王釗寧， 羅興锜， 郭鵬程， 程宦， 王亞林

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.東方電氣集團(tuán) 東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

大廣壩水電站水輪機(jī)提效增容改造研究

王釗寧1， 羅興锜1， 郭鵬程1， 程宦2， 王亞林2

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.東方電氣集團(tuán) 東方電機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

基于海南大廣壩水電站水輪機(jī)改造項(xiàng)目，通過分析電站運(yùn)行中存在的水力不穩(wěn)定現(xiàn)象和水輪機(jī)效率水平偏低的原因，提出了水輪機(jī)的改造方案和目標(biāo)；討論了水力參數(shù)和設(shè)計理念；介紹了改造前后轉(zhuǎn)輪流道的本質(zhì)差異。通過全流道數(shù)值仿真計算，定性評估了改造后水輪機(jī)的穩(wěn)定性，定量標(biāo)定了水輪機(jī)的效率水平，預(yù)期了模型水輪機(jī)的綜合特性曲線。結(jié)論認(rèn)為，改造后模型水輪機(jī)最優(yōu)效率大于93.8%，額定效率91%，加權(quán)平均效率89.3%；原型水輪機(jī)最優(yōu)效率95.1%，額定效率92.4%，加權(quán)平均效率90.8%；與改造前相比，加權(quán)平均效率增幅可達(dá)2.0%。

大廣壩水電站； 混流式水輪機(jī)； 改造； 水力設(shè)計； 效率； 穩(wěn)定性

大廣壩水電站位于海南省東方市昌化江上，裝有4臺單機(jī)容量為60 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速nr=214.3 r/min，額定水頭Hr=73 m，最高水頭Hmax=87.4 m，額定流量Qr=92.9 m3/s，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號為D85。電站建于上世紀(jì)90年代，第一臺機(jī)組發(fā)電至今已近20年。水輪機(jī)經(jīng)過20年的運(yùn)行，過流部件已經(jīng)到了加速破壞期，目前維修量明顯加大，檢修期顯著加長，尤其是轉(zhuǎn)輪，隨著維修及磨損的增加，水輪機(jī)的效率及穩(wěn)定性顯著降低，電站的經(jīng)濟(jì)效益逐年下降。

目前，我國已建成的中小型水電站中有相當(dāng)部分是上世紀(jì)90年代前建成的，這些機(jī)組受研制水平限制，雖然當(dāng)時先進(jìn)，但經(jīng)過多年運(yùn)行，也出現(xiàn)了一些問題。加之隨著機(jī)組服役年限增加，以及電網(wǎng)對水電機(jī)組承擔(dān)調(diào)峰的要求加大，都需進(jìn)行技術(shù)改造[1]。

近年來CFD技術(shù)、剛強(qiáng)度計算技術(shù)及模型測試技術(shù)等的發(fā)展也為電站的增容改造提供了新的設(shè)計依據(jù)。王國海等[1]分析了水輪機(jī)改造中的原因和一些關(guān)鍵技術(shù)，并展示了CFD等新技術(shù)在三峽水輪機(jī)開發(fā)中提升機(jī)組綜合性能所發(fā)揮的重要作用?？聞Φ萚2]對龔嘴水電站2#水輪機(jī)的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、參數(shù)優(yōu)化等多方面進(jìn)行了闡述，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了改造的預(yù)期目的。

1 大廣壩水電站機(jī)組存在的問題

1.1 大廣壩水電站運(yùn)行現(xiàn)狀

電站近五年運(yùn)行的平均數(shù)據(jù)(即每臺機(jī)組每月最大權(quán)重的出力情況)和2008年的數(shù)據(jù)(見圖1)基本相同。

從圖1可以看出，一年之中，只有汛期8月份4臺機(jī)組和9月份部分機(jī)組大部分時間滿負(fù)荷運(yùn)行，豐水季節(jié)10月份和11月份4臺機(jī)大部分時間也只是帶80%額定出力Pr，一年中大部分時間大多機(jī)組發(fā)Pr的60%，其余時間運(yùn)行在Pr的50%以下，甚至只有Pr的10%。因此，大廣壩水電站水輪機(jī)運(yùn)行條件不是很理想。

1.2 水輪機(jī)效率水平偏低

D85轉(zhuǎn)輪是東方電機(jī)廠上世紀(jì)80年代末基于二維積分理論，采用手工繪圖方法研發(fā)的產(chǎn)品，當(dāng)時有一定先進(jìn)性，但和現(xiàn)代水輪機(jī)相比，各項(xiàng)水力參數(shù)水平有明顯差距。

限于當(dāng)時的設(shè)計理念和開發(fā)手段，D85轉(zhuǎn)輪具有那個年代水輪機(jī)的顯著特點(diǎn)。一是模型水輪機(jī)最優(yōu)效率偏低，僅有92.23%，且效率圈降落梯度較大，高效運(yùn)行區(qū)范圍很小，水輪機(jī)加權(quán)平均效率偏低。根據(jù)電站出力加權(quán)因子(見表1)計算，D85模型水輪機(jī)和電站原型水輪機(jī)加權(quán)平均效率分別為87.1%和88.6%；二是95%出力限制線非?？拷顑?yōu)區(qū)，嚴(yán)重制約了原型水輪機(jī)運(yùn)行范圍的選擇。

說明：表中P的單位為MW。

1.3 水輪機(jī)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象

雖然大廣壩水電站多年來運(yùn)行狀態(tài)良好，但是和現(xiàn)代水輪機(jī)相比，穩(wěn)定性還是有一定差距。一是傳統(tǒng)葉片負(fù)荷分布不均勻，壓力突變導(dǎo)致空蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而且多年的空化空蝕修補(bǔ)，累積面積較大，主要集中在上冠兩葉道間和泄水錐周邊；二是傳統(tǒng)葉片轉(zhuǎn)輪在部分負(fù)荷時壓力脈動現(xiàn)象比較突出，尤其是尾水管混頻低頻壓力脈動和分頻高頻壓力脈動，導(dǎo)致多個葉片出現(xiàn)裂紋；三是與現(xiàn)代金屬材料和加工技術(shù)相比，原來轉(zhuǎn)輪的材料性能和加工精度存在明顯不足。

總之，受客觀條件和主觀因素制約，大廣壩轉(zhuǎn)輪體已到了加速破壞期，特別是轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋(主要集中在葉片出水邊靠近上冠區(qū)域)的累積總片數(shù)和長度都在逐年增加，其中大部分是穿透性裂縫。致使轉(zhuǎn)輪修復(fù)量和維修任務(wù)明顯增加，檢修工期加長，運(yùn)行安全風(fēng)險增加。圖2(a)和(b)是2#機(jī)組轉(zhuǎn)輪12#葉片同一位置分別在2007年和2010年檢修時的破壞情況。

2 大廣壩水電站改造分析研究

2.1 水輪機(jī)改造方案分析

圖1說明大廣壩水電站大多時間運(yùn)行在部分負(fù)荷，很少有棄水和超出力要求。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，該電站一年有8個月時間運(yùn)行水頭都在75 m以上；據(jù)2009年全年運(yùn)行水頭統(tǒng)計計算，其加權(quán)平均水頭Ha約為77.9 m；另外，據(jù)電站最新運(yùn)行統(tǒng)計資料(見圖3)，2007年7月到2012年6月共60個月的月平均運(yùn)行水頭數(shù)學(xué)平均為77.3 m。 因此，提高額定水頭Hr，有限增加機(jī)組出力是可行的改造方案。

現(xiàn)代水輪機(jī)設(shè)計理念和設(shè)計水平已經(jīng)達(dá)到了一個全新的高度，借助三維幾何設(shè)計軟件和CFD分析工具，可以大幅提高水輪機(jī)水力性能。大廣壩電站通過對活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪整體優(yōu)化設(shè)計，水輪機(jī)效率將會顯著提高，穩(wěn)定性將會大幅改善機(jī)組。

因此，大廣壩水電站水輪機(jī)改造定性為提高額定水頭條件下的提效增容改造，改造范圍為活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。

2.2 單位目標(biāo)流量

大廣壩水電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns=248.5 m·kW，比速系數(shù)K=2 123，機(jī)組選型參數(shù)水平偏低。同步轉(zhuǎn)速選擇偏低，幾何上導(dǎo)致了導(dǎo)葉高度偏低，同步轉(zhuǎn)速n和導(dǎo)葉高度B0的不足，嚴(yán)重影響水力參數(shù)和幾何參數(shù)多方面的合理搭配，很大程度上制約了水輪機(jī)改造的效果[3-4]。

導(dǎo)葉相對高度B0/Dth是在電站建設(shè)初期反復(fù)論證選擇的，和比轉(zhuǎn)速一樣，具有一定的時代意義。電站最大水頭Hmax越低，導(dǎo)葉相對高度B0/Dth越高；B0/Dth越低，水輪機(jī)強(qiáng)度越高，更適應(yīng)較高設(shè)計水頭。隨著科技的進(jìn)步，材料性能的提升，現(xiàn)代水輪機(jī)導(dǎo)葉相對高度相應(yīng)也有所提高，尤其是高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)。大廣壩電站最大水頭不超過90 m，導(dǎo)葉相對高度B0/Dth=0.25，明顯偏低，目前這個水頭段的B0/Dth一般取值0.3～0.35。導(dǎo)葉高度不足，也是本次改造工作的最大先天障礙。

電站統(tǒng)計資料表明，機(jī)組的負(fù)荷大多集中在20～50 MW之間，占到65%左右；50～60 MW的出力占10%左右；10～20 MW的出力占13%左右；1～10 MW的出力占12%左右；根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷分配和目前水力設(shè)計理念，大廣壩電站在現(xiàn)有導(dǎo)葉高度條件下，水輪機(jī)的最優(yōu)單位流量Q10應(yīng)該減小到0.9 m3/s左右(D85最優(yōu)單位流量1.0 m3/s)，才有利于提高水輪機(jī)最優(yōu)效率和加權(quán)平均效率。

2.3 設(shè)計水頭與額定水頭選擇

設(shè)計水頭Hd的高低決定著水輪機(jī)的運(yùn)行區(qū)域以及水輪機(jī)的參數(shù)優(yōu)化，Hd取值合理，水輪機(jī)將具有良好的參數(shù)匹配和運(yùn)行范圍，運(yùn)行更加穩(wěn)定合理[5-6]。僅水力參數(shù)搭配的合理性考慮，水輪機(jī)的最優(yōu)水頭和最優(yōu)流量成反比匹配關(guān)系，最優(yōu)流量越大，最優(yōu)水頭越低，反之則越高。大廣壩水電站導(dǎo)葉高度偏低，較高的Hd容易達(dá)到，而較低的最優(yōu)水頭不易實(shí)現(xiàn)。圖4顯示，電站水輪機(jī)最優(yōu)水頭落在82 m左右最為理想，在現(xiàn)有導(dǎo)葉高度條件和單位流量下，既要實(shí)現(xiàn)82 m最優(yōu)設(shè)計水頭，又要使水輪機(jī)高效穩(wěn)定，實(shí)踐上存在很多問題。轉(zhuǎn)輪改造必須充分考慮設(shè)計的困難，在改善小流量水輪機(jī)性能的同時，盡可能地保持水輪機(jī)的設(shè)計水頭Hd不增加或略有降低。

額定水頭Hr的高低決定著水輪機(jī)的能量特性以及運(yùn)行區(qū)域的合理性，在轉(zhuǎn)輪直徑的變化不會太大的情況下，Hr選取就顯得尤為重要[7-8]。改造機(jī)組受導(dǎo)葉高度的限制，水輪機(jī)單位流量的增加很有限，伴隨著流量的增大，水輪機(jī)將會有下列主要性能惡化現(xiàn)象：①空化性能變差，磨蝕增加；②小負(fù)荷區(qū)水輪機(jī)的葉道渦嚴(yán)重，流態(tài)變差，引起壓力脈動幅值升高，穩(wěn)定性變差；③水輪機(jī)的效率降低。

電站額定水頭Hr提高到77 m為宜，原因有三：①有利于限制水輪機(jī)引用單位流量，在保證水輪機(jī)額定出力不變或略有增加的情況下，明顯改善以上各方面水力性能；②增加低水頭水輪機(jī)的出力余度，提高低水頭水輪機(jī)效率，提升電站汛期經(jīng)濟(jì)效益；③電站多年的運(yùn)行統(tǒng)計資料表明，適當(dāng)提高額定水頭有利于提升水能利用率，有利于水輪機(jī)在長期穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)工作。

2.4 水輪機(jī)水力改造目標(biāo)

大廣壩機(jī)組投運(yùn)時間將近20年，已到了加速老化階段，改造的重點(diǎn)是提高機(jī)組效率，拓寬穩(wěn)定運(yùn)行范圍，滿足電站調(diào)頻、調(diào)峰的需要。基于電站條件和目前技術(shù)，提出以下水力改造目標(biāo)。

1) 提高水輪機(jī)效率

模型水輪機(jī)最優(yōu)效率大于93.5%，力爭達(dá)到94.0%；盡可能保持原有水輪機(jī)的額定效率水平；基于電站加權(quán)因子和基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪水平，改造水輪機(jī)的加權(quán)平均效率至少提高1.7%。

2) 增強(qiáng)水輪機(jī)穩(wěn)定性

水輪機(jī)穩(wěn)定性指標(biāo)有尾水管渦帶、葉道渦、葉片頭部脫流空化、壓力脈動和高部分負(fù)荷壓力脈動等等[4-6]。本文主要從以下幾方面增強(qiáng)了水輪機(jī)穩(wěn)定性：①消除高部分負(fù)荷壓力脈動；②盡可能把葉道渦初生線和發(fā)展線向小流量方向推移；③通過調(diào)整葉片進(jìn)口沖角，把進(jìn)口脫流空化排除在運(yùn)行水頭以外；④葉片出水邊修形，防止發(fā)生破壞性卡門渦；⑤合理分布葉片出水邊環(huán)量，降低尾水管壓力脈動；⑥通過葉片壓力負(fù)荷優(yōu)化，改善水輪機(jī)空化性能。

2.5 轉(zhuǎn)輪流道改造前后外形對比

圖5是轉(zhuǎn)輪流道改造前后外形對比圖。改造轉(zhuǎn)輪主要做了以下幾方面改進(jìn)： ①上冠形線下壓； ②下環(huán)形線改為圓弧、橢圓和直線三段連接； ③葉片進(jìn)水邊采用負(fù)傾角空間形式并修型; ④出水邊加長，并修改下環(huán)錐角。

3 CFD數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型

CFD數(shù)值仿真技術(shù)是現(xiàn)代水輪機(jī)水力開發(fā)的主要工具之一，其數(shù)值結(jié)果是水力工程師評判水輪機(jī)性能的主要依據(jù)[9]。大廣壩水電站水輪機(jī)改造工作是在模型轉(zhuǎn)輪D385和模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不僅做了葉片和導(dǎo)葉修行設(shè)計，而且嚴(yán)格依據(jù)大廣壩水電站流道，對改造前后模型水輪機(jī)做了全流道數(shù)值仿真分析，為水輪機(jī)效率修正提供了嚴(yán)格的數(shù)值依據(jù)。

圖6是模型水輪機(jī)改造數(shù)值模型，所有數(shù)值結(jié)果均基于模型水輪機(jī)研究討論。數(shù)值計算采用商業(yè)CFD軟件CFX進(jìn)行，湍流模型選用SSTk-ω模型，具體網(wǎng)格劃分方法和數(shù)值求解過程可參考文獻(xiàn)[10]、[11]。

3.2 導(dǎo)葉相對位置優(yōu)化

導(dǎo)葉設(shè)計完成后，通常需要在周向方向上尋找最優(yōu)匹配位置。在導(dǎo)葉一個相鄰周期內(nèi)，相對位置每變化2°做一次最優(yōu)工況數(shù)值計算，通過計算結(jié)果隨相對位置的變化曲線即可標(biāo)定出最佳相對位置。圖7說明導(dǎo)葉從正X方向順時針旋轉(zhuǎn)4°達(dá)到最優(yōu)匹配位置。

圖8是導(dǎo)葉周向布置位置優(yōu)化前后，水輪機(jī)在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速時隨導(dǎo)葉開度變化的效率曲線。結(jié)果表明，優(yōu)化后水輪機(jī)效率在最優(yōu)水頭區(qū)域有0.1%的增幅。另外，固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉搭配越合理，水流運(yùn)動就會更穩(wěn)定，壓力脈動更小。

3.3 優(yōu)化前后最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速下效率曲線對比

本文分別對大廣壩改造前的水輪機(jī)D85、基礎(chǔ)水輪機(jī)D385和優(yōu)化后的模型水輪機(jī)做了數(shù)值分析。圖9是三種方案在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速下隨導(dǎo)葉開度變化的數(shù)值效率曲線，可以看出： ①三組曲線在額定單位流量附近效率相當(dāng)，且D85轉(zhuǎn)輪峰值效率靠近額定流量，最優(yōu)工況基本和試驗(yàn)曲線重合，較真實(shí)反映出原水輪機(jī)的水力特性； ②改造前的基礎(chǔ)模型水輪機(jī)峰值效率達(dá)到93.5%，最優(yōu)單位流量也在0.94 m3/s附近； ③改造后，水輪機(jī)最優(yōu)工況向小單位流量移動，約在0.94 m3/s附近，模型最優(yōu)效率達(dá)到94.0%，水輪機(jī)不但基本保持了原來水輪機(jī)額定效率水平，而且實(shí)現(xiàn)了小單位流量工況下效率的大幅度躍升。

數(shù)值結(jié)果表明，改造后水輪機(jī)最優(yōu)效率達(dá)到94.0%，額定效率大于91.0%，多個小流量工況效率增幅可達(dá)2.0%，可以保證水輪機(jī)的加權(quán)平均效率至少提高1.7%的目標(biāo)。

3.4 額定工況校核計算

額定水頭一般較最優(yōu)水頭偏小，有必要對額定單位轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行校核計算。圖10是最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速78 r/min和額定單位轉(zhuǎn)速75 r/min下變導(dǎo)葉開度的水輪機(jī)效率對比曲線，可以看出，隨著單位轉(zhuǎn)速的升高，高效區(qū)向大單位流量偏移，說明水輪機(jī)在額定工況至少可以保證最優(yōu)水頭下額定單位流量工況點(diǎn)的水輪機(jī)效率水平，額定工況水輪機(jī)的目標(biāo)效率預(yù)期完全可以保證。

4 結(jié) 論

在D385模型水輪機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，大廣壩水電站改造水輪機(jī)性能優(yōu)良，達(dá)到目標(biāo)。

1) 通過采用轉(zhuǎn)輪流道上冠形線下壓、下環(huán)形線修型、葉片進(jìn)水邊采用負(fù)傾角空間、出水邊加長等幾何措施，改善了水輪機(jī)的空化性能和尾水管壓力脈動特性。

2) 通過提高額定水頭，拓寬水輪機(jī)運(yùn)行范圍，減小最優(yōu)單位流量，提高水輪機(jī)加權(quán)平均效率，采用“X” 葉片，改善水輪機(jī)空化性能，實(shí)現(xiàn)了水力參數(shù)和幾何參數(shù)的合理搭配。

3) 原型水輪機(jī)最優(yōu)效率95.1%， 額定效率92.4%，加權(quán)平均效率90.8%。與改造前相比，加權(quán)平均效率增幅可達(dá)2.0%。

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(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

Improving efficiency and increasing capacity of the hydraulic turbine in Daguangba Hydropower Plant

WANG Zhaoning1， LUO Xingqi1， GUO Pengcheng1， CHENG Huan2， WANG Yalin2

(1.Faculty of Water Resources and Hydroelectric Engineering,Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China; 2. Dongfang Electric Machinery Co., Ltd., Deyang 618000,China)

A new retrofitting method and target are presented by means of analyzing the phenomenon of hydraulic instability and the reason of relatively low turbine efficiency based on the transformation project referring to Daguangba Hydropower station in Hainan, meanwhile, hydraulic parameters selection and design conception are discussed in details. Also, this paper introduces the essential difference of runner channel between pre-and-post retrofit. According to the full passage numerical simulation computation, the hydraulic stability of retrofitted Francis runner is qualitatively evaluated and the efficiency level is quantitatively indicated. Finally, the paper has predicted the comprehensive feature curves of the model water-turbine. The conclusions indicate that the model turbine optimum efficiency exceeds 93.8%, the rated efficiency and weighted average efficiency are respectively 91% and 89.3% compared with 95.1% optimum efficiency, 92.4% rated efficiency, and 90.8% weighted average efficiency originating from the prototype turbine; the weighted average efficiency of the model turbine significantly increases 2.0% by contrast with the one of the prototype turbine.

Daguangba Hydropower Plant； francis turbine； retrofitting； hydraulic design； efficiency； stability

1006-4710(2015)01-0007-06

2014-06-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479166)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20126118130002)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃基金資助項(xiàng)目(2012JM7005)。

王釗寧，男，博士生，研究方向?yàn)樗C(jī)械技術(shù)。E-mail:wzn8223087@163.com。

羅興锜，男，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械流動理論與優(yōu)化設(shè)計、流體機(jī)械振動與穩(wěn)定性、水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。E-mail:luoxq@xaut.edu.cn。

TP311.11

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