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        水力透平水動力學(xué)設(shè)計及性能預(yù)測

        2020-09-10 10:00:28
        流體機(jī)械 2020年7期
        關(guān)鍵詞:效率設(shè)計

        (西華大學(xué),成都 610039)

        0 引言

        水電站技術(shù)供水系統(tǒng)主要向水電機(jī)組相關(guān)設(shè)備提供冷卻和(或)潤滑水,其對水電機(jī)組正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。技術(shù)供水方式通常有自流供水、水泵供水、混合供水等。其中自流供水方式應(yīng)用在較高水頭電站時,需要用減壓閥進(jìn)行減壓,這必然造成能量損失,然而采用恰當(dāng)?shù)乃ν钙椒桨讣饶苓M(jìn)行能量回收,又能起到減壓的作用[1-9]。

        1 工程背景

        四川某水電站裝設(shè)有4臺(單機(jī)25 MW)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,電站設(shè)計水頭156 m,單機(jī)設(shè)計流量 16.46 m3/s,年平均發(fā)電量 3.5×109kW·h,年平均利用3 890 h。水電站技術(shù)供水情況如下:(1)取水、供水方式:壓力鋼管取水,自流減壓供水;(2)取水總管管徑:250 mm;(3)減壓閥進(jìn)口壓力:1.3~1.8 MPa之間,額定壓力為 1.5 MPa;(4)減壓閥出口壓力:0.25~0.35 MPa之間,額定壓力為0.3 MPa;(5)單機(jī)技術(shù)供水用水量300 m3/h。由此可知,減壓閥的前后壓差為1.2 MPa。

        2 水力設(shè)計參數(shù)確定

        結(jié)合上述工程背景,由于該電站2臺機(jī)組共用一個減壓閥,其過流量為2臺機(jī)組技術(shù)供水量之和,所以水力透平額定工況流量QTr為600 m3/h、水頭HTr為120 m。再考慮采用額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min的異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī),因此其在發(fā)電工況下的轉(zhuǎn)速n設(shè)定為3 050 r/min。至此水力透平的主要水力設(shè)計參數(shù)就已確定。

        為了采用CFturbo進(jìn)行水動力學(xué)設(shè)計,需確定對應(yīng)泵工況下的水力設(shè)計參數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[10]可確定相同轉(zhuǎn)速下泵設(shè)計工況參數(shù)。

        (1)泵揚(yáng)程HP與水力透平水頭HT之間的關(guān)系可表示為:

        式中 μ——滑移系數(shù);

        ηhp——水泵水力效率;

        ηht——水力透平水力效率。

        (2)泵流量QP與水力透平流量QT之間的關(guān)系可表示為:

        此外,文獻(xiàn)[10]列出了部分泵做水力透平的試驗(yàn)結(jié)果,見表1。

        表1 水泵工況和水力透平工況試驗(yàn)結(jié)果[11-16]

        參考表1和文獻(xiàn)[17],初步取QP/QT=0.75、HP/HT=0.68。因此,根據(jù)水力透平的設(shè)計參數(shù)可確定泵工況下的額定流量QPr為450 m3/h、揚(yáng)程HPr為 81.6 m、轉(zhuǎn)速 nP為 3 050 r/min。

        一般情況下,泵作水力透平時效率略低于泵的效率。因此,只有所設(shè)計的泵具有較高的效率,在水力透平工況才可能具有較高的效率。參照文獻(xiàn)[18],泵的效率與比轉(zhuǎn)速相關(guān)。由泵設(shè)計參數(shù)確定泵比轉(zhuǎn)速ns為145,根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知,其最高效率ηpmax應(yīng)不低于83.5%。

        3 水力透平水動力學(xué)設(shè)計

        利用泵反轉(zhuǎn)作水力透平的思想,首先應(yīng)對泵進(jìn)行水動力學(xué)設(shè)計。CFturbo是一款專業(yè)的泵設(shè)計軟件,它只需要輸入一些基本的設(shè)計參數(shù),再進(jìn)行局部調(diào)整,就可以快速生成葉輪、蝸殼等部件的實(shí)體。

        3.1 葉輪設(shè)計

        在Cfturbo建模界面輸入泵額定工況的流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速,軟件即可根據(jù)強(qiáng)大的離心泵數(shù)據(jù)庫自動生成合適的離心泵軸面投影圖,再適當(dāng)調(diào)整葉輪前、后蓋板流線,以保證過流斷面面積變化盡量平滑。同時,軟件即可自動設(shè)計出葉片雛形,再根據(jù)實(shí)際需要對進(jìn)口邊倒圓角、調(diào)整葉片厚度,最后完成三維模型設(shè)計,葉輪水體和葉片實(shí)體分別如圖1(a)、(b)所示。葉輪的基本參數(shù)見表2。

        圖1 葉輪水體與葉片模型

        表2 葉輪參數(shù)

        3.2 蝸殼設(shè)計

        在CFturbo中蝸殼設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計方式基本一致,根據(jù)軟件提示進(jìn)行參數(shù)適當(dāng)調(diào)整,最后生成蝸殼實(shí)體,如圖2所示。該蝸殼出口直徑為150 mm。

        圖2 蝸殼三維實(shí)體

        3.3 尾水管設(shè)計

        根據(jù)電站現(xiàn)場情況,水力透平擬采用管道泵結(jié)構(gòu)布置方式。對于該結(jié)構(gòu),因其進(jìn)出口口徑相同且在同一直線上,仿似一段管道,可安裝在管道的任何位置。當(dāng)泵做水力透平時,泵的吸水室相當(dāng)于水力透平的尾水管,所以水力透平尾水管的設(shè)計相當(dāng)于泵吸水室的設(shè)計。根據(jù)工況相似的管道泵尺寸,即可設(shè)計泵吸水室,即水力透平的尾水管,其出口直徑為150 mm。

        由于實(shí)際供水系統(tǒng)中取水總管直徑為250 mm,因此水力透平的進(jìn)出口段均需加入一段漸變段與管道匹配。

        經(jīng)過上述設(shè)計,最后得到水力透平的全流到三維水體模型如圖3所示。

        4 性能預(yù)測

        將模型導(dǎo)入ANSYS CFX前處理軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為1 913 781,最差網(wǎng)格質(zhì)量為0.25。數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。選擇25 ℃水為輸送介質(zhì)。

        進(jìn)口邊界條件按質(zhì)量流量進(jìn)口設(shè)定,對泵工況在270~630 m3/h流量范圍內(nèi)設(shè)定5個工況計算;對水力透平工況在360~840 m3/h流量范圍內(nèi)設(shè)定5個工況計算。

        出口邊界條件采用靜壓出口條件,對泵工況出口(即水力透平進(jìn)口)靜壓設(shè)定為1.5 MPa,對水力透平出口靜壓設(shè)定為0.3 MPa。

        固壁條件:各固體壁面均采用無滑移壁面邊界條件,設(shè)置葉輪為轉(zhuǎn)動部件,其轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 050 r/min,蝸殼及尾水管為固定部件。

        交界面:葉輪與蝸殼、葉輪與尾水管的交界面為動靜交界面,采用Frozen Rotor處理,其余交界面定義為靜靜交界面。

        4.1 水力透平性能預(yù)測

        對泵工況,在保持出口壓力不變的情況下,取0.6QPr,0.8QPr,1.0QPr,1.2QPr,1.4QPr等 5 個計算流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬,以預(yù)測泵的性能。預(yù)測結(jié)果見表3。

        表3 泵性能參數(shù)

        預(yù)測結(jié)果表明,泵在額定流量處揚(yáng)程為80.93 m,僅比設(shè)計值低0.67 m,相對誤差為0.81%。在該流量下泵水力效率最高,為86.94%,再考慮容積損失效率和機(jī)械效率均為99%,則在額定流量處泵的效率ηP為85.210%,滿足設(shè)計要求。

        對水力透平工況,在保持出口壓力不變的情況 下,取 0.6QTr,0.8QTr,1.0QTr,1.2QTr,1.4QTr等 5個計算流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬,以預(yù)測水力透平的性能。預(yù)測結(jié)果見表4。

        表4 水力透平性能參數(shù)

        預(yù)測結(jié)果表明,在額定流量下水力透平水頭為123.77 m,比設(shè)計值大3.77 m,相對誤差僅為3.14%。另一方面,若水力透平按120 m水頭工作時,其流量為589.77 m3/h,相比額定流量減少了10.23 m3/h,相對誤差僅為1.7%。水力透平的最高水力效率在0.9QTr處,為87.21%,額定流量時的水力效率為83.53%,僅比最高效率下降3.68%。再考慮容積效率和機(jī)械效率,額定流量處水力透平的效率ηT為81.86%。

        4.2 節(jié)能效益分析

        在額定流量工況下,采用水力透平替代減壓閥后,每臺水力透平可輸出的電功率按下式計算:

        式中 P——電功率,kW;

        ρ——密度,kg/m3;

        ηg——發(fā)電機(jī)效率,取ηg=85%。

        由式(3)計算可知,每臺水力透平可輸出電功率P為140.81 kW。

        由于該電站共設(shè)有兩臺減壓閥,所以應(yīng)設(shè)兩臺水力透平。按該電站水輪發(fā)電機(jī)組年利用小時數(shù)計算,每年可產(chǎn)的電能A可按下式計算:

        式中 A——電能,kW·h;

        n——水力透平數(shù);

        T——年利用小時數(shù),h。

        由式(4)計算可得,每年由水力透平獲得的電能為 1 095 501.8 kW·h。

        按2017年四川省水電上網(wǎng)電價對年調(diào)節(jié)水電站的上網(wǎng)電價規(guī)定,以 0.39元 /(kW·h)的電價計算,因此節(jié)能收益Y為:

        由式(5)可知電站每年節(jié)能效益為可達(dá)42.72萬元,節(jié)能效益顯著。但是,實(shí)際上由于機(jī)組運(yùn)行的需要,水力透平的年工作小時數(shù)比機(jī)組年利用小時數(shù)大。因此,其節(jié)能效益更加顯著。

        5 結(jié)論

        (1)利用泵反轉(zhuǎn)可作水力透平的思想,采用Cfurbo軟件首先對泵進(jìn)行水動力學(xué)設(shè)計,額定工況揚(yáng)程與初定值誤差僅為0.82%,最高效率為85.21%,其設(shè)計結(jié)果達(dá)到了泵工況水力性能要求。

        (2)相應(yīng)的水力透平在額定流量下水頭為123.77 m,與設(shè)計值誤差僅為3.17%,且能滿足供水系統(tǒng)減壓要求。相比泵工況而言,水力透平的效率有所下降,但總體效率較高,額定流量時效率為81.86%

        (3)利用水力透平代替減壓閥可獲得顯著的節(jié)能效益,該技術(shù)可在同類型水電站技術(shù)供水系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

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