中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司 陳長游

某水電站裝有2臺半傘式混流式機組，發(fā)電機型號SF26-52/7600、水輪機型號為HL820-LJ-380，其設計水頭28m，設計出力值為26MW。機組自1995年投運以來，一直存在出力不足的問題。通過多年實際運行情況的統(tǒng)計分析，凈水頭約為29.5m，單機組最高出力約為25.5MW，當2臺機組同時運行時，在28.5m 水頭下單機負荷只能帶至24.5MW，比額定出力低5.8%，比同等水頭下最大出力低12.5%，目前機組多年平均運行水頭為29.5m，按設計出力分析2臺機組同時運行，單機出力明顯不足。

因此，通過一種低水頭段大流量高效混流式轉(zhuǎn)輪的探索與應用，從而解決機組出力不足問題，增加發(fā)電量，提高效益。

一是解決機組出力不足問題，增加發(fā)電量，從而提高效益。二是優(yōu)化梯級電站間調(diào)度。隨著機組最大出力增加，機組額定流量也相應地增加，從而改善了上下梯級電站間流量匹配性問題，可進一步提升電站間的優(yōu)化調(diào)度空間，同時降低了防洪壓力。三是提高水能利用率，減少棄水。機組出力提高，從而可增加豐水期發(fā)電量，減少棄水，進一步提高水能利用率和電站防洪能力，特別是遇到豐水年效果將更加明顯。四是為同類型機組類似問題提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。目前國內(nèi)20～45m 水頭段下的低水頭，在現(xiàn)有導葉高度0.35m 的轉(zhuǎn)輪型譜中，并無可直接供選擇的大流量高轉(zhuǎn)速比的轉(zhuǎn)輪。

1 試驗分析

通過機組穩(wěn)定性試驗、發(fā)電機通風、溫升試驗、水輪機相對效率試驗、引水系統(tǒng)水頭損失試驗及尾水位與負荷關系曲線實測等運行過程測試發(fā)現(xiàn)：一是通過試驗，排除水頭損失及尾水位影響，發(fā)電機對出力限制的影響；尾水抬升不是機組出力不足的主要原因；二是該機組高效區(qū)靠前，機組負荷最大時效率降低明顯；三是通過對原水輪機的CFD 流場計算分析發(fā)現(xiàn)，各個工況整體效率偏低，其中額定工況下最高效率為89.2%，計算結(jié)果顯示該工況下的流量為96.819m3/s，與設計工況下的流量值相比偏小，說明原轉(zhuǎn)輪過流能力不足，不能滿足預期的設計出力要求。

因此，應對現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪進行更換新的高效轉(zhuǎn)輪，從加大轉(zhuǎn)輪過流能力及增大葉片接觸面積，并加大葉片進口邊半徑等措施，從而達到恢復或增大出力的目的。

2 轉(zhuǎn)輪的設計

轉(zhuǎn)輪的設計是采用基于CFD 分析技術(shù)的優(yōu)化設計方法，通過對葉片形狀的合理改變，增大葉片進出口安放角度，減少進水邊尺寸，以增大轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速和單位流量，并采用合理的翼型厚度分布規(guī)律和X-翼型，從而提高轉(zhuǎn)輪效率和降低汽蝕系數(shù)。

2.1 水輪機凈水頭的核算

2.1.1 上下游水位和毛水頭

根據(jù)水位運行信息，電站最小毛水頭為：28.5m，最大毛水頭為：30.5m。

2.1.2 引水管路的水頭損失計算

為了進一步核算引水管路的水頭損失，擬采用CFD 流動模擬分析和經(jīng)驗統(tǒng)計公式Moody 計算表進行比對驗算方法。

一是首先用以上兩種方法對10m 長直管段進行比對計算。主管道材料為碳鋼，根據(jù)投運年限，表面粗糙度可以對等地認為有中輕度腐蝕的碳鋼表面粗糙度，其粗糙度值在0.15～1mm，為保守計算取其絕對粗糙度為0.8mm，相對粗糙度為1.38E-04。

首先用CFD 模擬分析對10m 長直管段計算，按應用后出力為28.4MW（額定出力26MW×105%），凈水頭28m，初步計算水輪機流量為115m3/s。CFD 分析10m 長管道水頭損失為0.0271m，再用經(jīng)驗統(tǒng)計公式Moody 計算表進行比對驗算。

CFD 計算結(jié)果：管道直徑φ5800mm，管道內(nèi)的雷諾數(shù)為2.53E+07，相對粗糙度為1.38E-04，從Moody 計算表中查出阻力系數(shù)為0.145，按照水頭損失計算公式計算損失為0.0242m，與CFD 計算結(jié)果相當吻合，即10m 管段誤差只有0.003m，因此CFD 分析方法計算管道損失是可靠的。

用CFD 分析方法對全管路進行計算。采用CFD模擬分析方法，對全部引水管路水頭損失進行了計算，由于管路太長，分兩段進行模擬分析。

CFD 分析計算結(jié)果：攔污柵部分引水管段區(qū)域水頭損失為0.0329m，直管段區(qū)域水頭損失為0.286m，計算總損失為0.319m。把管道內(nèi)部接縫，轉(zhuǎn)彎，收縮和幾何造型誤差引起的水力損失考慮在內(nèi)，這些因素引起的損失預估在0.2m。預估引水段總水頭損失為0.486m，按最小電站毛水頭計算，引水段總水頭損失占1.7%（最小毛水頭28.5m）。

2.1.3 水輪機凈水頭核算

在流量為115m3/s，毛水頭在28.5～30.5m 的前提下，水輪機凈水頭應該在28～30m。為了使新轉(zhuǎn)輪能夠在更大水頭范圍內(nèi)滿足額定出力，取靜水頭的范圍上下浮動2.5%，新轉(zhuǎn)輪的凈水頭定在27.3～30.8m[1]。

2.2 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計

在電站參數(shù)和原流道（蝸殼、導水機構(gòu)和尾水管等）幾何參數(shù)不變的限制條件下，采用為電站“量身定制”的基于CFD 模擬分析技術(shù)的優(yōu)化設計方法，即同時對多目標進行優(yōu)化設計算法，以達到設計目標要求。

2.2.1 確定設計目標

保證額定出力26MW，將新優(yōu)化設計轉(zhuǎn)輪的額定水頭定為28m，在原有機組安裝高程保持不變的情況下，新轉(zhuǎn)輪的額定點為單位流量Q11=1.478，單位轉(zhuǎn)速n11=82.87。

2.2.2 初選基礎轉(zhuǎn)輪

目前，有相近轉(zhuǎn)輪導葉高度0.357，用到最大單位流量Q11max=1.525，并對初選轉(zhuǎn)輪壓低導葉高度由0.357到0.35，修改下環(huán)適應原座環(huán)安裝要求。

2.2.3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計

一是對初選轉(zhuǎn)輪初步改型，主要壓低導葉高度和修改下環(huán)適應舊流道。二是通過MODOA 算法來實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計，針對該機組定義多維組合函數(shù)，包含水力效率、空化系數(shù)（氣蝕系數(shù)）和尾水管穩(wěn)定性因子。三是計算結(jié)果：轉(zhuǎn)輪水力效率接近97%，相當于整個水輪機整體效率到達93.5%～94.5%，具有較好的水力性能。四是采用基于細密網(wǎng)格CFX 流動分析水輪機性能，以保證滿足要求。

2.2.4 飛逸轉(zhuǎn)速計算

飛逸轉(zhuǎn)速是應用迭代計算得到的結(jié)果，計算中由于時間和資源限制、氣蝕和超氣蝕影響被忽略，實際飛逸轉(zhuǎn)速比基于CFD 分析得到計算值低將近10%，最大飛逸轉(zhuǎn)速205rpm。

圖1 基于CFD 分析 綜合特性曲線

2.2.5 轉(zhuǎn)輪強度計算

轉(zhuǎn)輪強度計算采用有限元分析方法。通過有限元分析計算適當修改葉片厚度分布使得轉(zhuǎn)輪最大應力值低于103MPa，計算條件是葉片壓力分布值取最大出力工況點下1.2倍。

轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片材料均為ZG06Cr13 Ni5Mo，其最大靜態(tài)應力值103MPa 低于材料的疲勞應力水平，按照正常運行核算，其安全系數(shù)為5.33倍，葉片最大應力不超過葉片材料最小屈服強度的1/5，因此滿足機組安全運行要求的最大許用應力。

2.2.6 避免機組共振現(xiàn)象

為了避免由于轉(zhuǎn)輪自然頻率引起共振現(xiàn)象，對于轉(zhuǎn)輪水下頻率進行了計算。通過轉(zhuǎn)輪自然頻率和機組運行過程中可預見的激振頻率對比，不會發(fā)生共振現(xiàn)象[2]。

2.2.7 機組臨界轉(zhuǎn)速復核

從整個轉(zhuǎn)動軸系來看，軸系的總重量變化不大，對于第一和第二臨界轉(zhuǎn)速影響不大。由于新轉(zhuǎn)輪飛逸轉(zhuǎn)速降低，更換新轉(zhuǎn)輪后臨界轉(zhuǎn)速與飛逸轉(zhuǎn)速比超過130%，臨界轉(zhuǎn)速完全滿足機組安全穩(wěn)定運行的要求[3]。

2.2.8 新水輪機主要技術(shù)參數(shù)

表1 新的水輪機主要技術(shù)參數(shù)

3 新轉(zhuǎn)輪應用

3.1 試驗論證

結(jié)合該機組A 修，新轉(zhuǎn)輪在電站現(xiàn)場完成安裝和調(diào)試，并進行相關試驗驗證，主要包括有調(diào)速器性能試驗、穩(wěn)定性試驗、動平衡試驗、效率試驗、機組運行噪聲測試等，試驗主要結(jié)論如下。

一是機組調(diào)速器甩100%額定負荷時的動態(tài)品質(zhì)滿足相關標準，轉(zhuǎn)速上升值、蝸殼進口壓力上升值滿足調(diào)保計算的要求。二是機組各個部位的振動幅值、擺度幅值均未超過相關標準和發(fā)電企業(yè)的技術(shù)文件所規(guī)定的值。三是機組存在輕微的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡，綜合考慮轉(zhuǎn)子質(zhì)量和磁拉力認為，機組無需配重。四是出力、效率提高達到預期目標：

本次試驗包括28.92m、29.5m、30.01m 和30.79m 四個水頭，在毛水頭30.83m 時，機組達到最大出力30.11MW（實施前26.48MW），導葉開度97.99%。實施前（工作水頭29.87m）的水輪機的最高效率點為93.0%，對應負荷為23.5MW，偏離設計工況點較遠，90%以上的效率區(qū)為20～26MW，高效區(qū)靠前，機組負荷最大時效率降低明顯。實施應用后的水輪機的在毛水頭30.01m 時機組最優(yōu)工況為26.80MW，水輪機效率95.07%。

3.2 實際應用效果

3.2.1 機組穩(wěn)定性良好

機組實際運行各個部位的振擺幅值均未超標準，能夠滿足長時間安全穩(wěn)定運行。

3.2.2 經(jīng)濟效益增加明顯

機組實際運行發(fā)電量統(tǒng)計：平均單位小時發(fā)電量增加約0.176萬kW，按照多年平均年發(fā)電2115.43h 計算，平均每年可增加效益141.48萬元，項目總投資553.7萬元，因此4年即可收回成本。

3.2.3 社會效益不可估量

一是優(yōu)化區(qū)間調(diào)度，降低防洪壓力。隨著機組最大出力增加，機組額定流量也相應的增加，從而改善了烏溪江流域I、Ⅱ級梯級電站間流量匹配性問題，進一步提升電站間的優(yōu)化調(diào)度空間，同時降低了防洪壓力。二是填補技術(shù)空白，具有推廣價值。該轉(zhuǎn)輪是目前國內(nèi)現(xiàn)有的相同導葉高度（0.35m）下過流能力最大的轉(zhuǎn)輪，填補了國內(nèi)該水頭段和導葉高度下的轉(zhuǎn)輪型譜空白，可以推廣使用替代該水頭段下的老轉(zhuǎn)輪型號。三是節(jié)約大量成本，經(jīng)驗可供借鑒。真機轉(zhuǎn)輪的研究與開發(fā)是在沒有模型試驗前提下全部采用基于CFD 分析技術(shù)優(yōu)化設計方法，節(jié)省了大量研發(fā)費用和大大縮短了研發(fā)周期，這種全新模式為電站改造提供了既經(jīng)濟實用又可靠的解決方案，在今后的電站改造項目中具有廣泛的推廣價值，可以帶來重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

轉(zhuǎn)輪的設計是采用基于CFD 分析技術(shù)的優(yōu)化設計方法，采用大流量的高比轉(zhuǎn)速高效轉(zhuǎn)輪中，不僅節(jié)約成本，達到項目預期目標，也填補了該水頭段和導葉高度下的轉(zhuǎn)輪型譜空白，具有很好的實際運用價值、經(jīng)濟效益和社會效益。