某水電站水輪機超出力運行研究

陳文清，韋正鵬，劉 陽

（1.福建華電福瑞能源有限公司池潭水力發電廠，福建 三明 354400；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 前言

水電站主要是依靠水電的勢能轉換為水輪機的機械能，再將水輪機的機械能轉化為電能，其電站的來水量與水能利用率直接影響電站的經濟效益[1]。針對某些電站，由于設計年代較為久遠，水情信息變化較大，汛期棄水量大，且棄水時間長，水能利用率較低，電站經濟損失嚴重[2]。因此，針對汛期展開機組超出力研究顯得十分必要。展開機組超出力研究第一步首先需要針對水輪機超出力運行進行分析，目前很多專業技術人員也針對水輪機展開過大量研究。康永剛 等[3]利用數值計算軟件，分析某水輪機在高水頭條件下超10%出力工況下運行狀態數據，所得尾水管脈動壓力、轉輪葉片靜應力等均滿足規范要求，論證了該水輪機在一定高水頭區域超出力運行可行性。張冬生 等[4]對某大型水電站機組超出力運行背景、超出力運行功率可行性及超出力運行不利因素等做了深入分析，對水電機組超出力運行控制措施做了詳細總結敘述。楊寧湖[5]在保證機組安全運行的前提下，從機組運行的安全性與穩定性方面考慮，對機組超額定出力運行的可行性進行論證，最終得出單機容量為80 MW機組具備超5 MW運行的條件。劉錦濤 等[6]為防止超出力工況下轉輪內流體流速過高，出現脫流現象，進而導致無葉區壓力脈動的升高，研究了水泵水輪機在超出力工況下運行時的水力穩定性。利用仿真軟件對在110%額定功率下運行的模型機組進行數值模擬，得出了超出力工況下的水泵水輪機內流場以及壓力脈動，并針對導葉流域的壓力脈動演化規律進行分析。

本文針對某水電站棄水量大、棄水時間長等現象，對機組進行全流道數值仿真分析、空化性能分析、穩定性與剛強度分析，結合相關理論與電站實際情況，分析該水電站水輪機進行超出力運行的可行性，為電站超出力運行提供可靠的理論依據，提高電站的經濟效益。

1 研究方法

1.1 控制方程

質量守恒方程可表示為：

式中：u、v、w分別表示速度矢量u在x、y、z方向的分量。

動量方程可表示為：

式中：u為速度，p為壓力，ρ為水的密度，為1 000 kg/m3，τ為雷諾應力，μ為動力黏度，S為源項。

1.2 流固耦合計算

當考慮流體域對固體域作用時，其結構動力學方程可表示為：

式中：M為質量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，Q為節點載荷矩陣，為系統內各節點的位移矢量、速度矢量與加速度矢量。

2 模型網格建立與邊界條件設定

2.1 電站參數

電站水輪機額定功率為37.5 MW的豎軸混流式水輪機，額定水頭48 m，水輪機型號為HLA551c-LJ-310，由哈爾濱電機廠有限責任公司生產，水輪機設備具體參數見表1所示。

表1 電站水輪機設備主要技術參數

2.2 模型建立與網格劃分

2.2.1 物理模型建立

根據電站相關資料，采用商業軟件對水輪機全流道進行幾何造型。整體計算域幾何模型及其各過流部件如圖1、圖2所示。

圖1 整體計算域幾何模型

圖2 各過流部件幾何模型

2.2.2 網格劃分

為了準確的模擬水輪機各過流部件內部流動，并且在數值計算盡量減少誤差，采用高精度六面體網格對各過流部件進行網格劃分。為了消除網格數量對計算結果所引起的誤差，本文對研究模型所采用的網格進行網格無關性計算驗證，最終確定網格數量級為600萬[7]，各過流部件網格如圖3所示。

圖3 各過流部件網格

2.3 邊界條件的設定

采用ANSYS CFX水輪機各過流部件的內部流動進行數值模擬，進口邊界為蝸殼進口斷面，指定總壓為邊界條件，出口邊界為尾水管出口斷面。湍流模型采用能較好的預測及模擬分離渦的SST k-ω模型，以最大殘差小于0.000 1做為計算收斂的唯一標準。CFD計算邊界條件如表2所示。

表2 計算邊界條件

3 水輪機超出力運行分析

3.1 工況點選取

為分析該電站水輪機超出力運行的可行性，本文選取3個工況點進行超出力分析，各工況點具體信息如表3所示。

表3 超出力運行分析工況點

3.2 流場分析

由于超出力主要考驗轉輪的水力性能，因此本次流場分析主要針對轉輪展開。超出力工況下，轉輪葉片壓力場圖與內流線圖如圖4~圖6所示。從CFD分析結果來看，在3種工況下，轉輪壓力分布均勻，有良好的壓力梯度，轉輪高壓區主要集中在轉輪正面進水邊位置，低壓區域面積較少；轉輪內部流線光滑順暢，無明顯脫流現象產生。因此可以看出在這3種超出力工況下運行時，轉輪整體流態分布良好，可以滿足機組超出力運行要求。

圖4 工況1轉輪葉片壓力云圖與內流線圖

圖5 工況2轉輪葉片壓力云圖和內流線圖

圖6 工況3轉輪葉片壓力云圖和內流線圖

3.3 水輪機空化性能復核

本次超出力運行研究是通過利用原導葉開度設計余量，增加轉輪過流量實現水輪機超出力運行。采用此種措施增加出力，實際上就是加大了轉輪的使用單位流量，導致轉輪空化系數增加，空化裕量減少，需對轉輪增加出力前后各個工況點的空化性能變化進行復核分析。根據計算得到各超出力工況點參數統計見表4，HLA511C轉輪模型曲線見圖7，主要工況點空化系數見表5。

圖7 HLA511C轉輪模型運轉特性曲線

表4 計算工況點參數

表5 模型轉輪空化系數

根據機組運行工況點并結合HLA551C模型曲線，電站導葉中心線高程為407.1 m，裝置安全系數K取值1.3。對各工況點的空化性能核算見表6。根據電站水文資料，在2 192個樣本中，有112 d的吸出高度大于-1.5 m，有151 d的吸出高度大于-2.08 m，由此可以看出機組在3種超出力運行的工況下空化性能可以滿足要求。

表6 各工況空化性能核算

表7 轉輪材料的機械性能

3.4 水輪機壓力脈動復核

水輪機在超出力工況運行時，水輪機增加出力后轉輪使用單位流量有所增加，其穩定性的好壞也是評判該機組是否具備超出力運行的考核條件之一。本文選取工況3的壓力脈動情況進行CFD數值仿真。在計算中對尾水管進口處（位置為0.3D2）進行壓力監測。

如圖8所示，本部分計算了轉輪旋轉了5個周期的統計結果，前兩個周期不穩定。以0.6 s以后的結果進行分析。通過曲線可以看出在0.6 s之后，尾水管監測點的最低壓力為70 800 Pa，最高壓力為71 030 Pa，壓力脈動幅值在合格范圍內。預計增加出力后機組的穩定性指標不會出現明顯變化，能夠滿足超出力安全穩定運行要求。

圖8 工況3尾水壓力脈動

3.5 水輪機結構強度分析

由于增加出力增大了導葉開度，流道壓力場有所變化，因此有必要對水輪機有關部件的剛強度進行分析。

按有限元分析計算，選取最大載荷工況（工況3）作為計算分析工況，轉輪材質為ZG06Cr13Ni4Mo，其機械性能見表6，材料彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。對法蘭端面給定固定約束條件，并添加重力，給定轉速，導入流體壓力，進行單向流固耦合強度分析。

計算結果如圖9所示，轉輪在最大載荷的情況下，最大受力位置為上冠與葉片出水邊處，最大應力為90.672 MPa小于材料的許用應力110 MPa，滿足設計要求。

圖9 轉輪應力計算結果

4 結論

通過對某電站水輪機在3種超出力運行工況研究分析，得出如下結論：

（1）在3種超出力工況下運行時水輪機內部流態良好，無明顯脫流現象產生，轉輪具備良好水力性能。

（2）在3種超出力工況下，水輪機空化性能良好，滿足電站實際運行要求，同時水輪機的穩定性也良好，轉輪強度滿足設計要求。