某電站水輪機寬負荷高穩定性運行改造研究

2021-06-25 03:45:10李樹林高尚政魯銀中

水電站機電技術 2021年6期

馮凱，李樹林，常輝，高尚政，魯銀中

（1.天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州興義 562400；2.哈爾濱電機廠有限責任公司大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150000）

某電站[1]裝有4臺310 MW混流式水輪機，機組運行年限較長。目前運轉的轉輪型號老舊，技術水平落后，轉輪葉片多次出現裂紋，且機組穩定運行區域較窄。振動超標，噪音大，流態較差，局部脫流空蝕，存在尾水渦帶等，此種情況導致機組的安全穩定運行范圍較窄，機組相對穩定負荷區為210～270 MW負荷，在水頭140 m運行對應的穩定區域為（90%～100%）P（P為額定功率），額定水頭111 m時為（65%～100%）P，此運行穩定區域過于狹窄，可調節負荷區域受到限制，不利于機組的安全穩定運行及廠房的安全穩定性，不滿足人機功效的要求，從而也不能滿足電網的調頻輔助服務、兩個細則考核和電力市場的要求。

鑒于上述情況，根據電站實際運行動能參數和機組現運行特點，對機組設備進行優化改造，以拓寬機組的穩定運行區域，提高水輪機轉輪在不同工況下的運行能力，降低振擺、噪音，改善機組運行工況，保證電站的安全、穩定、高效運行，從而滿足電網的調頻輔助服務、兩個細則考核和電力市場的要求，提高電站的經濟效益。

1 電站改造技術方案

1.1 電站實際運行特點

電站現運行的轉輪代表了20世紀90年代中期的水輪機水力設計先進水平，最優效率達94.7%，在當時來看該轉輪的各項性能指標均比較優秀。但受制于當時設計理念、設計手段及流體分析技術等多方面的限制，該轉輪的總體性能還是存在很大的改進余地。目前從電站運行需要和先進的水力設計理念來看，該轉輪存在的不足主要有：

（1）沒有充分重視水頭變幅對機組穩定性的影響。在文獻[1]中，對國內外40多座裝有大型混流式水輪機的電站參數進行了統計，并提出觀點認為，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，各項水頭的比值接近或大于上限，有鑒于此，在水力設計時對機組的整體穩定性重視不夠或者說無法對整體穩定性進行深入研究，因此會造成現有轉輪運行范圍偏窄。

（2）對影響水力穩定性的不良流動控制不力。從原始轉輪綜合特性曲線來看，盡管在當時已經觀測到正背面脫流、葉道渦等不良流動，但受制于設計手段或設計思想的限制，并沒有將這些不利因素控制在運行范圍外，這也會在很大程度上影響機組的運行穩定性。

（3）比轉速偏高。電站選擇的比轉速接近正常值上限，顯得偏高，會對機組穩定性產生影響。

1.2 機組改造難點

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

（2）改造前轉輪的所用最優單位流量偏大，勢必會對部分負荷的穩定性產生影響，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，同時擴寬效率圈，拉長額定流量與最優流量的比值，注重部分負荷的穩定，實現大小負荷的性能兼顧。

（3）沒有完全適合的基礎轉輪，需要“量體裁衣”式的針對電站特點和要求進行全新的設計。

1.3 確定改造技術方案

（1）轉輪是整個水輪機的核心部件，轉輪設計的好壞直接決定了整個水輪機水力性能的好壞，進行轉輪改造時，著重注意部分負荷的穩定性。與原轉輪比，其最優單位流量向部分負荷偏移，提高部分負荷穩定性，并增加葉片數，增加葉片數能夠加強葉柵對水流的引導作用，并提高轉輪剛強度，同時葉片設計的更長，改變壓差做功的面積，提高葉片最低點壓力，進而提高了空化及葉片穩定性，軸面設計如圖1。

圖1 原轉輪軸面及改造轉輪軸面比較

（2）增加導葉分布圓直徑，并調整活動導葉與固定導葉的相位關系，從而降低導葉出口不均勻性對轉輪的影響（見圖2）。對頂蓋、底環進行相應改造，進一步優化水力性能；隨著導葉分布圓的擴大，轉輪進口直徑也可相應擴大，這有助于降低水力設計難度，改善部分負荷穩定性。

圖2 改造前后導葉分布圓及相位關系

（3）對于混流式水輪機來說，為了保證機組具有一定的安全裕度，對于新建電站，建議κ應在1.9以上。而電站轉輪κ值偏低，僅有1.57左右，因此在改造轉輪時，可對錐管進口進行調整，增加轉輪出口直徑及錐管進口段直徑預計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組的穩定性。

式中：κ—阿格萊系數；

NPSE—吸出高度；

通過以上分析論證，電站改造的技術方案為更換轉輪、活動導葉、頂蓋、底環和錐管進口段。

2 數值計算及結果分析

2.1 計算域及網格劃分

采用數值分析的方法主要是為了保證水輪機設計過程的每個階段獲得最優結果。

整體計算域劃分為3個主要部分，分別是葉輪、尾水管、導葉和蝸殼，利用三維造型軟件MDT及UG進行實體造型，之后使用TurboGrid進行網格劃分,網格采用六面體結構化網格，其中引水管計算的域網格數約為150萬，葉輪計算的域網格數約為300萬，蝸殼及導葉計算的域網格數約為200萬。應用流體計算軟件ANSYS-CFX進行模擬計算，蝸殼進口采用流量進口條件，蝸殼出口采用壓力出口條件。

轉輪動域與靜域間的交界面（Interface）使用非一致網格連接，采用stage界面傳遞模型進行模擬，其他邊界如蝸殼、葉輪、尾水管均采用無滑移壁面邊界條件。湍流模型采用RNG k-epsilon模型，求解控制參數選用high resolution，計算方法采用單流道、定常計算。