改善丰满重建电站水力稳定性的技术措施

王向志，史 千，吴喜东，明 亮，聂文昭



改善丰满重建电站水力稳定性的技术措施

王向志1，史 千1，吴喜东1，明 亮2，聂文昭2

（1. 水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨 150040；2. 国网济宁供电公司，济宁 272000）

丰满电站水轮机额定出力为204MW，水头变幅max/min=1.61范围超过了混流式水轮机常规的适应范围，机组运行范围比常规电站宽广，机组需要频繁在小负荷进行调峰、调频运行，并且，重建后出现了8台机组在不同2个电网中进行调峰调频工作。因此对机组的稳定性要求更高，尤其是部分负荷的稳定性。本文结合丰满电站特定的运行条件，提出了模型开发过程中改善丰满水轮机稳定性的措施，通过试验验证，满足丰满电站的运行特点。

混流式水轮机；丰满重建电站；模型转轮；稳定性

0 前言

吉林省丰满水电站位于吉林省境内第二松花江干流上的丰满峡谷口，多年平均流量为432m3/s。丰满水电站全面治理（重建）工程是按恢复电站原任务和功能，在原大坝下游120m处新建一座大坝，并利用三期工程。工程实施后以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等效益。为东北电网供电，在电网系统中主要担负调峰、调频和事故备用等任务[1-2]。

丰满重建电站水头变化主要受上游水库水位下降形成，高水头出现在丰水期，而低水头出现在枯水期，吸出高度基本不受水头影响，处于相近水头段电站的最低水平，这是丰满电站特有的水情，同时，丰满电站最大水头71m，最小水头44m，额定水头57m，max/min=1.61，max/Hr=1.25，电站水头变幅超过了常规水轮机的水头变幅，重建后，出现了8台机组在不同2个电网中进行调峰和调频[3]。

据最新的统计表明，水头变幅大的水轮机易发生高水头的稳定性问题。可能由两个原因导致：一是由于高水头与额定水头的比值较大，使得高水头的单位流量11偏小；另一原因是高水头叶片吸力面附近易产生叶道涡及背面脱流，这些是混流式水轮机的固有特性[4-5]。

由于混流式水轮机的转轮叶片不随运行工况的调整而改变，在导叶小开度下，叶片进口冲角很大，绕流不好，极易造成叶片进口脱流及叶道涡。其次，由于在叶片出口处产生的正环量很大，产生能量很大的旋转涡带，撞击尾水管壁，产生巨大的撞击和噪音，这些都是造成水轮机不稳定的主要因素。根据理论研究和实测结果的统计分析表明，高水头小开度运行工况容易引起水轮机稳定性问题，使得机组振动随导叶开度减小而增大，这与导叶部分开度时产生脱流及叶道涡加剧密切相关[6-9]。而丰满电站在系统中担负调峰、调频和事故备用等任务，部分负荷时的稳定性尤为重要。

根据丰满电站的实际运行特点进行水力开发，开发的特点及难点在于：

（1）低水头压力脉动指标高于常规机组；

（2）机组运行范围比常规电站宽广；

（3）机组稳定性要求更高，尤其体现在部分负荷的稳定性；

（4）没有合适的基础转轮，需要“量体裁衣”。

1 丰满重建电站水力开发

1.1 模型装置开发

图1示出了水力开发技术路线情况。

图1 水力开发技术路线图

通过CFD优化设计，研发了2套不同的模型装置。流道部分包含蜗壳、双列叶栅、尾水管、泄水锥、转轮等，如图2~3所示。

图2 模型装置a

图3 模型装置b

1.2 模型转轮开发

丰满重建电站水力共开发了11个转轮，从叶片型式、叶片数、叶片轴面形状（如图4所示）、叶片延展度、叶片厚度规律、进出口角匹配关系等均有不同。针对运行稳定性，模型转轮开发的基本原则是：

（1）消除运行范围内高部分负荷压力脉动

1）通过降低转轮的单位转速、单位流量来降低转轮的比转速，比转速的降低不仅利于改善水轮机运行过程中的压力脉动，而且利于改善运行范围内的高部分负荷压力脉动[10-12]。

2）空化对高部分负荷压力脉动影响显著，通过CFD调整叶片的压力分布来提高空化性能，消除高部分负荷压力脉动。

3）采用不同形状泄水锥改善压力脉动幅值，消减高部分负荷压力脉动的能量。

图4 模型叶片轴面简图

（2）拓宽稳定运行区域

1）通过适当加大负倾角趋势，减小最优点单位流量，使转轮额定点的单位流量与最优点单位流量的比值加大，来拓宽稳定运行区域；

2）叶栅稠密度和转轮叶片出口环量分布规律的优化，有利于降低压力脉动，改善空化性能，扩大了稳定运行的范围[13]；

3）对转轮叶片的进水边和出水边进行修型，使效率圈向水平方向扩展，扩宽高效区，运行范围更优，高水头区运行稳定。

（3）提高空化性能

1）优化转轮叶片厚度变化规律，改变转轮叶型几何形状尤其是叶片进水边和出水边附近叶型，优化转轮叶片的压力梯度分布，改善空化性能；

2）优化合理进出口环量的分布规律，提高叶片表面最低点压力, 降低单位面积上的压力负荷，使叶片低压区的压力梯度变化更为均匀，根本上消除局部空化区域，从而减小空化系数；

3）采用高清流态成像观测技术，可以观测转轮进出口流态，包括正背面脱流、叶道涡、涡带、空化等情况。确保在高水头区域内叶片吸力面不出现空化和脱流，在低水头区叶片压力面不出现空化和脱流，在保证运行范围内不出现发展的叶道涡和可见卡门涡。

（4）提高转轮的疲劳寿命和抗裂纹能力

1）采用合理叶片翼型，优化叶片表面压力分布规律，对高应力区的叶片翼型进行适当的改型,降低此处的叶片应力幅值，避免应力集中，提高叶片应力的安全系数，改善转轮的抗裂纹能力，提高转轮的使用寿命，防止产生裂纹。

2）对叶片根部和叶片出水边与上冠和下环的结合处进行适当处理，比如加三角块。改善应力分布，在优化设计阶段对各部件进行详细的刚强度校核计算，提高转轮的安全裕量。

3）降低水轮机的比转速和增大转轮的出口直径，降低叶片出口及表面的相对流速，改善活动导叶翼型，提高水轮机的抗泥沙磨损能力。

2 改善压力脉动措施

主要从数值模拟及试验研究两种手段对丰满电站的压力脉动特性进行研究。

2.1 数值模拟

主要通过CFD手段分析研究了通过水力通道和模型转轮的联合计算，尾水管涡带的频率、转轮特征参数、不同泄水锥和尾水管压力脉动间关系，影响尾水管压力脉动的因素进行择优选择[14-16]。如图5~7所示。

图5 转轮方案a部分负荷涡流强度分布

图6 转轮方案b部分负荷涡流强度分布

图7 优化泄水锥最优工况下横截面压力分布

2.2 试验研究

试验研究主要通过对优选出结果的进行模型试验验证和对比分析。找出理论和实际影响尾水管压力脉动的因素。同时通过改变空化系数获取尾水管、蜗壳进口、无叶区等关键部位压力脉动频率和幅值的变化规律，模型试验水头对尾水管压力脉动的影响，不同形状泄水锥对不同典型工况压力脉动频率和幅值的影响。如图8~9所示。

图8 泄水锥翼型对稳定性研究

图9 泄水锥打孔对稳定性研究

3 结论

丰满重建电站的稳定性能指标，是同一水头段稳定性能指标最高的，通过CFD数值模拟及模型试验对2套装置，11个模型转轮，若干种泄水锥的水力开发，最终的目标转轮达到了性能指标要求，空化性能、压力脉动等水力稳定性指标优异，达到了行业内顶尖水平。满足了丰满重建电站的运行特性。

[1] 王颖. 电力建设项目货物招标采购评标方法研究[D]. 华北电力大学硕士论文, 2014.06.

[2] 姜盛吉, 等. 丰满水电站重建工程坝区监测基准网优化设计[J]. 东北水利水电, 2015(8): 4~5.

[3] 刘光宁, 等. 混流式水轮机的水头变幅和运行工况问题兼论三峡发电机若干问题[M]. 哈尔滨大电机研究所, 1995.

[4] 覃大清, 等. 关于混流式水轮机稳定性的几点新认识[J]. 大电机技术，1998(3).

[5] 贺梅. 混流式机组水力振动研究与破坏原因分析[D]. 西安理工大学硕士论文, 2000.3.

[6] 刘胜柱, 等. 叶片几何参数对水轮机稳定性的影响[J]. 水力发电学报, 2004(1): 92~94

[7] 田子勤. 改善三峡电站水轮机稳定性的技术措施[J]. 中国三峡建设, 1996(6): 12~13.

[8] 于德荣, 等. 提高混流式水轮机稳定性的措施[J].长春工程学院学报, 2008(9): 23~25.

[9] 陈玮. 混流式水轮机稳定运行的主要水力因素分析[J]. 工业技术, 2014(2): 69.

[10] 钱敏. 降低混流式水轮机高部分负荷压力脉动方法探讨[J]. 东方电气评论，2010(9): 25～30.

[11] 张颖杰, 等. 向家坝电站左岸坝后厂房水轮机参数的特点[J]. 大电机技术, 2012(1): 48~51

[12] 郑源, 等. 混流式水轮机尾水管压力脉动研究综述[J]. 水力发电, 2007(2): 66~68.

[13] 李伟刚, 等. 三峡右岸水电站水轮机参数选择研究[J]. 大电机技术, 2009(3): 38~40.

[14] 李龙庭. 混流式水轮机数值模拟研究与压力脉动分析[D]. 浙江大学硕士论文, 2012.06.

[15] 刘宇, 等. 混流式水轮机三维非定常湍流计算[J].水力发电学报, 2004(4): 103~105.

[16] 罗兴锜, 等. 混流式水轮机定常流动分析[J]. 机械工程学报, 2009(4): 209~213.

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年毕业于华北电力大学（北京）动力机械及工程专业，从事水力机械开发工作。