137 d（3 288 h）。減壓閥時(shí)效運(yùn)行噪聲從107 dB下降到89.5 dB，降低了16.3%，滿足合同降噪8%要求；高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)CFD數(shù)值模擬電站工況時(shí)，模擬噪聲為89 dB；CFD數(shù)值模擬與時(shí)效運(yùn)行噪聲非常接近，說(shuō)明CFD模擬的正確性。因此，第四階段高水頭水電站大減壓比低噪聲減壓技術(shù)滿足合同技術(shù)要求。

10 結(jié)論

天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司和湘潭中基公司合作研發(fā)的低噪聲減壓技術(shù)，采用先進(jìn)的CFD數(shù)值模擬技術(shù)分析減壓閥的流場(chǎng)、噪聲、汽蝕，研究了減壓閥內(nèi)部流動(dòng)特性、汽蝕特性和噪聲特性。通過(guò)ANSYS-CFD數(shù)值模擬設(shè)計(jì)、專家組中期檢查、水電站試運(yùn)行、水電站真機(jī)時(shí)效運(yùn)行，目前在天生橋二級(jí)水電站2號(hào)機(jī)組技術(shù)供水減壓閥設(shè)計(jì)的低噪聲減壓技術(shù)穩(wěn)定運(yùn)行至今。低噪聲減壓技術(shù)設(shè)計(jì)在ZJY46H型組合式減壓閥主閥內(nèi)，傳承了減壓、穩(wěn)壓、調(diào)壓、鎖定出口壓力、反饋系統(tǒng)反沖排污、互為備用雙反饋系統(tǒng)等主要特性，同時(shí)運(yùn)行噪聲從107 dB下降到89.5 dB，降低了16.3%，噪聲性能優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品；在汽蝕方面通過(guò)節(jié)流錐角度的調(diào)整，完全化解了節(jié)流錐的汽蝕現(xiàn)象，降噪同時(shí)還增加了節(jié)流錐的使用壽命。