某電站水輪機(jī)寬負(fù)荷高穩(wěn)定性運(yùn)行改造研究

馮 凱，李樹(shù)林，常 輝，高尚政，魯銀中

（1.天生橋一級(jí)水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150000）

某電站[1]裝有4臺(tái)310 MW混流式水輪機(jī)，機(jī)組運(yùn)行年限較長(zhǎng)。目前運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪型號(hào)老舊，技術(shù)水平落后，轉(zhuǎn)輪葉片多次出現(xiàn)裂紋，且機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較窄。振動(dòng)超標(biāo)，噪音大，流態(tài)較差，局部脫流空蝕，存在尾水渦帶等，此種情況導(dǎo)致機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍較窄，機(jī)組相對(duì)穩(wěn)定負(fù)荷區(qū)為210～270 MW負(fù)荷，在水頭140 m運(yùn)行對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定區(qū)域?yàn)椋?0%～100%）P（P為額定功率），額定水頭111 m時(shí)為（65%～100%）P，此運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)域過(guò)于狹窄，可調(diào)節(jié)負(fù)荷區(qū)域受到限制，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行及廠房的安全穩(wěn)定性，不滿足人機(jī)功效的要求，從而也不能滿足電網(wǎng)的調(diào)頻輔助服務(wù)、兩個(gè)細(xì)則考核和電力市場(chǎng)的要求。

鑒于上述情況，根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行動(dòng)能參數(shù)和機(jī)組現(xiàn)運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，以拓寬機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在不同工況下的運(yùn)行能力，降低振擺、噪音，改善機(jī)組運(yùn)行工況，保證電站的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，從而滿足電網(wǎng)的調(diào)頻輔助服務(wù)、兩個(gè)細(xì)則考核和電力市場(chǎng)的要求，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1 電站改造技術(shù)方案

1.1 電站實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)

電站現(xiàn)運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪代表了20世紀(jì)90年代中期的水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)先進(jìn)水平，最優(yōu)效率達(dá)94.7%，在當(dāng)時(shí)來(lái)看該轉(zhuǎn)輪的各項(xiàng)性能指標(biāo)均比較優(yōu)秀。但受制于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)手段及流體分析技術(shù)等多方面的限制，該轉(zhuǎn)輪的總體性能還是存在很大的改進(jìn)余地。目前從電站運(yùn)行需要和先進(jìn)的水力設(shè)計(jì)理念來(lái)看，該轉(zhuǎn)輪存在的不足主要有：

（1）沒(méi)有充分重視水頭變幅對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響。在文獻(xiàn)[1]中，對(duì)國(guó)內(nèi)外40多座裝有大型混流式水輪機(jī)的電站參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并提出觀點(diǎn)認(rèn)為，電站的水頭變幅Hmax/Hmin不宜大于1.65；Hmax/Hp不宜小于1.16；Hmax/Hr不宜大于1.2；Hmin/Hp不宜小于0.64。而某電站額定水頭Hr=111 m，最大水頭Hmax=143 m， 最小水頭Hmin=83 m，加權(quán)平均水頭Ha=126.65 m。這樣某電站的Hmax/Hmin=1.723，Hmax/Hp=1.129，Hmax/Hr=1.288，Hmin/Hp=0.655，各項(xiàng)水頭的比值接近或大于上限，有鑒于此，在水力設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)機(jī)組的整體穩(wěn)定性重視不夠或者說(shuō)無(wú)法對(duì)整體穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，因此會(huì)造成現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍偏窄。

（2）對(duì)影響水力穩(wěn)定性的不良流動(dòng)控制不力。從原始轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線來(lái)看，盡管在當(dāng)時(shí)已經(jīng)觀測(cè)到正背面脫流、葉道渦等不良流動(dòng)，但受制于設(shè)計(jì)手段或設(shè)計(jì)思想的限制，并沒(méi)有將這些不利因素控制在運(yùn)行范圍外，這也會(huì)在很大程度上影響機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）比轉(zhuǎn)速偏高。電站選擇的比轉(zhuǎn)速接近正常值上限，顯得偏高，會(huì)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

1.2 機(jī)組改造難點(diǎn)

（1）由于水頭變幅大，在保證高水頭部分負(fù)荷穩(wěn)定性、避免葉片背面脫流進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、控制葉道渦范圍的同時(shí)，還要兼顧低水頭壓力脈動(dòng)。

（2）改造前轉(zhuǎn)輪的所用最優(yōu)單位流量偏大，勢(shì)必會(huì)對(duì)部分負(fù)荷的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，由于有額定功率及效率的限制，水力方案要保證改造后的額定出力及額定效率外，同時(shí)擴(kuò)寬效率圈，拉長(zhǎng)額定流量與最優(yōu)流量的比值，注重部分負(fù)荷的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)大小負(fù)荷的性能兼顧。

（3）沒(méi)有完全適合的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，需要“量體裁衣”式的針對(duì)電站特點(diǎn)和要求進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。

1.3 確定改造技術(shù)方案

（1）轉(zhuǎn)輪是整個(gè)水輪機(jī)的核心部件，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的好壞直接決定了整個(gè)水輪機(jī)水力性能的好壞，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪改造時(shí)，著重注意部分負(fù)荷的穩(wěn)定性。與原轉(zhuǎn)輪比，其最優(yōu)單位流量向部分負(fù)荷偏移，提高部分負(fù)荷穩(wěn)定性，并增加葉片數(shù)，增加葉片數(shù)能夠加強(qiáng)葉柵對(duì)水流的引導(dǎo)作用，并提高轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度，同時(shí)葉片設(shè)計(jì)的更長(zhǎng)，改變壓差做功的面積，提高葉片最低點(diǎn)壓力，進(jìn)而提高了空化及葉片穩(wěn)定性，軸面設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 原轉(zhuǎn)輪軸面及改造轉(zhuǎn)輪軸面比較

（2）增加導(dǎo)葉分布圓直徑，并調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉的相位關(guān)系，從而降低導(dǎo)葉出口不均勻性對(duì)轉(zhuǎn)輪的影響（見(jiàn)圖2）。對(duì)頂蓋、底環(huán)進(jìn)行相應(yīng)改造，進(jìn)一步優(yōu)化水力性能；隨著導(dǎo)葉分布圓的擴(kuò)大，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑也可相應(yīng)擴(kuò)大，這有助于降低水力設(shè)計(jì)難度，改善部分負(fù)荷穩(wěn)定性。

圖2 改造前后導(dǎo)葉分布圓及相位關(guān)系

（3）對(duì)于混流式水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，為了保證機(jī)組具有一定的安全裕度，對(duì)于新建電站，建議κ應(yīng)在1.9以上。而電站轉(zhuǎn)輪κ值偏低，僅有1.57左右，因此在改造轉(zhuǎn)輪時(shí)，可對(duì)錐管進(jìn)口進(jìn)行調(diào)整，增加轉(zhuǎn)輪出口直徑及錐管進(jìn)口段直徑預(yù)計(jì)κ可以從1.57提高到1.9左右。空化性能的改善有利于提高機(jī)組的穩(wěn)定性。

式中：κ—阿格萊系數(shù)；

NPSE—吸出高度；

通過(guò)以上分析論證，電站改造的技術(shù)方案為更換轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)和錐管進(jìn)口段。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

采用數(shù)值分析的方法主要是為了保證水輪機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的每個(gè)階段獲得最優(yōu)結(jié)果。

整體計(jì)算域劃分為3個(gè)主要部分，分別是葉輪、尾水管、導(dǎo)葉和蝸殼，利用三維造型軟件MDT及UG進(jìn)行實(shí)體造型，之后使用TurboGrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中引水管計(jì)算的域網(wǎng)格數(shù)約為150萬(wàn)，葉輪計(jì)算的域網(wǎng)格數(shù)約為300萬(wàn)，蝸殼及導(dǎo)葉計(jì)算的域網(wǎng)格數(shù)約為200萬(wàn)。應(yīng)用流體計(jì)算軟件ANSYS-CFX進(jìn)行模擬計(jì)算，蝸殼進(jìn)口采用流量進(jìn)口條件，蝸殼出口采用壓力出口條件。

轉(zhuǎn)輪動(dòng)域與靜域間的交界面（Interface）使用非一致網(wǎng)格連接，采用stage界面?zhèn)鬟f模型進(jìn)行模擬，其他邊界如蝸殼、葉輪、尾水管均采用無(wú)滑移壁面邊界條件。湍流模型采用RNG k-epsilon模型，求解控制參數(shù)選用high resolution，計(jì)算方法采用單流道、定常計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)電廠現(xiàn)使用轉(zhuǎn)輪與改造方案的幾個(gè)典型工況進(jìn)行了CFD計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

2.2.1 原轉(zhuǎn)輪計(jì)算結(jié)果

（1）額定水頭額定出力工況計(jì)算結(jié)果

在額定工況，葉片工作面和背面的壓力分布比較合理，壓力變化均勻，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流態(tài)比較合理，不存在明顯回流、渦流現(xiàn)象，如圖3～圖6。

圖3 葉片工作面壓力分布

圖4 葉片背面壓力分布

圖5 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖6 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

（2）最大水頭部分負(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果

在本工況，葉片工作面壓力分布比較合理，葉片背面壓力分布較差，存在明顯低壓區(qū)，同時(shí)葉片背面頭部有明顯渦流現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，對(duì)電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，如圖7～圖10。

圖7 葉片工作面壓力分布

圖8 葉片背面壓力分布

圖9 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖10 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

（3）額定水頭部分負(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果

在本工況，葉片工作面壓力分布比較合理，葉片背面出水邊靠近下環(huán)側(cè)存在低壓區(qū)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部總體流態(tài)較差，在葉片背面頭部有渦流現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，可能影響電站的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，如圖11～圖14 。

圖11 葉片工作面壓力分布

圖12 葉片背面壓力分布

圖13 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖14 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

2.2.2 改造方案轉(zhuǎn)輪計(jì)算結(jié)果

（1）額定水頭額定出力工況計(jì)算結(jié)果

在額定工況，與原轉(zhuǎn)輪相比，葉片工作面和背面的壓力分布更為均勻合理，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流態(tài)非常合理，不存在回流、渦流現(xiàn)象，如圖15～圖18。

圖15 葉片工作面壓力分布

圖16 葉片背面壓力分布

圖17 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖18 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

（2）最大水頭部分負(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果

在本工況，葉片工作面和背面壓力分布均勻。與原轉(zhuǎn)輪相比，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)明顯改善，并且沒(méi)有渦流和回流現(xiàn)象，如圖19～圖22。

圖19 葉片工作面壓力分布

圖20 葉片背面壓力分布

圖21 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖22 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

（3）額定水頭部分負(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果

在本工況，葉片工作面和背面壓力分布均勻，與原轉(zhuǎn)輪相比，內(nèi)部流態(tài)比較合理，無(wú)渦流和回流現(xiàn)象，如圖23～圖26。

圖23 葉片工作面壓力分布

圖24 葉片背面壓力分布

圖25 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流線分布

圖26 轉(zhuǎn)輪速度矢量分布

3 結(jié)論

通過(guò)全面的CFD計(jì)算以及對(duì)比分析可以得到以下結(jié)論：

（1）改造方案轉(zhuǎn)輪在部分負(fù)荷穩(wěn)定性方面比電站正在運(yùn)行轉(zhuǎn)輪更好。從CFD計(jì)算結(jié)果可以看出該轉(zhuǎn)輪在額定水頭部分負(fù)荷、最大水頭部分負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片壓力分布均勻，流線光順，葉道間沒(méi)有渦流現(xiàn)象，能夠滿足電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需求。

（2）對(duì)比轉(zhuǎn)輪改造前后在額定工況下葉片背面最低壓力，改造前葉片背面最低壓力大約為-100 000 Pa，改造后葉片背面最低壓力大約為-80 000 Pa,說(shuō)明通過(guò)改造錐管進(jìn)口段直徑來(lái)改善空化性能的方向是正確的。

（3）拓寬了機(jī)組的穩(wěn)定負(fù)荷范圍，使電站積極的參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，為電廠獲得更高的收益，同時(shí)可消除設(shè)備存在的重大安全隱患，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。