于春澤

（國家電力投資集團有限公司，北京100033）

1 引言

我國小水電開發(fā)歷史悠久，全國已建成小水電站超47 000座，這其中絕大部分存在著運行年限較長、機電設(shè)備老化、發(fā)電效率低下等問題[1，2]，與合理充分開發(fā)利用水能資源的理念相違背。因此，小水電站在保持原有壩址、廠址、水工建筑結(jié)構(gòu)、引水線路等的基礎(chǔ)上，對水輪發(fā)電機組開展優(yōu)化增容改造、提高水能利用效率的研究，具有重要的工程價值和研究意義。

貴州方竹水電站[3，4]位于烏江右岸一級支流余慶河中下游，為余慶河的第2個梯級電站，水庫庫容5 660萬m3，共有3臺2 500 kW的HL220-LJ100混流機組組成，電站裝機容量7.5 MW，首臺機組于1994年12月并網(wǎng)發(fā)電。通過20余年的運行，電站機組設(shè)備陳舊老化，運行安全隱患較多，水量利用率較低的問題逐漸暴露，電站增效擴容十分必要。

本文以貴州方竹水電站為例，進行了基于CFD仿真的小水電站增容改造研究。首先，基于長期運行的歷史數(shù)據(jù)，對水頭、流量進行了優(yōu)化，并針對不同的導(dǎo)葉開度，利用CFD計算軟件進行了多水頭工況下的水能利用效率分析，并與轉(zhuǎn)速、流量相匹配，提出了最優(yōu)化導(dǎo)葉開度。然后，在此基礎(chǔ)上，針對蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管等進行了靜壓與流態(tài)分析，對不更換蝸殼、尾水管等固定件的可行性進行了分析。最后，基于實際運行情況對方竹水電站增容技改進行了評價。

2 參數(shù)匹配優(yōu)化

以保持原有壩址、廠址、水工建筑結(jié)構(gòu)、引水線路等不變作為約束條件，對貴州方竹水電站增容改造進行設(shè)計參數(shù)的匹配優(yōu)化。

2.1 基于長期運行觀測的額定水頭、流量優(yōu)化

對電站多年運行的水文與生產(chǎn)運營歷史數(shù)據(jù)進行分析，機組運行水頭大部分時間均維持在48 m左右，較原額定水頭43 m有較大的提升空間。同時，長期運行數(shù)據(jù)表明，電站流量充足，電站原始蝸殼在流量8.9 m3/s時通流性能良好。因此，本次增容改造將額定水頭定為48 m，額定流量定為8.9 m3/s，綜合水頭、流量，計算得出水輪機端出力可達3 685 kW，較原有機組出力提高超1 000 kW。

2.2 基于多工況仿真分析的導(dǎo)葉開度

針對已有水輪機建立CFD仿真模型，分別針對不同的導(dǎo)葉開度、不同的水頭計算水輪機的水能利用效率，計算結(jié)果如圖1所示。同時，計算不同的導(dǎo)葉開度下單位轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 不同導(dǎo)葉開度下的水能利用效率與水頭的關(guān)系

從計算結(jié)果來看，在導(dǎo)葉開度為33°時，水輪機效率能夠在額定水頭48 m時達到最高效率，且在額定水頭附近變化平緩。同時，單位流量等性能參數(shù)隨著水頭、單位轉(zhuǎn)速的變化較為平緩。據(jù)此，確定增容改造的導(dǎo)葉最優(yōu)化開度為33°。

3 不更換固定件的流場計算分析

在最優(yōu)化開度33°及額定水頭48 m的情況下，利用CFD軟件對優(yōu)化改造的水輪機及原有蝸殼、尾水管等結(jié)構(gòu)統(tǒng)一建模，進行仿真分析。得到蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪與尾水管內(nèi)的流場和壓力場的基本情況，具體如圖3、4、5所示。

圖2 不同導(dǎo)葉開度下的單位流量與單位轉(zhuǎn)速的關(guān)系

3.1 蝸殼部件分析

通過圖3可以看出：蝸殼內(nèi)靜壓分布從蝸殼進口到蝸殼出口沿徑向基本上均勻降低，可知其速度隨之均勻增大，在固定導(dǎo)葉入口處存在較小的撞擊流，其對稱面流線分布較好；在固定導(dǎo)葉進口到活動導(dǎo)葉出口靜壓分布均勻降低，流線順暢，導(dǎo)葉進口無明顯脫流、漩渦發(fā)生?？傮w來看，優(yōu)化改造后水輪機固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉的搭配基本適應(yīng)蝸殼出口水流角在圓周的分布規(guī)律，滿足電站不更換座環(huán)蝸殼的要求。

圖3 蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉的靜壓與流線分布

3.2 轉(zhuǎn)輪部件分析

通過圖4可以看出，葉片工作面、背面靜壓分布基本符合從葉片進水邊到出水邊均勻降低，整個葉片表面上，工作面靜壓均高于葉片背面壓強，在活動導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪區(qū)域間流場，葉片背面沒有明顯脫流、回流、橫向流動等二次流動現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪上冠面和下環(huán)面靜壓分布總體來看基本上呈均勻降低?？傮w上，該轉(zhuǎn)輪能夠很好滿足能量轉(zhuǎn)換要求。

3.3 尾水部件分析

由圖5看出，從尾水管進口到出口靜壓逐漸升高，過渡比較平穩(wěn)，尾水管肘管處有局部高壓區(qū)存在；尾水管進口處存在低壓區(qū)，但隨著向尾水管出口的接近，低壓區(qū)很快消失，說明渦帶基本沒有發(fā)生。尾水管內(nèi)流線分布基本均勻，無明顯渦帶和旋流存在。新轉(zhuǎn)輪能夠滿足電站不更換尾水管的要求。

圖4 轉(zhuǎn)輪葉片的靜壓與流線分布

圖5 尾水管的靜壓與流線分布

3.4 小結(jié)

通過以上分析，新轉(zhuǎn)輪能夠滿足電站不更換固定埋入部件要求，且新轉(zhuǎn)輪與固定過流部件的匹配良好，通過更換導(dǎo)水過流部件和轉(zhuǎn)輪，能夠滿足電站增效擴容要求。

4 結(jié)語與討論

本文提出了在不改變原有水工結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于多工況CFD計算成果的小水電增容改造分析方法。方法在貴州方竹水電站的增容改造中得到了應(yīng)用，以本文中的最優(yōu)化分析成果為設(shè)計參數(shù)，實施電站改造，實際中僅利用164 d即完成改造工程。經(jīng)過近3年的運行驗證，技改后的水電機組的能量、穩(wěn)定性、空蝕指標均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，水能利用率和設(shè)備的健康狀況得到了大幅提高，證明了本文中方法的可行性和有效性。