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        混流式水輪機(jī)組技術(shù)改造前后性能分析

        2015-03-16 11:10:58賴(lài)喜德
        小水電 2015年5期
        關(guān)鍵詞:分析

        唐 健,賴(lài)喜德

        (西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川 成都 610039)

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        混流式水輪機(jī)組技術(shù)改造前后性能分析

        唐 健,賴(lài)喜德

        (西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川 成都 610039)

        針對(duì)目前中小型水電站運(yùn)行及改造中存在的問(wèn)題,為探究混流式水輪發(fā)電機(jī)組改造前后的水力穩(wěn)定性,基于CFD性能預(yù)測(cè)方法,以某電站的實(shí)際改造情況為例,對(duì)該電站改造前后的水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行全流道三維數(shù)值模擬分析,探討水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布、壓力分布等情況,并做了對(duì)比分析。結(jié)果表明:更新改造后的電站機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉頭部撞擊損失減少,轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部流態(tài)得到改善,流動(dòng)更加均勻;且轉(zhuǎn)輪在高水頭、大流量運(yùn)行區(qū)域葉片速度和壓力分布更加均勻,提高了水輪機(jī)水力效率,機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定,檢修周期延長(zhǎng)。研究結(jié)果可為中小型水輪發(fā)電機(jī)組的增效擴(kuò)容技術(shù)改造提供一定參考。圖7幅,表3個(gè)。

        混流式水輪發(fā)電機(jī);技術(shù)改造;三維數(shù)值模擬

        0 引 言

        建國(guó)以來(lái),我國(guó)的水電建設(shè)取得了巨大的成就。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)常規(guī)水電裝機(jī)容量已達(dá)1億kW,其中中小型水電站總裝機(jī)容量達(dá)3 200萬(wàn)kW。由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)問(wèn)題和設(shè)備的制造工藝水平落后,機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)了諸多問(wèn)題,同時(shí)目前大部分機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了二三十年,設(shè)備的老化和年久失修等多種原因給水輪機(jī)水力穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響,為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了隱患。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為了保證電廠安全生產(chǎn),中小型水電站機(jī)組的改造已經(jīng)掀起了熱潮。水電站水輪機(jī)設(shè)備改造的主要目的在于增容和改善其水力性能?;跀?shù)值模擬計(jì)算的水電站水輪機(jī)改造技術(shù)已不同程度在國(guó)內(nèi)外電站改造實(shí)踐中得到應(yīng)用[1]。

        目前針對(duì)混流式水輪機(jī)單一部件或多部件的CFD數(shù)值模擬分析的研究者很多。黃荊強(qiáng)對(duì)高關(guān)水電站的增效擴(kuò)容改造從設(shè)計(jì)原則及改造后的成果進(jìn)行了分析,但未對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行流場(chǎng)分析[2];王麗、莫兆祥等人通過(guò)洋河灘水電站改造,從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面對(duì)水電站的改造進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[3];羅興钅奇、姬晉廷等人通過(guò)混流式水輪機(jī)全流道數(shù)值模擬分析,探討了引起混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)不穩(wěn)定的原因[4]??梢?jiàn)國(guó)內(nèi)學(xué)者大多都是對(duì)電站改造做整體的技術(shù)分析或者針對(duì)某一特定機(jī)組進(jìn)行三維流場(chǎng)分析,鮮見(jiàn)有水電站在技術(shù)改造中對(duì)機(jī)組在改造前后進(jìn)行流場(chǎng)的對(duì)比分析?;谏鲜鲈颍疚母鶕?jù)某電站在增效擴(kuò)容改造中的技術(shù)方案,結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)某水電站的混流式水輪發(fā)電機(jī)在改造前后的結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析,分析了電站改造的可行性,為水電站的水輪機(jī)改造提供一定的理論參考。

        1 電站改造的基本情況

        某電站是岷江上游右岸河上的第二座梯級(jí)電站,位于阿壩藏族羌族自治州汶川縣及臥龍自然保護(hù)區(qū)境內(nèi),裝機(jī)容量4×40 MW。電站所處的山區(qū)河流中含有泥沙,尤其是在汛期,暴雨引發(fā)山洪和泥石流,河水暴漲,水流渾濁,機(jī)組檢修中可見(jiàn)泥沙磨損及空蝕導(dǎo)致過(guò)流部件嚴(yán)重?fù)p壞的情況。改造前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差,水輪機(jī)在50%~75%滿(mǎn)負(fù)荷范圍內(nèi)振動(dòng)、噪音大,造成機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻時(shí),負(fù)荷調(diào)整困難。由于以前設(shè)計(jì)和制造技術(shù)能力落后,水輪機(jī)效率設(shè)計(jì)值偏低;加上過(guò)流部件空蝕磨損嚴(yán)重,致使大修后水輪機(jī)效率快速降低。隨著科技的進(jìn)步,科研水平和設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高,新的高性能轉(zhuǎn)輪替代舊的低性能轉(zhuǎn)輪已成為必然,在借鑒云南魯布革電站引進(jìn)的挪威KE公司低比轉(zhuǎn)速長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行成功改造的經(jīng)驗(yàn)前提下,對(duì)該電站水輪機(jī)進(jìn)行了改造[5]。

        為了延長(zhǎng)機(jī)組檢修間隔時(shí)間,實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)增容10%,水輪機(jī)的效率在原有基礎(chǔ)上提高2%~3%,提高了機(jī)組的穩(wěn)定性。改造中在原魯布革的A361型轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上結(jié)合A45、A542轉(zhuǎn)輪的特點(diǎn)研制了A542b型轉(zhuǎn)輪及與之相適應(yīng)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu),A361為長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪,具有轉(zhuǎn)輪效率區(qū)寬廣的特點(diǎn)。A542b型轉(zhuǎn)輪采用15個(gè)長(zhǎng)葉片和15個(gè)短葉片,轉(zhuǎn)輪上部為梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu),下部為五臺(tái)階式止漏環(huán)。轉(zhuǎn)輪直徑由原來(lái)的2.1 m增大為2.15 m。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中:導(dǎo)葉高度為0.12D1,比原導(dǎo)葉高48 mm,導(dǎo)葉個(gè)數(shù)20個(gè),采用的是接近對(duì)稱(chēng)型偏心導(dǎo)葉,該導(dǎo)葉在水力矩的作用下有自關(guān)閉傾向;導(dǎo)葉分布圓直徑由2 500 mm增加為2 520 mm(見(jiàn)表1、表2)。

        表1 水輪機(jī)改造前后參數(shù)

        表2 A542b、A542和A45轉(zhuǎn)輪模型主要參數(shù)

        2 轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉流場(chǎng)分析

        2.1 轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)分析

        為了準(zhǔn)確研究確定改造前后的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能,針對(duì)該電站改造前后機(jī)組的相關(guān)參數(shù),建立用于CFD計(jì)算分析的水輪機(jī)內(nèi)流場(chǎng)全流道三維幾何模型;主要分析了改造后機(jī)組在最優(yōu)工況下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片的壓力分布及對(duì)比了改造前后機(jī)組固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉速度矢量及壓力分布情況。模型主要由蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管組成,改造后機(jī)組全流道三維幾何建模如下所示(見(jiàn)圖1)。網(wǎng)格生成的目標(biāo)是離散流動(dòng)區(qū)域,由于水力機(jī)組整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的形狀復(fù)雜,本次計(jì)算模型網(wǎng)格采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行流體域的網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算精度,對(duì)流動(dòng)梯度較大的區(qū)域作了網(wǎng)格加密處理。為保證計(jì)算更加接近真實(shí)流場(chǎng),計(jì)算中對(duì)水體施加重力加速度,并對(duì)蝸殼進(jìn)口端面作適當(dāng)延伸[6]。

        圖1 水輪機(jī)流場(chǎng)計(jì)算三維模型

        計(jì)算邊界條件:采用SIMPLE算法求解不可壓縮流體的時(shí)均N—S方程,模型選取RNGk—ε湍流模型。壁面采用無(wú)滑移邊界條件,流體內(nèi)近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理,并設(shè)置動(dòng)靜耦合轉(zhuǎn)子交界面,蝸殼進(jìn)口采用質(zhì)量流量進(jìn)口,出口采用壓力出口。CFD分析得到的轉(zhuǎn)輪流道的速度和壓力分布圖如下所示(見(jiàn)圖2~圖4),其速度和壓力值以不同的顏色及其深淺來(lái)表示(見(jiàn)表3)。

        表3 不同顏色及其深淺所代表的速度和壓力值范圍

        A542b轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)葉片正面、背面壓力分布如圖2所示,短葉片正面、背面壓力分布如圖3所示。從以上各圖可以看出,A542b的長(zhǎng)短葉片正背面壓力分布很均勻,尤其是在葉片背面進(jìn)水邊與下環(huán)交點(diǎn)處消除了低壓區(qū),不僅避免了空蝕的發(fā)生,而且提高了葉片的抗磨蝕性能。

        A542b轉(zhuǎn)輪在額定水頭及最高水頭下的額定出力點(diǎn)長(zhǎng)短葉片壓力分布如圖4所示。從A542b在2個(gè)工況點(diǎn)的壓力場(chǎng)可以看出,A542b不僅在最優(yōu)工況點(diǎn)具有良好的水力性能,同時(shí)在高水頭、大流量運(yùn)行區(qū)域的速度和壓力分布情況也良好,且轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量很小,有利于轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)的降低和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的提高。轉(zhuǎn)輪的流速分布均勻,轉(zhuǎn)輪在下環(huán)附處靠葉片背面進(jìn)水邊附近沒(méi)有常見(jiàn)的脫流現(xiàn)象,由此可知轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)的改善不僅可以提高水輪機(jī)效率,同時(shí)還可改善機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[7]。用A542b轉(zhuǎn)輪取代A45轉(zhuǎn)輪,長(zhǎng)短葉片的A542b轉(zhuǎn)輪因其葉片數(shù)目較多,葉片間的水流流動(dòng)狀態(tài)好,轉(zhuǎn)輪空化性能好,模型空化系數(shù)小。改造后轉(zhuǎn)輪直徑加大50 mm,對(duì)應(yīng)點(diǎn)單位流量減小,模型空化系數(shù)變小達(dá)電站水輪機(jī)的吸出高度?。?臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí),額定點(diǎn)的空化安全系數(shù)大于2.38,空化安全系數(shù)較大,葉片空蝕破壞將很小。

        長(zhǎng)葉片正面 長(zhǎng)葉片背面

        短葉片正面 短葉片背面

        額定水頭 最高水頭

        圖4 A542b在額定水頭額定出力下的壓力分布速度矢量

        2.2 導(dǎo)葉流場(chǎng)分析

        由于電站的固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配存在一定問(wèn)題,因而根據(jù)電站的實(shí)際情況,采用如下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造方案:固定導(dǎo)葉不變;活動(dòng)導(dǎo)葉采用魯布革型導(dǎo)葉替代原導(dǎo)葉,魯布革型導(dǎo)葉表面相對(duì)流速較低,導(dǎo)葉抗磨性能好、壽命長(zhǎng);導(dǎo)葉分布圓不變,導(dǎo)葉個(gè)數(shù)由16個(gè)增加到24個(gè);導(dǎo)葉高度由0.1D1提高到0.12D1,這對(duì)降低導(dǎo)葉區(qū)的流速是有利的。在對(duì)機(jī)組進(jìn)行流場(chǎng)CFD的計(jì)算分析中,對(duì)現(xiàn)使用導(dǎo)葉和以上改造方案中的導(dǎo)葉分別進(jìn)行了CFD分析計(jì)算和比較(見(jiàn)圖5~圖7)。

        a 改造前 b 改造后

        a 改造前 b 改造后

        a 改造前 b 改造后

        圖7 改造前后導(dǎo)葉流線

        電站改造前導(dǎo)葉高度為b0=0.1D1,經(jīng)過(guò)CFD分析計(jì)算可以看到真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉出口絕對(duì)流速為20.3 m/s,而改造后導(dǎo)葉高度為b0=0.12D1,真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉出口絕對(duì)流速降為14.2 m/s以下;說(shuō)明通過(guò)提高導(dǎo)葉高度來(lái)降低導(dǎo)葉區(qū)流速是行之有效的方法。活動(dòng)導(dǎo)葉改為魯布革型導(dǎo)葉后,在最優(yōu)開(kāi)口下,活動(dòng)導(dǎo)葉頭部低壓區(qū)消失,繞流駐點(diǎn)位于活動(dòng)導(dǎo)葉頭部中間附近,從而減少了水流對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉頭部的撞擊損失,可提高水輪機(jī)的最高效率[8]。因此,活動(dòng)導(dǎo)葉改為魯布革型導(dǎo)葉是合理的。

        通過(guò)24個(gè)導(dǎo)葉的方案與改造前16個(gè)導(dǎo)葉的比較表明:采用24個(gè)導(dǎo)葉方案的導(dǎo)葉進(jìn)口處的流速基本相當(dāng),導(dǎo)葉出口處的流速低1 m/s左右,所以導(dǎo)葉數(shù)的增加對(duì)提高效率和降低流速有利。此外,為減小止漏環(huán)處的磨損和間隙空蝕,應(yīng)盡可能減小并合理設(shè)計(jì)下止漏環(huán)的間隙,使止漏環(huán)的漏水量減小,進(jìn)而減小止漏環(huán)的磨蝕,從而延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的大修周期,達(dá)到改造的目的。

        3 結(jié) 論

        經(jīng)過(guò)對(duì)該電站混流式水輪機(jī)技術(shù)改造前后的CFD分析比較,新轉(zhuǎn)輪采用長(zhǎng)短式葉片結(jié)構(gòu),使轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)更加穩(wěn)定。改造后水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在轉(zhuǎn)輪高效區(qū)附近,運(yùn)行范圍較優(yōu),使得機(jī)組可靠性、穩(wěn)定性提高,機(jī)組大修周期延長(zhǎng)。該電站水輪發(fā)電機(jī)組的成功更新改造,可為其他類(lèi)似電站機(jī)組改造提供一定的技術(shù)參考。

        機(jī)組流場(chǎng)CFD計(jì)算對(duì)比分析結(jié)果表明,導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的改造將大大地降低導(dǎo)葉間的流速,極大地提高導(dǎo)葉及此區(qū)域抗磨板的壽命,消除電站的備品備件壓力;增加葉片數(shù)之后的長(zhǎng)短式葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu),基本消除了轉(zhuǎn)輪葉片之間的旋流,且使葉片尾部負(fù)壓區(qū)范圍減小,轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)的壓力分布更均勻,規(guī)律性更強(qiáng),高壓區(qū)和低壓區(qū)范圍擴(kuò)大;轉(zhuǎn)輪出口流態(tài)得到改善,水輪機(jī)水力穩(wěn)定性得以提高,給電廠和企業(yè)帶來(lái)顯著的效益;而埋設(shè)部件、調(diào)速器、油壓裝置等在改造后可繼續(xù)使用,又極大地降低了改造費(fèi)用,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

        [1] 賴(lài)喜德,吉 雷,李慶剛,孫見(jiàn)波,方玉建,楊洪忠. 基于數(shù)值試驗(yàn)的水輪機(jī)改造新方法[J]. 水利水電技術(shù),2005(6):81_84.

        [2] 黃荊強(qiáng). 高關(guān)水電站增效擴(kuò)容改造[J]. 水電與新能源,2014(12):25_26,30.

        [3] 王 麗,莫兆祥,錢(qián)宗河,錢(qián) 均,江 敏. 洋河灘水電站增效擴(kuò)容改造技術(shù)方案及效益分析[J]. 水電能源科學(xué),2014(5):165_167.

        [4] 羅興钅奇,姬晉廷. 混流式水輪機(jī)定常流動(dòng)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009(4):208_213,218.

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        [7] 辛?,吳俊宏,常近時(shí). 混流式水輪機(jī)的三維湍流流場(chǎng)分析與性能預(yù)測(cè)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(3):118_124,387.

        [8] 郭鵬程,羅興钅奇,覃延春. 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的混流式水輪機(jī)性能預(yù)估[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(17):132_137.

        責(zé)任編輯 吳 昊

        2015-05-29

        國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179)

        唐 健(1989-),男,碩士研究生。主要研究方向:動(dòng)力機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。 E_mail:tangjianmofei1@126.com

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