低水頭段大流量高效混流式轉輪的探索與應用

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輪的探索與應用，從而解決機組出力不足問題，增加發電量，提高效益。

一是解決機組出力不足問題，增加發電量，從而提高效益。二是優化梯級電站間調度。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化調度空間，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驗。目前國內20～45m 水頭段下的低水頭，在現有導葉高度0.35m 的轉輪型譜中，并無可直接供選擇的大流量高轉速比的轉輪。

1 試驗分析

通過機組穩定性試驗、發電機通風、溫升試驗、水輪機相對效率試驗、引水系統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現：一是通過試驗，排除水頭損失及尾水位影響，發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 流場計算分析發現，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，應對現有轉輪進行更換新的高效轉輪，從加大轉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 轉輪的設計

轉輪的設計是采用基于CFD 分析技術的優化設計方法，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，以增大轉輪單位轉速和單位流量，并采用合理的翼型厚度分布規律和X-翼型，從而提高轉輪效率和降低汽蝕系數。

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 流動模擬分析和經驗統計公式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，再用經驗統計公式Moody 計算表進行比對驗算。

CFD 計算結果：管道直徑φ5800mm，管道內的雷諾數為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 分析計算結果：攔污柵部分引水管段區域水頭損失為0.0329m，直管段區域水頭損失為0.286m，計算總損失為0.319m。把管道內部接縫，轉彎，收縮和幾何造型誤差引起的水力損失考慮在內，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。為了使新轉輪能夠在更大水頭范圍內滿足額定出力，取靜水頭的范圍上下浮動2.5%，新轉輪的凈水頭定在27.3～30.8m[1]。

2.2 轉輪優化設計

在電站參數和原流道（蝸殼、導水機構和尾水管等）幾何參數不變的限制條件下，采用為電站“量身定制”的基于CFD 模擬分析技術的優化設計方法，即同時對多目標進行優化設計算法，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，將新優化設計轉輪的額定水頭定為28m，在原有機組安裝高程保持不變的情況下，新轉輪的額定點為單位流量Q11=1.478，單位轉速n11=82.87。

2.2.2 初選基礎轉輪

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

2.2.3 轉輪優化設計

一是對初選轉輪初步改型，主要壓低導葉高度和修改下環適應舊流道。二是通過MODOA 算法來實現轉輪優化設計，針對該機組定義多維組合函數，包含水力效率、空化系數（氣蝕系數）和尾水管穩定性因子。三是計算結果：轉輪水力效率接近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格CFX 流動分析水輪機性能，以保證滿足要求。

2.2.4 飛逸轉速計算

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

圖1 基于CFD 分析 綜合特性曲線

2.2.5 轉輪強度計算

轉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。

轉輪上冠、下環和葉片材料均為ZG06Cr13 Ni5Mo，其最大靜態應力值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 避免機組共振現象

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

2.2.7 機組臨界轉速復核

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

2.2.8 新水輪機主要技術參數

表1 新的水輪機主要技術參數

3 新轉輪應用

3.1 試驗論證

結合該機組A 修，新轉輪在電站現場完成安裝和調試，并進行相關試驗驗證，主要包括有調速器性能試驗、穩定性試驗、動平衡試驗、效率試驗、機組運行噪聲測試等，試驗主要結論如下。

一是機組調速器甩100%額定負荷時的動態品質滿足相關標準，轉速上升值、蝸殼進口壓力上升值滿足調保計算的要求。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電企業的技術文件所規定的值。三是機組存在輕微的轉子質量不平衡和磁拉力不平衡，綜合考慮轉子質量和磁拉力認為，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%以上的效率區為20～26MW，高效區靠前，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定運行。

3.2.2 經濟效益增加明顯

機組實際運行發電量統計：平均單位小時發電量增加約0.176萬kW，按照多年平均年發電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

一是優化區間調度，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化調度空間，同時降低了防洪壓力。二是填補技術空白，具有推廣價值。該轉輪是目前國內現有的相同導葉高度（0.35m）下過流能力最大的轉輪，填補了國內該水頭段和導葉高度下的轉輪型譜空白，可以推廣使用替代該水頭段下的老轉輪型號。三是節約大量成本，經驗可供借鑒。真機轉輪的研究與開發是在沒有模型試驗前提下全部采用基于CFD 分析技術優化設計方法，節省了大量研發費用和大大縮短了研發周期，這種全新模式為電站改造提供了既經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，可以帶來重大的經濟效益和社會效益。

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