改善豐滿重建電站水力穩(wěn)定性的技術(shù)措施

王向志，史 千，吳喜東，明 亮，聶文昭

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改善豐滿重建電站水力穩(wěn)定性的技術(shù)措施

王向志1，史 千1，吳喜東1，明 亮2，聶文昭2

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），哈爾濱 150040；2. 國(guó)網(wǎng)濟(jì)寧供電公司，濟(jì)寧 272000）

豐滿電站水輪機(jī)額定出力為204MW，水頭變幅max/min=1.61范圍超過(guò)了混流式水輪機(jī)常規(guī)的適應(yīng)范圍，機(jī)組運(yùn)行范圍比常規(guī)電站寬廣，機(jī)組需要頻繁在小負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)頻運(yùn)行，并且，重建后出現(xiàn)了8臺(tái)機(jī)組在不同2個(gè)電網(wǎng)中進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻工作。因此對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性要求更高，尤其是部分負(fù)荷的穩(wěn)定性。本文結(jié)合豐滿電站特定的運(yùn)行條件，提出了模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中改善豐滿水輪機(jī)穩(wěn)定性的措施，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足豐滿電站的運(yùn)行特點(diǎn)。

混流式水輪機(jī)；豐滿重建電站；模型轉(zhuǎn)輪；穩(wěn)定性

0 前言

吉林省豐滿水電站位于吉林省境內(nèi)第二松花江干流上的豐滿峽谷口，多年平均流量為432m3/s。豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原大壩下游120m處新建一座大壩，并利用三期工程。工程實(shí)施后以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等效益。為東北電網(wǎng)供電，在電網(wǎng)系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)[1-2]。

豐滿重建電站水頭變化主要受上游水庫(kù)水位下降形成，高水頭出現(xiàn)在豐水期，而低水頭出現(xiàn)在枯水期，吸出高度基本不受水頭影響，處于相近水頭段電站的最低水平，這是豐滿電站特有的水情，同時(shí)，豐滿電站最大水頭71m，最小水頭44m，額定水頭57m，max/min=1.61，max/Hr=1.25，電站水頭變幅超過(guò)了常規(guī)水輪機(jī)的水頭變幅，重建后，出現(xiàn)了8臺(tái)機(jī)組在不同2個(gè)電網(wǎng)中進(jìn)行調(diào)峰和調(diào)頻[3]。

據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)表明，水頭變幅大的水輪機(jī)易發(fā)生高水頭的穩(wěn)定性問(wèn)題。可能由兩個(gè)原因?qū)е拢阂皇怯捎诟咚^與額定水頭的比值較大，使得高水頭的單位流量11偏小；另一原因是高水頭葉片吸力面附近易產(chǎn)生葉道渦及背面脫流，這些是混流式水輪機(jī)的固有特性[4-5]。

由于混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片不隨運(yùn)行工況的調(diào)整而改變，在導(dǎo)葉小開(kāi)度下，葉片進(jìn)口沖角很大，繞流不好，極易造成葉片進(jìn)口脫流及葉道渦。其次，由于在葉片出口處產(chǎn)生的正環(huán)量很大，產(chǎn)生能量很大的旋轉(zhuǎn)渦帶，撞擊尾水管壁，產(chǎn)生巨大的撞擊和噪音，這些都是造成水輪機(jī)不穩(wěn)定的主要因素。根據(jù)理論研究和實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，高水頭小開(kāi)度運(yùn)行工況容易引起水輪機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題，使得機(jī)組振動(dòng)隨導(dǎo)葉開(kāi)度減小而增大，這與導(dǎo)葉部分開(kāi)度時(shí)產(chǎn)生脫流及葉道渦加劇密切相關(guān)[6-9]。而豐滿電站在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等任務(wù)，部分負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定性尤為重要。

根據(jù)豐滿電站的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行水力開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)及難點(diǎn)在于：

（1）低水頭壓力脈動(dòng)指標(biāo)高于常規(guī)機(jī)組；

（2）機(jī)組運(yùn)行范圍比常規(guī)電站寬廣；

（3）機(jī)組穩(wěn)定性要求更高，尤其體現(xiàn)在部分負(fù)荷的穩(wěn)定性；

（4）沒(méi)有合適的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，需要“量體裁衣”。

1 豐滿重建電站水力開(kāi)發(fā)

1.1 模型裝置開(kāi)發(fā)

圖1示出了水力開(kāi)發(fā)技術(shù)路線情況。

圖1 水力開(kāi)發(fā)技術(shù)路線圖

通過(guò)CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)了2套不同的模型裝置。流道部分包含蝸殼、雙列葉柵、尾水管、泄水錐、轉(zhuǎn)輪等，如圖2~3所示。

圖2 模型裝置a

圖3 模型裝置b

1.2 模型轉(zhuǎn)輪開(kāi)發(fā)

豐滿重建電站水力共開(kāi)發(fā)了11個(gè)轉(zhuǎn)輪，從葉片型式、葉片數(shù)、葉片軸面形狀（如圖4所示）、葉片延展度、葉片厚度規(guī)律、進(jìn)出口角匹配關(guān)系等均有不同。針對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性，模型轉(zhuǎn)輪開(kāi)發(fā)的基本原則是：

（1）消除運(yùn)行范圍內(nèi)高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)

1）通過(guò)降低轉(zhuǎn)輪的單位轉(zhuǎn)速、單位流量來(lái)降低轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速，比轉(zhuǎn)速的降低不僅利于改善水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的壓力脈動(dòng)，而且利于改善運(yùn)行范圍內(nèi)的高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)[10-12]。

2）空化對(duì)高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)影響顯著，通過(guò)CFD調(diào)整葉片的壓力分布來(lái)提高空化性能，消除高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)。

3）采用不同形狀泄水錐改善壓力脈動(dòng)幅值，消減高部分負(fù)荷壓力脈動(dòng)的能量。

圖4 模型葉片軸面簡(jiǎn)圖

（2）拓寬穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

1）通過(guò)適當(dāng)加大負(fù)傾角趨勢(shì)，減小最優(yōu)點(diǎn)單位流量，使轉(zhuǎn)輪額定點(diǎn)的單位流量與最優(yōu)點(diǎn)單位流量的比值加大，來(lái)拓寬穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域；

2）葉柵稠密度和轉(zhuǎn)輪葉片出口環(huán)量分布規(guī)律的優(yōu)化，有利于降低壓力脈動(dòng)，改善空化性能，擴(kuò)大了穩(wěn)定運(yùn)行的范圍[13]；

3）對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)水邊和出水邊進(jìn)行修型，使效率圈向水平方向擴(kuò)展，擴(kuò)寬高效區(qū)，運(yùn)行范圍更優(yōu)，高水頭區(qū)運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）提高空化性能

1）優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片厚度變化規(guī)律，改變轉(zhuǎn)輪葉型幾何形狀尤其是葉片進(jìn)水邊和出水邊附近葉型，優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片的壓力梯度分布，改善空化性能；

2）優(yōu)化合理進(jìn)出口環(huán)量的分布規(guī)律，提高葉片表面最低點(diǎn)壓力, 降低單位面積上的壓力負(fù)荷，使葉片低壓區(qū)的壓力梯度變化更為均勻，根本上消除局部空化區(qū)域，從而減小空化系數(shù)；

3）采用高清流態(tài)成像觀測(cè)技術(shù)，可以觀測(cè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口流態(tài)，包括正背面脫流、葉道渦、渦帶、空化等情況。確保在高水頭區(qū)域內(nèi)葉片吸力面不出現(xiàn)空化和脫流，在低水頭區(qū)葉片壓力面不出現(xiàn)空化和脫流，在保證運(yùn)行范圍內(nèi)不出現(xiàn)發(fā)展的葉道渦和可見(jiàn)卡門(mén)渦。

（4）提高轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命和抗裂紋能力

1）采用合理葉片翼型，優(yōu)化葉片表面壓力分布規(guī)律，對(duì)高應(yīng)力區(qū)的葉片翼型進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?降低此處的葉片應(yīng)力幅值，避免應(yīng)力集中，提高葉片應(yīng)力的安全系數(shù)，改善轉(zhuǎn)輪的抗裂紋能力，提高轉(zhuǎn)輪的使用壽命，防止產(chǎn)生裂紋。

2）對(duì)葉片根部和葉片出水邊與上冠和下環(huán)的結(jié)合處進(jìn)行適當(dāng)處理，比如加三角塊。改善應(yīng)力分布，在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段對(duì)各部件進(jìn)行詳細(xì)的剛強(qiáng)度校核計(jì)算，提高轉(zhuǎn)輪的安全裕量。

3）降低水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)輪的出口直徑，降低葉片出口及表面的相對(duì)流速，改善活動(dòng)導(dǎo)葉翼型，提高水輪機(jī)的抗泥沙磨損能力。

2 改善壓力脈動(dòng)措施

主要從數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究?jī)煞N手段對(duì)豐滿電站的壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行研究。

2.1 數(shù)值模擬

主要通過(guò)CFD手段分析研究了通過(guò)水力通道和模型轉(zhuǎn)輪的聯(lián)合計(jì)算，尾水管渦帶的頻率、轉(zhuǎn)輪特征參數(shù)、不同泄水錐和尾水管壓力脈動(dòng)間關(guān)系，影響尾水管壓力脈動(dòng)的因素進(jìn)行擇優(yōu)選擇[14-16]。如圖5~7所示。

圖5 轉(zhuǎn)輪方案a部分負(fù)荷渦流強(qiáng)度分布

圖6 轉(zhuǎn)輪方案b部分負(fù)荷渦流強(qiáng)度分布

圖7 優(yōu)化泄水錐最優(yōu)工況下橫截面壓力分布

2.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究主要通過(guò)對(duì)優(yōu)選出結(jié)果的進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比分析。找出理論和實(shí)際影響尾水管壓力脈動(dòng)的因素。同時(shí)通過(guò)改變空化系數(shù)獲取尾水管、蝸殼進(jìn)口、無(wú)葉區(qū)等關(guān)鍵部位壓力脈動(dòng)頻率和幅值的變化規(guī)律，模型試驗(yàn)水頭對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的影響，不同形狀泄水錐對(duì)不同典型工況壓力脈動(dòng)頻率和幅值的影響。如圖8~9所示。

圖8 泄水錐翼型對(duì)穩(wěn)定性研究

圖9 泄水錐打孔對(duì)穩(wěn)定性研究

3 結(jié)論

豐滿重建電站的穩(wěn)定性能指標(biāo)，是同一水頭段穩(wěn)定性能指標(biāo)最高的，通過(guò)CFD數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)對(duì)2套裝置，11個(gè)模型轉(zhuǎn)輪，若干種泄水錐的水力開(kāi)發(fā)，最終的目標(biāo)轉(zhuǎn)輪達(dá)到了性能指標(biāo)要求，空化性能、壓力脈動(dòng)等水力穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)異，達(dá)到了行業(yè)內(nèi)頂尖水平。滿足了豐滿重建電站的運(yùn)行特性。

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The Technical Measures for Improving Hydraulic Stability of Reconstruction of Fengman Power Station

WANG Xiangzhi, SHI Qian, WU Xidong

(1. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China;2. State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272000, China)

The fengman power station turbine rated output is 204MW,the variation range of head Hmax/Hmin=1.61 is more than that of conventional Francis turbine .The operating range of the unit is wider than the conventional power station. The unit needs frequent peak-frequency modulation in small loads, and the reconstruction of eight units need work in two different power grids for peak-frequency modulation ,therefore, the stability of the unit is higher, especially the partial load stability. The article combined with the operational characteristics of fengman power station, put forward the measures to improve the stability of the turbine during the model development, through experimental verification ,meet the operational characteristics of fengman power plant .

Francis turbine; reconstruction of Fengman power station; model runner; stability

TK730.2

A

1000-3983(2017)06-0062-04

2016-10-20

王向志（1986-），2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)（北京）動(dòng)力機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)，從事水力機(jī)械開(kāi)發(fā)工作。