向 升， 鄭 靜

(1. 中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2. 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231)

1 概 述

沙坪水電站位于四川省九龍縣，裝有3臺單機額定出力為55.67 MW的立式混流式水輪機，水輪機型號為HL(A855)-LJ-203，機組于2007年投運。水輪機設(shè)計的最大水頭為181.2 m，額定水頭為165 m，最小水頭為163.2 m，水輪機額定出力為55.67 MW，額定轉(zhuǎn)速為428.6 rpm。

機組自運行以來，存在可連續(xù)穩(wěn)定運行范圍窄、額定出力不足、部分負荷區(qū)域振動大而無法運行、轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋等問題。在低負荷運行情況下，該機組振擺數(shù)據(jù)較大、波動亦大(如上機架垂直振動有時達到1 mm)，尾水錐管振動明顯(肉眼可觀察到錐管振動)、水流撞擊聲大、尾水管渦帶振動明顯，部分負荷段能感覺到樓板振動，39 MW負荷下基本不能運行。該機組不能帶滿負荷運行(既使帶到滿負荷也會降到53 MW左右)。

鑒于該機組存在的振動、裂紋、出力限制等問題，已嚴(yán)重影響到機組的安全運行和電站的經(jīng)濟效益，因此，迫切需要對沙坪水電站水輪機進行升級改造，以滿足電網(wǎng)對電站日益嚴(yán)格的運行要求。該電站業(yè)主和設(shè)計院經(jīng)過多方咨詢和充分的前期論證，最終決定于2021年正式啟動沙坪水電站水輪機升級擴容改造工程。

2 水輪機升級改造的目標(biāo)

該電站于2020年即啟動了水輪機升級改造的前期調(diào)研和咨詢工作，先后和國內(nèi)外多個水輪機設(shè)備制造廠家就該電站水輪機存在的問題和升級改造方案開展了多次技術(shù)交流，并具體考察了所屬水輪機廠家的技術(shù)實力和制造能力，最終確定了水輪機升級改造工程的目標(biāo)：通過更換水力性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機構(gòu)等零部件，以達到提高機組運行穩(wěn)定性、擴大可運行范圍、提升效率、增大出力的升級改造目標(biāo)。具體來講，即要求機組改造后能滿足正常負荷區(qū)域(45%～100%額定出力)連續(xù)穩(wěn)定運行，以及長時間低負荷區(qū)域(小于45%額定出力)安全穩(wěn)定運行的特殊要求，以滿足電網(wǎng)調(diào)度組合工況的需求；機組額定出力能提升5%至58.45 MW；水輪機效率應(yīng)比原機組有所提升。

該項目于2021年啟動了招標(biāo)工作，共收到五家設(shè)備廠商的投標(biāo)方案。經(jīng)電站業(yè)主和咨詢專家進行多次討論和交流澄清，對設(shè)備廠商的技術(shù)方案和經(jīng)濟指標(biāo)作了全方位的比較與權(quán)衡，最終確定由杭州睿博水電科技有限公司承接該電站的水輪機升級改造項目。改造前后水輪機主要參數(shù)對比情況見表1。

表1 改造前后水輪機主要參數(shù)對比表

3 水輪機改造優(yōu)化設(shè)計方案的設(shè)定

鑒于水電站水輪機升級改造項目技術(shù)要求很高，通過升級改造，既要消除機組現(xiàn)有的缺陷，還要確保改造后的新舊機組完美匹配，安全穩(wěn)定運行，不產(chǎn)生新問題，方能達到水輪機升級改造的預(yù)期目標(biāo)。升級改造項目從客觀上講對業(yè)主、設(shè)計院、設(shè)備廠商都提出了很高的技術(shù)能力要求：自主研發(fā)的技術(shù)能力、合適的基礎(chǔ)水力設(shè)計模型和完整的模型水輪機試驗、CFD優(yōu)化設(shè)計分析能力以及電站改造項目經(jīng)驗等都是至關(guān)重要的。

3.1 轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計采用的主要優(yōu)化方法

在水輪機改造優(yōu)化設(shè)計方面，各水輪機制造廠家都進行了很多研究。效率、出力、穩(wěn)定性、空化性能是機組改造的主要優(yōu)化方向。

水輪機的升級改造需要在一個合適的基礎(chǔ)水力設(shè)計模型上，通過CFD優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，結(jié)合被改造電站的具體參數(shù)和改造要求，有針對性的進行優(yōu)化提升，并對改造后的機組性能做出合理、準(zhǔn)確的評估和預(yù)測，才能如期實現(xiàn)電站改造的目標(biāo)[1]。

(1)調(diào)整最優(yōu)點位置的優(yōu)化設(shè)計。機組額定出力提升時，其額定單位流量有所增大。為提高機組部分負荷工況的穩(wěn)定性，將轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位流量向部分負荷工況偏移可以降低機組部分負荷工況下尾水管渦帶的能量[2]。

(2)轉(zhuǎn)輪葉片進水邊的優(yōu)化設(shè)計。轉(zhuǎn)輪葉片進水邊形狀對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部水流壓力脈動、進水邊空化、部分負荷工況脫流現(xiàn)象等影響較大。進行轉(zhuǎn)輪CFD優(yōu)化設(shè)計時，一定要有針對性地進行優(yōu)化嘗試，選取合適的葉片進口型線和傾角，使轉(zhuǎn)輪對水流具有良好的適應(yīng)性[3]。

(3)進行轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的優(yōu)化設(shè)計以消除卡門渦誘發(fā)的振動。卡門渦通常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊，且穩(wěn)定的卡門渦會成為機組振動的振源因素之一。優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片出水邊葉型可以避免卡門渦的產(chǎn)生，提高機組的穩(wěn)定性能[4]。

(4)優(yōu)化活動導(dǎo)葉型線，使其與轉(zhuǎn)輪葉片匹配，在轉(zhuǎn)輪進口區(qū)域形成穩(wěn)定、均勻的流場，以提高機組的效率和穩(wěn)定性[5]。

3.2 基礎(chǔ)水力模型的確定

由于中小型水電站水輪機改造項目預(yù)算和周期的限制，一般情況下都不具備在改造實施前做模型水輪機試驗的可能性，因此，一個完全相同或接近于改造項目實際運行工況的基礎(chǔ)水力設(shè)計模型即成為電站成功改造的關(guān)鍵因素之一。

睿博公司出品的L269中水頭模型轉(zhuǎn)輪是睿博公司于2008年為挪威Tj?rhom項目做的模型水輪機開發(fā)，于2008年年底在挪威NTNU水力機械模型試驗室完成模型試驗。模型試驗的結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)輪具有比較優(yōu)秀的水力設(shè)計，且其設(shè)計參數(shù)和沙坪水電站水輪機的運行工況接近。在進一步針對沙坪水電站水輪機的運行工況做CFD優(yōu)化設(shè)計后，可以滿足沙坪水電站的改造目標(biāo)要求。

L269模型轉(zhuǎn)輪的基本參數(shù)如下：

模型轉(zhuǎn)輪編號：L269

推薦使用水頭范圍：120～200 m

模型轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)：13

轉(zhuǎn)輪出口直徑D2:350 mm

轉(zhuǎn)輪葉片進口直徑D1:390.1 mm

導(dǎo)葉相對高度B0/D2：0.26

導(dǎo)葉分布圓相對直徑Dp/D2:1.25

活動導(dǎo)葉數(shù):24

固定導(dǎo)葉數(shù):24

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n11*:70.3 rpm

最優(yōu)單位流量Q11*:0.566 m3/s

模型水輪機最優(yōu)效率ηhM：95.41%

從模型水輪機的試驗報告看：此L269模型水輪機和沙坪水電站的運行工況比較接近，模型水輪機的性能亦比較優(yōu)秀，各項指標(biāo)比較均衡。但是，由于原沙坪水電站水輪機流道尺寸與該模型水輪機存在一定差異，特別是電站改造后對于低負荷區(qū)域安全運行的特殊工況要求，水輪機設(shè)備廠商需要在此基礎(chǔ)模型上通過CFD優(yōu)化設(shè)計的方法對轉(zhuǎn)輪設(shè)計做出適當(dāng)調(diào)整，在水力設(shè)計和機械設(shè)計兩個方面都需要進行優(yōu)化提升，以使其更加切合沙坪水電站水輪機改造的初衷。

3.3 CFD優(yōu)化設(shè)計

3.3.1 蝸殼和尾水管的CFD分析

此次沙坪水電站水輪機改造項目中不包含已經(jīng)埋入廠房混凝土的水輪機蝸殼和尾水管。因此，在進行水輪機改造設(shè)計時，需要對原蝸殼、尾水管流道進行一次CFD分析，以評判其對于新轉(zhuǎn)輪的影響。

對比睿博L269基礎(chǔ)模型水輪機，沙坪水電站原蝸殼進口尺寸和進口偏心距離更大。沙坪水電站固定導(dǎo)葉為23只，而睿博L269模型水輪機的固定導(dǎo)葉為24只。通常情況下，蝸殼尺寸的增大更有利于蝸殼座環(huán)區(qū)域的流場分布，有利于減少該部件的水力損失。CFD分析計算的結(jié)果顯示：沙坪水電站蝸殼的水力損失和睿博L269模型水輪機蝸殼的水力損失相當(dāng)。沙坪水電站蝸殼壓力分布情況見圖1。

圖1 沙坪水電站蝸殼壓力分布圖

按照沙坪水電站原尾水管設(shè)計圖，沙坪水電站尾水管比L269模型水輪機尾水管深10%。通常，更深的尾水管有利于減少機組部分負荷區(qū)域的水力損失和壓力脈動。沙坪水電站的尾水管出口寬度與L269模型水輪機尾水管相當(dāng)，但其長度比L269模型水輪機尾水管略短，致使其出口擴散角比較大。

圖2顯示了尾水管的水力損失與渦流數(shù)S之間的關(guān)系。渦流數(shù)S是一個無量綱數(shù)，用于描述水流流場的旋轉(zhuǎn)運動情況。在水輪機設(shè)計中，渦流數(shù)向滿負荷(正S值)和部分負荷(負S值)方向增加。與睿博L269參考模型水輪機相比較，沙坪水電站原尾水管的水力損失比睿博L269略大。在最優(yōu)效率區(qū)域，即S=0，二者的差別約為0.05%。沙坪水電站尾水管與睿博L269模型尾水管水力性能比較情況見圖2。

圖2 沙坪水電站尾水管與睿博L269模型尾水管水力性能比較圖

3.3.2 活動導(dǎo)葉CFD優(yōu)化設(shè)計

原沙坪水電站活動導(dǎo)葉數(shù)與睿博L269模型水輪機活動導(dǎo)葉數(shù)量一樣，均為24個。在CFD優(yōu)化設(shè)計中，活動導(dǎo)葉的分布圓按照沙坪水電站現(xiàn)有導(dǎo)葉分布圓2 480 mm設(shè)計，導(dǎo)葉高度按480 mm設(shè)計。

由于睿博L269模型水輪機為多年前的設(shè)計成果，其活動導(dǎo)葉采用的是常規(guī)對稱型活動導(dǎo)葉，為比較傳統(tǒng)的型線設(shè)計。在沙坪水電站水輪機改造過程中，設(shè)備廠家將采用水力性能更優(yōu)的非對稱型活動導(dǎo)葉型線，其水力性能比沙坪水電站的對稱型活動導(dǎo)葉要好，更適用于沙坪水電站機組的改造。

活動導(dǎo)葉的CFD分析計算是在一個轉(zhuǎn)輪葉片和一個活動導(dǎo)葉的耦合流場內(nèi)進行的。CFD分析計算結(jié)果顯示：采用非對稱型活動導(dǎo)葉后，比對稱型活動導(dǎo)葉能更好地適應(yīng)沙坪水電站機組穩(wěn)定運行的要求。

圖3顯示了優(yōu)化設(shè)計后的非對稱型活動導(dǎo)葉應(yīng)用到沙坪水電站時的流場壓力分布情況。使用優(yōu)化設(shè)計后的L269S活動導(dǎo)葉型線后，水力損失比原參考模型水輪機活動導(dǎo)葉型線減少了0.2%, 相當(dāng)于水輪機效率提升了0.2%。此外，更為重要的是，在新優(yōu)化設(shè)計后的L269S活動導(dǎo)葉出口側(cè)，流場的壓力分布沿圓周方向更加均勻，其可以直接降低轉(zhuǎn)輪進口與活動導(dǎo)葉之間的壓力波動，降低轉(zhuǎn)輪動態(tài)載荷，提高轉(zhuǎn)輪運行的穩(wěn)定性能。CFD優(yōu)化設(shè)計后的非對稱型活動導(dǎo)葉應(yīng)用到沙坪水電站時的壓力分布情況見圖3。

圖3 CFD優(yōu)化設(shè)計后的非對稱型活動導(dǎo)葉應(yīng)用到沙坪水電站時的壓力分布圖

3.3.3 轉(zhuǎn)輪CFD設(shè)計優(yōu)化和FEA分析

為滿足沙坪水電站低負荷區(qū)域運行的特殊要求，提高機組運行的整體穩(wěn)定性和安全性，進行轉(zhuǎn)輪的CFD優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。經(jīng)CFD優(yōu)化設(shè)計后的L269S轉(zhuǎn)輪參數(shù)如下(單位參數(shù)按D1計算)：

出口直徑D2為1.894 m

進口直徑D1為2.1 m

最優(yōu)點流量Q*為30.5 m3/s

最優(yōu)點水頭H*為179.5 m

最優(yōu)單位流量Q11*為0.516 m3/s

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n11*為67.2 rpm

轉(zhuǎn)速n為428.6 rpm

額定出力為58.45 MW

葉片數(shù)為15

運用CFD和FEA技術(shù)，新L269S轉(zhuǎn)輪葉片的型線按沙坪水電站運行要求進行了以下調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計，沙坪水電站L269S轉(zhuǎn)輪葉片CFD壓力分布情況見圖4。

圖4 沙坪水電站L269S轉(zhuǎn)輪葉片CFD壓力分布圖

調(diào)整最優(yōu)工況點到比較低的單位轉(zhuǎn)速和較低的單位流量上，以滿足機組在低負荷區(qū)域運行的穩(wěn)定性要求。

在轉(zhuǎn)輪進口尺寸上，比原沙坪水電站機組轉(zhuǎn)輪適當(dāng)放大，在抗汽蝕性能上有所提高。

增強了轉(zhuǎn)輪在高水頭低負荷區(qū)域的進口汽蝕性能，使其背部脫流區(qū)遠離沙坪水電站的最高運行水頭線，擁有足夠的安全余量。

將 轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)調(diào)整為15，有利于降低轉(zhuǎn)輪進口壓力波動，提高轉(zhuǎn)輪運行的穩(wěn)定性能。

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)調(diào)整為15后，提高了出水邊抗汽蝕性能，更有利于滿足沙坪水電站的最小裝機汽蝕系數(shù)。

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)調(diào)整為15，更能避免轉(zhuǎn)輪進口內(nèi)壓力波動和蝸殼內(nèi)壓力波動的共振，有利于提高轉(zhuǎn)輪運行的穩(wěn)定性能。

轉(zhuǎn)輪葉片厚度的適當(dāng)增加，能夠提高轉(zhuǎn)輪在極低負荷條件下運行的剛強度，降低其應(yīng)力水平；同時，適當(dāng)增厚的葉片出水邊能提高轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率，避免共振風(fēng)險。當(dāng)然，增厚的葉片出水邊會使轉(zhuǎn)輪效率有所下降。

沙坪水電站轉(zhuǎn)輪葉片出水邊在參考模型轉(zhuǎn)輪出水邊上適當(dāng)進行了延長，有利于提高出水邊的汽蝕性能。

沙坪水電站轉(zhuǎn)輪葉片頭部的適度優(yōu)化，能夠提高轉(zhuǎn)輪在高水頭運行時進口的抗汽蝕性能，使葉片背部脫流區(qū)遠離機組運行范圍。

與此同時，對沙坪水電站轉(zhuǎn)輪葉片的進口邊角度和型線厚度進行了優(yōu)化設(shè)計，以確保高水頭低負荷和低水頭高負荷運行時的進口汽蝕性能。

轉(zhuǎn)輪經(jīng)CFD優(yōu)化設(shè)計后，需要對轉(zhuǎn)輪進行FEA分析，以便對其應(yīng)力、應(yīng)變、固有頻率、動態(tài)應(yīng)力、疲勞壽命等做出評估和校核，確保轉(zhuǎn)輪機械結(jié)構(gòu)安全可靠。必要時，需要重新調(diào)整其葉片或上冠下環(huán)型線，使轉(zhuǎn)輪在水力性能和機械強度上達到平衡。

4 L269S轉(zhuǎn)輪性能預(yù)測

水輪機在進行CFD優(yōu)化設(shè)計的同時可以獲得機組性能的預(yù)測。

4.1 水輪機效率

水輪機效率的預(yù)測以L269模型水輪機試驗結(jié)果為基礎(chǔ)進行。根據(jù)對沙坪水電站機組原蝸殼、尾水管進行的CFD分析，以及活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的CFD優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，對原模型水輪機的效率水平進行了調(diào)整，并預(yù)測新L269S水輪機的最優(yōu)效率為95.8%。

L269模型水輪機最優(yōu)效率試驗結(jié)果為95.41%。

沙坪水電站L269S水輪機水力效率的調(diào)整:

蝸殼座環(huán) 0%

尾水管 -0.05%

活動導(dǎo)葉優(yōu)化 +0.2%

轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)化 -0.3%

止漏環(huán)設(shè)計 -0.05%

安全余量 -0.4%

總效率調(diào)整 -0.6%

最終將L269S CFD模型水輪機最優(yōu)效率調(diào)整為94.81 %。

沙坪水電站真機最優(yōu)效率為(按莫迪公式換算)95.8%。

4.2 運行范圍

對于經(jīng)過CFD優(yōu)化設(shè)計后的沙坪水電站L269S水輪機，設(shè)備廠家提出了34%～100%額定出力的連續(xù)穩(wěn)定運行范圍，該連續(xù)穩(wěn)定運行范圍比改造合同中規(guī)定的45%～100%額定出力范圍寬。將低于34%額定出力的低負荷區(qū)域定義為臨時運行區(qū)域。由于混流式水輪機天然固有的水力特性，機組在低負荷區(qū)域運行時其汽蝕、渦帶和動態(tài)應(yīng)力會增大，對轉(zhuǎn)輪壽命存在負面影響。因此，必須對在該低負荷區(qū)域的臨時運行時間有一定限制，以避免機組因長期運行在惡劣工況下?lián)p壞，例如葉片裂紋。因此，在設(shè)定機組連續(xù)穩(wěn)定運行范圍時需要充分考慮水輪機的水力性能，結(jié)合電站運行工況需求合理設(shè)定。

4.3 汽蝕性能

圖5中的曲線顯示的是轉(zhuǎn)輪葉片汽蝕趨勢，從圖中可以看出：在設(shè)計尾水位高程2 004 m工況下，轉(zhuǎn)輪在正常負荷運行區(qū)域其需求的尾水位高程比設(shè)計尾水位高程低，沒有出現(xiàn)汽蝕的風(fēng)險。L269S轉(zhuǎn)輪汽蝕性能見圖5。

圖5 L269S轉(zhuǎn)輪汽蝕性能示意圖

5 結(jié) 語

沙坪水電站水輪機改造業(yè)已完成并投入運行，機組出力滿足設(shè)計要求，運行平穩(wěn)，達到了改造優(yōu)化的目的。

2004年，中國國內(nèi)的水電站總裝機容量就超過了1億kW，時至今日，很多機組已經(jīng)進入升級改造周期。沙坪水電站水輪機存在的運行問題在國內(nèi)眾多中小型混流式水輪機機組中具有一定的典型性。沙坪水電站水輪機的改造優(yōu)化，可以為國內(nèi)中小型水電站水輪機改造提供一定的參考和借鑒。