中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的必要性和可行性

摘 要:在分析了我國中小型水輪機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的必要性和可行性后，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮的問題和改型設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。

關(guān)鍵詞:中小型水電站轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)空化性能

中圖分類號(hào):TK7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(a)-0133-01

我國早期己建成的大多中小型水電站中，由于受當(dāng)時(shí)建設(shè)技術(shù)水平和綜合投資資金的制約，水輪機(jī)在設(shè)計(jì)過程中主要借鑒前蘇聯(lián)早期的一些技術(shù)文件資料和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，由于沒有結(jié)合我國電站的實(shí)際地質(zhì)、水質(zhì)等特殊情況，從而導(dǎo)致絕大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組普遍存在性能指標(biāo)較落后、制造工藝差、選型設(shè)計(jì)不合理等問題。因此，對(duì)存在問題的中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，已成為水電站提高其機(jī)組綜合運(yùn)行效率的重要技術(shù)措施，同時(shí)也是電站水動(dòng)研究人員研究的一個(gè)重要課題。

1 中小型水電站水輪機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

前面已經(jīng)介紹了我國早期建設(shè)的大量中小型電站大多采用前蘇聯(lián)四五十年代的技術(shù)和資料，而且受我國機(jī)械制造工業(yè)發(fā)展較其它先進(jìn)國家落后等原因的影響，水輪機(jī)制造工藝技術(shù)相對(duì)較落后。在運(yùn)行過程中普遍發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量較差、效率較低、水輪葉片過流能力差等問題，加上早期該類電站受當(dāng)時(shí)歷史政治原因的影響，很多電站的水輪機(jī)機(jī)組在制作過程中沒有充分考慮電站自身特殊情況要求，而是死板硬套相關(guān)工程定型圖紙，或僅是按相關(guān)水工模型試驗(yàn)所獲得的靜態(tài)結(jié)果來硬性定性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致很多水輪機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中水利效率不高，機(jī)組長期運(yùn)行在轉(zhuǎn)輪低效工況區(qū)，使得機(jī)組綜合轉(zhuǎn)換效率較低。另外，很多中小型電站組已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行達(dá)40余年，受水力沖擊、泥沙磨損等外力破壞作用，機(jī)組很多過流部件已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的損害現(xiàn)象，其在性能和結(jié)構(gòu)等方面已不能滿足水電站高效經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)運(yùn)行的需要，尤其是機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉等過流部件，已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的汽蝕和磨損現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪葉片曲線遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致機(jī)組葉片間隙增加偏離設(shè)計(jì)的高效軌跡，造成轉(zhuǎn)輪綜合轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重下降。因此，對(duì)中小型水電站水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化水輪機(jī)外形結(jié)構(gòu)等技術(shù)手段，改善水輪機(jī)組的空蝕性能水平，增加其綜合出力，有效提高其運(yùn)行調(diào)節(jié)效率，將會(huì)給水電站帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)可行性分析

通過計(jì)算機(jī)三維數(shù)字化仿真分析軟件，自動(dòng)分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、葉片等過流部件的綜合性能，同時(shí)設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)電站實(shí)際特性要求，通過相關(guān)條件約束項(xiàng)的設(shè)置，利用計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算分析，獲得具有最大轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)水輪曲線結(jié)構(gòu)，為水輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)提高精確可靠的數(shù)據(jù)信息。高指標(biāo)性能的水輪機(jī)已經(jīng)在很多水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，其運(yùn)行條件效率不斷被提高，為我國中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)提高了重要的技術(shù)支持和豐富的轉(zhuǎn)輪改造應(yīng)用借鑒資料。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明，我國水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率大約平均每隔10年可以提高一個(gè)百分點(diǎn)，一些大型水輪機(jī)組其轉(zhuǎn)輪模型的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)普遍達(dá)到93%以上，而且在一些外部條件較優(yōu)越的電站中，水輪機(jī)模型效率可以高達(dá)95%，也就是我國現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一個(gè)相當(dāng)高的水平，與在六七十年代設(shè)計(jì)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)相比，其效率大約增加了5%～10%。隨著水力發(fā)電技術(shù)研究的進(jìn)一步加深，新的效率高、運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪將會(huì)在水電站中投運(yùn)使用，使得對(duì)中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型和增容改造設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡堋?/p>

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮的問題

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)是提高水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)運(yùn)行效率的重要技術(shù)改造措施，在轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)過程中要充分考慮提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行調(diào)節(jié)效率和穩(wěn)定性的多個(gè)限制因素。

3.1 水輪機(jī)特性參數(shù)

通過轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行效率，必然會(huì)引起水輪機(jī)相關(guān)參數(shù)的變化，因此，必須考慮水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率、流量、綜合出力等參數(shù)水平。同時(shí)，為了提高轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)在盡量不破壞電站原有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)。

3.2 水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配

由于水輪發(fā)電機(jī)組是一個(gè)同步運(yùn)行的機(jī)械整體，在對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行增容改型設(shè)計(jì)時(shí)，不能使水輪機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速增加或降低過多，否則會(huì)出現(xiàn)參數(shù)不匹配情況，不能到達(dá)預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)功能效果。

4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)內(nèi)容

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是利用相關(guān)仿真軟件和分析軟件，結(jié)合電站實(shí)際特性，通過水力設(shè)計(jì)分析和模型仿真試驗(yàn)，在盡量不改變水電站水輪發(fā)電機(jī)組其它部件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足電站實(shí)際運(yùn)行需求的高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)輪。

4.1 水輪機(jī)出力運(yùn)算分析

水輪機(jī)出力是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率的重要技術(shù)指標(biāo)，其具體函數(shù)表達(dá)式為:

(1)

從式(1)可知，當(dāng)水輪機(jī)水頭一定(恒定)、輸水通道截面不變的前提下，可以通過增加水輪機(jī)組的過流能力(增加水輪機(jī)效率)和增加流量()來提高水輪機(jī)組的綜合出力。從前面分析可知，現(xiàn)代高性能轉(zhuǎn)輪其效率已經(jīng)比較高，要提高一個(gè)百分點(diǎn)效率十分困難，因此，在水電站基本特性條件不改變的前提下，增加水輪機(jī)流量來提高水輪機(jī)綜合出力是一個(gè)比較可行的方法。通過對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型設(shè)計(jì)就能增加水輪機(jī)流量，以提高其綜合出力。但同時(shí)在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)時(shí)，要兼顧轉(zhuǎn)輪的空化性能和機(jī)組尾水管壓力脈動(dòng)幅值[3]。

4.2 提高水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性

機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性能是水輪機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)性能的另一大技術(shù)指標(biāo)。在進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)時(shí)，為了適應(yīng)電站運(yùn)行時(shí)水頭幅值實(shí)時(shí)變化的要求，降低單位轉(zhuǎn)速，從而有效提高水輪機(jī)組綜合運(yùn)行調(diào)節(jié)穩(wěn)定性能，需要通過相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化運(yùn)算軟件，在滿足轉(zhuǎn)輪機(jī)械強(qiáng)度的前提下，獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪出水邊幾何曲線，減小轉(zhuǎn)輪葉片出水邊厚度，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦振動(dòng)頻率，從而有效提高水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性能。

4.3 保證水輪機(jī)組空化性能技術(shù)指標(biāo)

在輸水管道截面不變時(shí)，通過增加流量來提高轉(zhuǎn)輪的綜合出力，必然會(huì)引起轉(zhuǎn)輪出口動(dòng)能的增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪空化性能變惡化。因此，在轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)時(shí)，要通過改變轉(zhuǎn)輪翼型幾何曲線形狀、轉(zhuǎn)輪翼型面上的壓力分布，通過減小轉(zhuǎn)輪出口水流動(dòng)能，有效保證水輪機(jī)組的空化性能技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)語

在進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要對(duì)電站實(shí)際運(yùn)行特性進(jìn)行詳細(xì)分析研究，同時(shí)還要結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)手段，從轉(zhuǎn)輪機(jī)械結(jié)構(gòu)、制造加工工藝、以及轉(zhuǎn)輪表面防護(hù)等方面進(jìn)行系統(tǒng)考慮，形成完善合理的改型設(shè)計(jì)措施方案，有效提高轉(zhuǎn)輪綜合性能水平，保證水輪機(jī)組安全穩(wěn)定、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[3]王國海，陶星明.水輪機(jī)增容改造與新技術(shù)的應(yīng)用[C].2001.