中小型水电站水轮机技术改造探讨

2014-10-28朱长宏

中国科技纵横 2014年19期

关键词：转轮水轮机脉动

朱长宏

(松原市哈达山水利枢纽工程管理局,吉林松原 138000)

中小型水电站水轮机技术改造探讨

朱长宏

(松原市哈达山水利枢纽工程管理局,吉林松原 138000)

我国有相当一部分轴流式水力机组空蚀破坏严重、运行稳定性差、综合性能指标较低,亟待改造,在不改变水工建筑物和流道的限制条件下,提高低水头水能资源的利用效率以及提高水轮发电机组运行的可靠性具有非常重要的意义。

水电站水轮机改造关键问题

1 我国中小型水电站水轮机现状

1.1 运行效率低

水轮机的运行效率是水轮机性能的重要指标,关系到水能资源的利用程度。我国有一大批轴流式机组水轮机转轮系国内50、60年代产品,由于投产时间较长,机组效率出现明显下降,加上本身效率较低,与现在国内外先进转轮的效率相比,差距较大,造成了可利用水力资源的巨大浪费。

1.2 运行稳定性较差

随着比转速和单机容量的增大,水轮机结构越来越复杂,机组尺寸增大,导叶相对高度增高,相对刚度减弱,加上老电站水轮机设计参数和实际运行参数的不匹配,导致机组运行工况有时欠佳,致使机组运行中出现的不稳定现象越来越多,甚至波及到电站的建筑物,由此引发的问题也日益突出。

1.3 叶片裂纹

水轮机转轮中的裂纹现象,在世界各地普遍存在。轴流式水轮机的叶片属悬臂结构,转轮刚度较差,运行中叶片受力条件不好,叶片根部更容易发生裂纹破坏。转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益,引起人们的极大关注,各水电站及研究机构都在积极探索裂纹产生的原因,寻求根本的解决方法。

1.4 空蚀磨损严重

通常又将水轮机空蚀与磨损联合破坏称为水机空蚀磨损破坏,简称磨蚀。在我国己投产的水电站中,有相当一部分电站由于空蚀磨损破坏,导致机组效率下降、出力减小、振动加剧,不仅威胁水电站的安全运行,而且严重威胁电网的安全运行。

2 水电站水轮机技术改造的方法

2.1 认真总结,摸清情况

许多中小型水电站经过多年运行,积累了丰富的运行和检修经验, 但由于资料管理不善及人员变动等多方面原因,许多设计及设备图纸残缺不齐,甚至机组上的铭牌都已丢失。同时由于当时制造水平低, 许多设备的加工水平并没有达到设计图纸的要求。因此,水电站水轮机技术改造前要认真做好原始资料收集及分析工作,包括电站实际运行时的水头、来水量、弃水量和机电设备的主要参数以及运行检修等实际状况。只有彻底摸清情况,才能有针对性地进行水轮机技术改造,取得实实在在的改造成果。

2.2 对原有转轮进行改造

通过现代理论对原水轮机叶片的外形进行改型设计,来提高水轮机的水力性能。例如,在叶片轮缘处加抗空化裙边,可提高机组的抗空蚀性能;在保证强度的条件下,对出水边进行修型,可降低叶片出水边卡门涡产生的几率,改善机组运行稳定性。对于泥沙较多的水电站,应根据过机含泥沙的特性和泥沙量的多少,选用耐磨蚀的不锈钢转轮或者是新型的、效率高的抗磨蚀性能好的转能等,以延长水轮机寿命,提高出力和效率,增加电站经济效益。对于年久失修、出力下降、空蚀振动严重、部件磨损和损坏(如叶片、轴承)不能再运行的水电站,应更换水轮机。

2.3 调整转轮设计参数

根据水电站的实际运行水头和来水量降低额定水头,减小额定功率,选用合适的新型转轮和参数,将水轮机调整到较优工况区运行,提高水轮机运行效率,增加年发电量。通过技术改造,根据上下游水流条件的变化,针对电站实际情况调整转轮的设计参数,例如,提高设计水头,增大设计流量,然后在原流道基础上对转轮进行专门设计,可提高水轮机效率,增大水轮机出力,改善其综合水力性能。对于水头、来水量比原设计减小的水电站,宜采取减容改造方式。

2.4 对水轮机的主要结构部件进行技术改造

对有些电站而言,进行水轮机结构和一部件的技术改造也是很有必要的。水轮机主要性能参数与电站实际运行参数不匹配、水轮机处于非最优工况区运行、机组出力不满、效率低、空蚀严重、振动及噪声大、温升高的水电站,应改用适应该电站参数的新型转轮或性能先进的水轮机,提高水轮机运行效率, 增加年发电量。

2.5 开发新转轮

21世纪的现代转轮优化设计理论采用多目标优化算法,通过不同的优化方法综合考虑水轮机的能量特性、空化特性和压力脉动特性,对水轮机转轮进行三维设计。可针对电站实际参数进行“量体裁衣”式的专门设计,在保持较高效率的基础上提高水轮机的抗空化能力,增加机组出力,保证机组的的运行可靠性。

2.6 应用新技术

在转轮改造过程中采用性能预估技术和动态特性分析技术可在设计阶段全方位掌握所设计水轮机的水力性能和动态特性,及时对设计作出修改和调整;数控加工技术,模压成型技术等的应用,使叶片在型线、表面粗糙度等方面都得到保证,还可以避免人为因素造成的加工质量不良。

3 轴流式水轮机转轮改造中的关键问题

(1)固定导叶出口水流角在周向上分布的不均匀程度随水轮机流量的增大而增加;导叶区的流动要素沿周向分布的均匀性随导叶开度的增大逐渐减弱;大流量工况下,来流不均匀引起的各叶片表面压力分布的差异在轮毂处附近表现得最为明显,轮缘附近次之,各截面叶片间相差较大的地方均位于叶片前半部分。

不同工况下,相近时刻的导叶正背面压力分布趋势差异较大;尾水管进口压力脉动的主频成分主要为低频成分,这种低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一;导叶区压力脉动的主频含有与尾水管低频压力脉动相同的频率成分,在底环和中间点的压力脉动中还含有接近机组转频的频率成分;叶片表面的压力脉动频率除了低频成分外,还有机组转频倍数的中频成分,为机组的次要振动源。

(2)在水压力的作用下,叶片上出现了3个应力集中区;整体转轮的最大应力值随叶片转角增大逐渐减小;随着叶片转角增大,叶片表面从轮毂至轮缘应力变化梯度逐渐增大,叶片表面应力分布不均匀程度增大。

叶片动应力分析结果表明,叶片上最大应力点随工况和时间的不同在叶片压力面与法兰连接处靠近下游侧和叶片吸力面与法兰连接处靠近下游侧之间变化;叶片与法兰连接处存在高幅动应力明显大于叶片静应力的分析结果;叶片中部的应力波动比轮毂和轮缘严重,出水边比进水边明显;叶片上各点的动应力频率成分与流道内的水压力脉动频率基本一致,说明叶片上的高幅动应力主要由水压力脉动引起。

(3)轴流式叶片在水中的固有频率有所降低,具有非线性的特点;考虑流固耦合作用后,叶片正背面压差增大,在一定程度上恶化了叶片的空化性能;考虑流固耦合作用后,叶片上的应力分布和最大应力出现的位置均未发生明显变化;与非定常流动计算结果相比,各时刻最大应力值和最大应变的变化情况各不相同;流固耦合作用不仅改变了叶片区的流场分布,对叶片的应力也有较大影响。