基于多工況CFD仿真的方竹水電站增容改造分析研究

于春澤

（國家電力投資集團有限公司，北京100033）

1 引言

我國小水電開發歷史悠久，全國已建成小水電站超47 000座，這其中絕大部分存在著運行年限較長、機電設備老化、發電效率低下等問題[1，2]，與合理充分開發利用水能資源的理念相違背。因此，小水電站在保持原有壩址、廠址、水工建筑結構、引水線路等的基礎上，對水輪發電機組開展優化增容改造、提高水能利用效率的研究，具有重要的工程價值和研究意義。

貴州方竹水電站[3，4]位于烏江右岸一級支流余慶河中下游，為余慶河的第2個梯級電站，水庫庫容5 660萬m3，共有3臺2 500 kW的HL220-LJ100混流機組組成，電站裝機容量7.5 MW，首臺機組于1994年12月并網發電。通過20余年的運行，電站機組設備陳舊老化，運行安全隱患較多，水量利用率較低的問題逐漸暴露，電站增效擴容十分必要。

本文以貴州方竹水電站為例，進行了基于CFD仿真的小水電站增容改造研究。首先，基于長期運行的歷史數據，對水頭、流量進行了優化，并針對不同的導葉開度，利用CFD計算軟件進行了多水頭工況下的水能利用效率分析，并與轉速、流量相匹配，提出了最優化導葉開度。然后，在此基礎上，針對蝸殼、導葉、轉輪、尾水管等進行了靜壓與流態分析，對不更換蝸殼、尾水管等固定件的可行性進行了分析。最后，基于實際運行情況對方竹水電站增容技改進行了評價。

2 參數匹配優化

以保持原有壩址、廠址、水工建筑結構、引水線路等不變作為約束條件，對貴州方竹水電站增容改造進行設計參數的匹配優化。

2.1 基于長期運行觀測的額定水頭、流量優化

對電站多年運行的水文與生產運營歷史數據進行分析，機組運行水頭大部分時間均維持在48 m左右，較原額定水頭43 m有較大的提升空間。同時，長期運行數據表明，電站流量充足，電站原始蝸殼在流量8.9 m3/s時通流性能良好。因此，本次增容改造將額定水頭定為48 m，額定流量定為8.9 m3/s，綜合水頭、流量，計算得出水輪機端出力可達3 685 kW，較原有機組出力提高超1 000 kW。

2.2 基于多工況仿真分析的導葉開度

針對已有水輪機建立CFD仿真模型，分別針對不同的導葉開度、不同的水頭計算水輪機的水能利用效率，計算結果如圖1所示。同時，計算不同的導葉開度下單位轉速與流量的關系，如圖2所示。

圖1 不同導葉開度下的水能利用效率與水頭的關系

從計算結果來看，在導葉開度為33°時，水輪機效率能夠在額定水頭48 m時達到最高效率，且在額定水頭附近變化平緩。同時，單位流量等性能參數隨著水頭、單位轉速的變化較為平緩。據此，確定增容改造的導葉最優化開度為33°。

3 不更換固定件的流場計算分析

在最優化開度33°及額定水頭48 m的情況下，利用CFD軟件對優化改造的水輪機及原有蝸殼、尾水管等結構統一建模，進行仿真分析。得到蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪與尾水管內的流場和壓力場的基本情況，具體如圖3、4、5所示。

圖2 不同導葉開度下的單位流量與單位轉速的關系

3.1 蝸殼部件分析

通過圖3可以看出：蝸殼內靜壓分布從蝸殼進口到蝸殼出口沿徑向基本上均勻降低，可知其速度隨之均勻增大，在固定導葉入口處存在較小的撞擊流，其對稱面流線分布較好；在固定導葉進口到活動導葉出口靜壓分布均勻降低，流線順暢，導葉進口無明顯脫流、漩渦發生。總體來看，優化改造后水輪機固定導葉與活動導葉的搭配基本適應蝸殼出口水流角在圓周的分布規律，滿足電站不更換座環蝸殼的要求。

圖3 蝸殼、固定導葉、活動導葉的靜壓與流線分布

3.2 轉輪部件分析

通過圖4可以看出，葉片工作面、背面靜壓分布基本符合從葉片進水邊到出水邊均勻降低，整個葉片表面上，工作面靜壓均高于葉片背面壓強，在活動導葉與轉輪區域間流場，葉片背面沒有明顯脫流、回流、橫向流動等二次流動現象。轉輪上冠面和下環面靜壓分布總體來看基本上呈均勻降低。總體上，該轉輪能夠很好滿足能量轉換要求。

3.3 尾水部件分析

由圖5看出，從尾水管進口到出口靜壓逐漸升高，過渡比較平穩，尾水管肘管處有局部高壓區存在；尾水管進口處存在低壓區，但隨著向尾水管出口的接近，低壓區很快消失，說明渦帶基本沒有發生。尾水管內流線分布基本均勻，無明顯渦帶和旋流存在。新轉輪能夠滿足電站不更換尾水管的要求。

圖4 轉輪葉片的靜壓與流線分布

圖5 尾水管的靜壓與流線分布

3.4 小結

通過以上分析，新轉輪能夠滿足電站不更換固定埋入部件要求，且新轉輪與固定過流部件的匹配良好，通過更換導水過流部件和轉輪，能夠滿足電站增效擴容要求。

4 結語與討論

本文提出了在不改變原有水工結構的基礎上，基于多工況CFD計算成果的小水電增容改造分析方法。方法在貴州方竹水電站的增容改造中得到了應用，以本文中的最優化分析成果為設計參數，實施電站改造，實際中僅利用164 d即完成改造工程。經過近3年的運行驗證，技改后的水電機組的能量、穩定性、空蝕指標均滿足設計和規范要求，水能利用率和設備的健康狀況得到了大幅提高，證明了本文中方法的可行性和有效性。