周奮強(qiáng) 燕超 彭志遠(yuǎn)

摘要：

為更好發(fā)揮彭水水電站效益并保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，在現(xiàn)有機(jī)組流道尺寸不變的前提下，利用理論分析、CFD數(shù)值模擬技術(shù)和水輪機(jī)模型試驗(yàn)等方法，分析了彭水水電站在汛期低水頭下提高機(jī)組出力和部分負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定性的可行性方案。結(jié)果表明：通過對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉等關(guān)鍵過流部件進(jìn)行優(yōu)化改造，機(jī)組發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭可以由原來的67 m優(yōu)化到63 m，能夠提高汛期機(jī)組發(fā)電調(diào)峰能力，并減少電站棄水；機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的水頭范圍由原來的52.0～81.6 m優(yōu)化為44.0～81.6 m，優(yōu)化后的水頭變幅Hmax/Hmin高達(dá)1.855，同時水輪機(jī)在全水頭、45%～100%預(yù)想出力范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：

機(jī)組出力； 運(yùn)行穩(wěn)定性； 活動導(dǎo)葉； CFD； 水力模型試驗(yàn)； 彭水水電站

中圖法分類號：TV734.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.018

文章編號：1006-0081（2023）04-0109-06

0 引 言

彭水水電站為烏江流域的第十級電站，地下廠房裝設(shè)5臺單機(jī)容量350 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。彭水水電站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位變幅大等特點(diǎn)，機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)汛期棄水大、機(jī)組出力受阻、機(jī)組部分負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域窄且存在振動區(qū)等問題。為更好發(fā)揮彭水水電站效益并保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文在分析彭水水電站運(yùn)行現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對水輪機(jī)出力受阻的原因以及縮小或消除水輪機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)進(jìn)行了探索；在現(xiàn)有機(jī)組流道尺寸不變的前提下，采用理論分析、CFD數(shù)值模擬技術(shù)和水力模型試驗(yàn)研究相結(jié)合的方式，研究提升水輪機(jī)低水頭出力裕度、降低機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的最小水頭等方案，以期提升機(jī)組的發(fā)電能力、拓寬機(jī)組部分負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行范圍以及運(yùn)行調(diào)度能力。

1 機(jī)組運(yùn)行存在的主要問題

彭水水電站最大水頭（毛）81.6 m，最小水頭52 m，額定水頭67 m。水電站自投運(yùn)以來，機(jī)組整體運(yùn)行情況良好，但由于電站具有位于窄河谷、下泄流量大、下游水位變幅大等特點(diǎn)，目前在運(yùn)行過程中存在如下主要問題。

1.1 電站汛期棄水量和受阻容量大

根據(jù)水電站防洪調(diào)度要求及水庫調(diào)度運(yùn)行方式，汛期庫水位須在汛限水位以下運(yùn)行，當(dāng)水電站來水流量大于機(jī)組發(fā)電流量，庫水位接近汛限水位且有上漲趨勢時，水庫需要棄水泄洪。在主汛期，彭水水電站全廠最大出力基本低于1 500 MW，降低了電網(wǎng)調(diào)峰容量，影響了電站的水量利用率。據(jù)統(tǒng)計分析，2017～2021年，彭水水電站運(yùn)行水頭低于額定水頭67 m的時間共8 638 h，機(jī)組出力受阻總時間共2 555 h，平均每年511 h，占全年時間6%左右。

1.2 機(jī)組低水頭穩(wěn)定性有待提高

由于彭水水電站下游河谷窄、泄放量大，電站下游尾水位變幅最大達(dá)32 m，與同等水頭段水電站相比較為罕見。同時，電站在大流量泄洪工況時，電站尾水位與原設(shè)計相比還存在一定壅高。因此，電站在汛期存在高尾水位、超低水頭（低于原設(shè)計最小水頭）的運(yùn)行工況，機(jī)組各部軸承擺度、振動幅值、壓力脈動均呈現(xiàn)惡化趨勢，壓力脈動超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，對機(jī)組的出力和安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響。因此，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，彭水水電站亟需降低最小水頭。

1.3 機(jī)組部分負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域窄

彭水水電站水輪發(fā)電機(jī)組在 0～200 MW 負(fù)荷區(qū)間（57%機(jī)組額定出力以下時）運(yùn)行時，機(jī)組處于振動區(qū)；此外，在水頭高于75 m且水輪機(jī)負(fù)荷在 240～310 MW 左右時，機(jī)組還存在一個范圍較窄的高部分負(fù)荷壓力脈動區(qū)域，如圖 1所示。

2 機(jī)組出力提升思路

以彭水水電站的主要問題為導(dǎo)向，提出如下研究思路。研究思路流程見圖2。

（1） 全面收集電站自投運(yùn)以來的動能參數(shù)（水頭、尾水位、庫水位等）、電網(wǎng)調(diào)度情況、機(jī)組流道尺寸以及機(jī)組運(yùn)行、檢修、泥沙磨損情況［1-2］。

（2） 根據(jù)實(shí)際的長序列徑流動能參數(shù)，初步擬定在水頭62，63，64，65 m條件下機(jī)組可發(fā)額定功率350 MW的四個方案，采用專利技術(shù)“水輪機(jī)效率加權(quán)因子量化方法（專利號：ZL201310179981.6）”和“水電站動能參數(shù)分析及水輪機(jī)加權(quán)因子量化計算軟件（軟件著作權(quán)號：2020SR0190858）”，計算彭水水電站水輪機(jī)新轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)效率加權(quán)因子，確定彭水水電站水輪機(jī)設(shè)計水頭，使裝設(shè)新轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)性能參數(shù)與電站實(shí)際動能條件達(dá)到最優(yōu)匹配。

（3） 根據(jù)多目標(biāo)綜合條件下轉(zhuǎn)輪水力參數(shù)研究成果，提出彭水水電站模型轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)技術(shù)條件和預(yù)期目標(biāo)。

（4） 根據(jù)擬定的水力開發(fā)技術(shù)條件和預(yù)期目標(biāo)，研制、開發(fā)模型轉(zhuǎn)輪并進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)研究，分析提出滿足要求的水輪機(jī)能量、空化及穩(wěn)定性等指標(biāo)。

（5） 根據(jù)水輪機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果，完成推薦方案條件下電站發(fā)電量效益計算分析。

3 水輪機(jī)性能參數(shù)分析及模型研發(fā)

3.1 水輪機(jī)特征水頭及性能參數(shù)分析

3.1.1 特征工作水頭分析

彭水電站原設(shè)計參數(shù)Hmax=81.6 m，Hmin=52 m，水頭變幅Hmax/Hmin =1.569。根據(jù)投運(yùn)以來的逐日實(shí)測上、下游水位及電站水頭成果分析，水輪機(jī)運(yùn)行的最高水頭為80.4 m，極端最小水頭為44.41 m。電站機(jī)組水頭分布見表1。

彭水水電站水頭小于50 m的概率極小，電站水頭變幅大，暫定新轉(zhuǎn)輪開發(fā)水輪機(jī)最小水頭按50 m設(shè)計，同時要求水輪機(jī)能在44～50 m水頭區(qū)間短時間穩(wěn)定運(yùn)行，最終根據(jù)模型試驗(yàn)的成果確定水輪發(fā)電機(jī)組是否能在44～50 m水頭區(qū)間連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，以進(jìn)一步分析論證新轉(zhuǎn)輪的最小工作水頭。

由于彭水水電站棄水主要發(fā)生在汛期，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，為了盡可能增加水輪機(jī)低水頭的發(fā)電能力，減少棄水，需降低機(jī)組可以發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭，以顯著提高電站在汛期的發(fā)電效益。綜合分析水電站投運(yùn)以來實(shí)測水文徑流資料，水電站汛期（5～9月）機(jī)組水頭分布情況見表2。

從表2的彭水水電站投運(yùn)以來汛期（5～9月）機(jī)組水頭分布可以看出，汛期機(jī)組在65 m水頭以上運(yùn)行的時間占整個汛期時長的87.09%，在64 m水頭以上運(yùn)行的時間占整個汛期時長的91.99%，在63 m水頭以上運(yùn)行的時間占整個汛期時長的95.42%。

初步擬定機(jī)組可以發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭分別為62，63，64，65 m四個方案，同時要求在新轉(zhuǎn)輪研發(fā)時應(yīng)充分考慮現(xiàn)有流道布置條件，在保證穩(wěn)定、高效、可靠的前提下，盡可能降低機(jī)組可發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭，以提高機(jī)組在汛期低水頭下運(yùn)行時的發(fā)電能力。

3.1.2 穩(wěn)定運(yùn)行范圍分析

參照GB/T 15468—2020《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》，同時借鑒近年來改造的白山、豐滿、李家峽、龍羊峽等電站的成功經(jīng)驗(yàn)［3-4］，考慮到彭水水電站水頭變幅大，為避免機(jī)組在高水頭部分負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)異常振動、出力不足等問題，新轉(zhuǎn)輪研發(fā)要求機(jī)組在全水頭范圍下45%～100%水輪機(jī)預(yù)想出力范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.3 效率加權(quán)因子分析

根據(jù)彭水水電站投運(yùn)以來實(shí)測的水能參數(shù)，采用專利技術(shù)“水輪機(jī)效率加權(quán)因子量化方法（專利號：ZL201310179981.6）”和“水電站動能參數(shù)分析及水輪機(jī)加權(quán)因子量化計算軟件（軟件著作權(quán)號：2020SR0190858）”計算得到彭水水電站機(jī)組可發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭分別為62，63，64，65 m時的水輪機(jī)效率加權(quán)因子，見圖3～6?？梢钥闯觯煌钚M發(fā)水頭方案，水輪機(jī)效率加權(quán)因子略有不同，但權(quán)重較大區(qū)域基本集中在63～75 m水頭范圍。

3.1.4 模型參數(shù)分析

（1） 水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns及比轉(zhuǎn)速系數(shù)K是表征水輪機(jī)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平的重要特征參數(shù)之一，應(yīng)根據(jù)電站特點(diǎn)和機(jī)組制造水平進(jìn)行綜合考慮來選取，使水輪機(jī)整體參數(shù)水平達(dá)到最優(yōu)。參照國內(nèi)外各大型水輪機(jī)比速系數(shù)水平，以及水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行要求，比轉(zhuǎn)速系數(shù)K值基本在2 000～2 300區(qū)間范圍內(nèi)變化。由于不調(diào)整水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定出力，初步擬定彭水水電站機(jī)組可發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭為62，63，64，65 m四個方案，對應(yīng)水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns分別為293.7，287.9，282.3，276.8 m·kW，比速系數(shù)分別為2 312，2 285，2 258，2 232。由此可以看出，除62 m水頭方案以外，其余3個方案均在統(tǒng)計規(guī)律范圍以內(nèi)。

（2） 彭水水電站在原有流道基本不變的條件下進(jìn)行水輪機(jī)水力性能及機(jī)組出力提升研究，水輪機(jī)模型的開發(fā)受到原有流道的限制，且電站水頭變幅大，因此在選擇水輪機(jī)性能參數(shù)時，不能片面追求高參數(shù)和高水平，應(yīng)在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下確定合適的性能參數(shù)［5-7］。

根據(jù)已有電站的改造經(jīng)驗(yàn)和目前水輪機(jī)模型的開發(fā)水平，對比彭水水電站同水頭段具有代表性的模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)，本研究參照哈爾濱大電機(jī)研究所早期研究的混流式水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速與比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計關(guān)系曲線、單位流量與最大水頭的統(tǒng)計關(guān)系曲線（圖7～8），得出彭水水電站新模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速約為75 r/min，限制工況單位流量約為1.2 m3/s，最優(yōu)效率不低于94.5%，限制工況效率不低于90.5%，限制工況臨界空化系數(shù)不大于0.214［5-6］。

3.2 機(jī)組全流道流場CFD數(shù)值分析

由于彭水水電站水輪發(fā)電機(jī)組已投運(yùn)15 a，水輪機(jī)活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉相對高度、蝸殼和尾水管的控制尺寸無法變化，導(dǎo)葉分布圓也無法變化。因此本次通過調(diào)整導(dǎo)葉翼型、厚度及轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)、葉片葉型、進(jìn)出口安放角、上冠型線、下環(huán)型線等［6］提升水輪機(jī)水力性能及機(jī)組出力，本文利用內(nèi)部流場CFD數(shù)值模擬技術(shù)對彭水水電站機(jī)組進(jìn)行了全流道的數(shù)值模擬，對水輪機(jī)的過流部件幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以全面提高水輪機(jī)的各項(xiàng)性能，通過對比計算分析水輪機(jī)各通流部件及主要運(yùn)行工況，得出以下結(jié)論。

（1） 從計算各通流部件的內(nèi)部壓力（圖9）和速度流態(tài)分布來看，新轉(zhuǎn)輪在整個流道內(nèi)流場分布均勻、流態(tài)良好，說明新方案轉(zhuǎn)輪與其他原有的固定通流部件匹配良好。

（2） 從水輪機(jī)主要工況水力效率計算值可以看出，原方案與新方案水輪機(jī)蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉與尾水管的水力損失計算值相差不大，但新方案轉(zhuǎn)輪的水力損失較原方案有明顯改善，特別是在大流量區(qū)域，其水力效率顯著優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪。

（3） 新方案在大流量高單位轉(zhuǎn)速區(qū)域的整體效率水平比原方案高出1%～4%，可以有效提升低水頭大流量區(qū)域水輪機(jī)的出力裕度。根據(jù)初步分析預(yù)測，改造后水輪機(jī)可以發(fā)額定出力354.4 MW 的最小水頭接近63 m，流量約為654 m3/s；最低水頭50 m時，能發(fā)出力252 MW，流量約為584 m3/s。在高水頭部分負(fù)荷區(qū)域，流場分布更加均勻、流態(tài)良好，分析預(yù)測，機(jī)組在45%～100%預(yù)期負(fù)荷下，能穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 模型試驗(yàn)研究

根據(jù)彭水水電站動能參數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了全面的模型試驗(yàn)研究，先后共設(shè)計加工了多個轉(zhuǎn)輪方案，進(jìn)行了全面的模型試驗(yàn)，包括能量、出力特性、空化、壓力脈動、流態(tài)觀測、飛逸轉(zhuǎn)速特性等主要性能試驗(yàn)，主要研究結(jié)論如下。

（1） 新研發(fā)轉(zhuǎn)輪在規(guī)定的水頭范圍和導(dǎo)葉開度較寬廣的范圍內(nèi)都具有較高的效率，尤其在大流量區(qū)域，具有與原轉(zhuǎn)輪相比更高的效率。

（2） 原轉(zhuǎn)輪在低于額定水頭（67 m）時，功率受限嚴(yán)重。新研發(fā)的水輪機(jī)在44.0～81.6 m水頭范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行，在滿足穩(wěn)定性和空化要求的前提下能獲得更大的機(jī)組功率，最大實(shí)際功率遠(yuǎn)高于原轉(zhuǎn)輪，在44～67 m低水頭區(qū)域，這一特征最為明顯。新轉(zhuǎn)輪匹配新導(dǎo)葉機(jī)組滿出力對應(yīng)的最小水頭可以低至63 m，且水頭低于63 m時水輪機(jī)出力裕度約為3.4%～3.9%。

（3） 在主要特征運(yùn)行工況下，新研發(fā)轉(zhuǎn)輪匹配新導(dǎo)葉的空化裕量滿足相關(guān)要求，水輪機(jī)將在無空化條件下運(yùn)行。

（4） 新研發(fā)轉(zhuǎn)輪匹配新導(dǎo)葉的水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域均為45%Pt至100%Pt（Pt為水輪機(jī)出力）。在電站運(yùn)行水頭與該負(fù)荷范圍內(nèi)，不會在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊正面與背面發(fā)生初生空化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊均無可見卡門渦。模型水輪機(jī)的流態(tài)特性滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

（5） 模型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速小于167 r/min，滿足規(guī)范要求。

4 電量效益計算

彭水水電站轉(zhuǎn)輪改造后可以增發(fā)的電量包括電站轉(zhuǎn)輪更換后減小棄水增發(fā)電量、減小水頭過低機(jī)組全停而增加機(jī)會電量、減小機(jī)組非計劃停機(jī)而增加電量、增加電網(wǎng)調(diào)峰容量與減小火電開機(jī)增加電量等。經(jīng)計算，改造后每臺機(jī)組每年可以增發(fā)電量約3 201.50萬kW·h。

5 結(jié) 論

本次彭水水電站機(jī)組出力提升研究結(jié)果表明，采用最新的水輪機(jī)水力開發(fā)技術(shù)，可以使電站水輪發(fā)電機(jī)組達(dá)到如下效果。

（1）機(jī)組改造后，在不改變廠房總體布置和機(jī)組結(jié)構(gòu)的情況下，機(jī)組發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭可以由原來的67 m優(yōu)化到63 m，因此可以有效降低機(jī)組發(fā)額定出力的最小水頭，盡量減少電站汛期棄水，并消除機(jī)組長期運(yùn)行帶來的安全隱患和潛在風(fēng)險。

（2）機(jī)組改造后，水輪機(jī)具有較好的能量指標(biāo)，且當(dāng)水頭在低于機(jī)組發(fā)額定出力對應(yīng)的最小水頭63 m時具有較大的出力裕度，能夠有效提高低水頭時水輪機(jī)的過水能力，汛期可以盡量多發(fā)電量。

（3）機(jī)組改造后，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的水頭范圍由原來的52.0～81.6 m優(yōu)化為44.0～81.6 m，優(yōu)化后的水頭變幅Hmax/Hmin可以高達(dá)1.855，同時水輪機(jī)在全水頭范圍內(nèi)、在45%～100%預(yù)想出力范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。因此，相對于原轉(zhuǎn)輪而言，新轉(zhuǎn)輪有效拓寬了機(jī)組安全運(yùn)行范圍并提高了可靠性，機(jī)組整體運(yùn)行穩(wěn)定性有了明顯改善，同時減小了機(jī)組汛期非計劃停機(jī)概率，延長了水輪發(fā)電機(jī)組檢修周期和運(yùn)行壽命，提高了水電站經(jīng)濟(jì)效益。

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（編輯：江 文）

Study on unit output improvement of Pengshui Hydropower Station in flood season

ZHOU Fenqiang1 ，YAN Chao1 ，PENG Zhiyuan2

（1.Chongqing Branch，China Datang Corporation Ltd.，Chongqing 400000，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to better play the benefits of Pengshui Hydropower Station and ensure the safe and stable operation of the unit，under the premise that the flow channel size of the existing unit was unchanged，the paper analyzed the feasibility of improving the Pengshui Hydropower Station unit output and stability of partial load operation under low head in flood season by using the comprehensive research method combining theoretical analysis，CFD numerical simulation technology and hydraulic turbine model test.The results showed that the minimum head corresponding to the rated output of the unit could be optimized from 67 m to 63 m by optimizing the critical overflow components such as turbine runner and movable guide vane，which could improve the peak load regulation capacity of the unit in flood season and reduce the discharging water of the hydropower station.The head range for safe and stable operation of the unit was optimized from 52.0～81.6 m to 44.0～81.6 m，and the optimized head amplitude Hmax/Hmin was as high as 1.855.At the same time，the turbine can operate stably in the range of full head and 45%～100% expected output.

Key words：

unit output； operational stability； hydraulic turbine guide vane； CFD； hydraulic model test； Pengshui Hydropower Station

收稿日期：

2023-03-02

作者簡介：

周奮強(qiáng)，男，高級工程師，主要從事水電站運(yùn)行維護(hù)、故障診斷分析方面的工作。E-mail：329207409@qq.com

通信作者：

彭志遠(yuǎn)，男，工程師，碩士，主要從事水力機(jī)械設(shè)計研究。E-mail：pengzhiyuan@cjwsjy.com.cn