基于多工况CFD仿真的方竹水电站增容改造分析研究

于春泽

（国家电力投资集团有限公司，北京100033）

1 引言

我国小水电开发历史悠久，全国已建成小水电站超47 000座，这其中绝大部分存在着运行年限较长、机电设备老化、发电效率低下等问题[1，2]，与合理充分开发利用水能资源的理念相违背。因此，小水电站在保持原有坝址、厂址、水工建筑结构、引水线路等的基础上，对水轮发电机组开展优化增容改造、提高水能利用效率的研究，具有重要的工程价值和研究意义。

贵州方竹水电站[3，4]位于乌江右岸一级支流余庆河中下游，为余庆河的第2个梯级电站，水库库容5 660万m3，共有3台2 500 kW的HL220-LJ100混流机组组成，电站装机容量7.5 MW，首台机组于1994年12月并网发电。通过20余年的运行，电站机组设备陈旧老化，运行安全隐患较多，水量利用率较低的问题逐渐暴露，电站增效扩容十分必要。

本文以贵州方竹水电站为例，进行了基于CFD仿真的小水电站增容改造研究。首先，基于长期运行的历史数据，对水头、流量进行了优化，并针对不同的导叶开度，利用CFD计算软件进行了多水头工况下的水能利用效率分析，并与转速、流量相匹配，提出了最优化导叶开度。然后，在此基础上，针对蜗壳、导叶、转轮、尾水管等进行了静压与流态分析，对不更换蜗壳、尾水管等固定件的可行性进行了分析。最后，基于实际运行情况对方竹水电站增容技改进行了评价。

2 参数匹配优化

以保持原有坝址、厂址、水工建筑结构、引水线路等不变作为约束条件，对贵州方竹水电站增容改造进行设计参数的匹配优化。

2.1 基于长期运行观测的额定水头、流量优化

对电站多年运行的水文与生产运营历史数据进行分析，机组运行水头大部分时间均维持在48 m左右，较原额定水头43 m有较大的提升空间。同时，长期运行数据表明，电站流量充足，电站原始蜗壳在流量8.9 m3/s时通流性能良好。因此，本次增容改造将额定水头定为48 m，额定流量定为8.9 m3/s，综合水头、流量，计算得出水轮机端出力可达3 685 kW，较原有机组出力提高超1 000 kW。

2.2 基于多工况仿真分析的导叶开度

针对已有水轮机建立CFD仿真模型，分别针对不同的导叶开度、不同的水头计算水轮机的水能利用效率，计算结果如图1所示。同时，计算不同的导叶开度下单位转速与流量的关系，如图2所示。

图1 不同导叶开度下的水能利用效率与水头的关系

从计算结果来看，在导叶开度为33°时，水轮机效率能够在额定水头48 m时达到最高效率，且在额定水头附近变化平缓。同时，单位流量等性能参数随着水头、单位转速的变化较为平缓。据此，确定增容改造的导叶最优化开度为33°。

3 不更换固定件的流场计算分析

在最优化开度33°及额定水头48 m的情况下，利用CFD软件对优化改造的水轮机及原有蜗壳、尾水管等结构统一建模，进行仿真分析。得到蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮与尾水管内的流场和压力场的基本情况，具体如图3、4、5所示。

图2 不同导叶开度下的单位流量与单位转速的关系

3.1 蜗壳部件分析

通过图3可以看出：蜗壳内静压分布从蜗壳进口到蜗壳出口沿径向基本上均匀降低，可知其速度随之均匀增大，在固定导叶入口处存在较小的撞击流，其对称面流线分布较好；在固定导叶进口到活动导叶出口静压分布均匀降低，流线顺畅，导叶进口无明显脱流、漩涡发生。总体来看，优化改造后水轮机固定导叶与活动导叶的搭配基本适应蜗壳出口水流角在圆周的分布规律，满足电站不更换座环蜗壳的要求。

图3 蜗壳、固定导叶、活动导叶的静压与流线分布

3.2 转轮部件分析

通过图4可以看出，叶片工作面、背面静压分布基本符合从叶片进水边到出水边均匀降低，整个叶片表面上，工作面静压均高于叶片背面压强，在活动导叶与转轮区域间流场，叶片背面没有明显脱流、回流、横向流动等二次流动现象。转轮上冠面和下环面静压分布总体来看基本上呈均匀降低。总体上，该转轮能够很好满足能量转换要求。

3.3 尾水部件分析

由图5看出，从尾水管进口到出口静压逐渐升高，过渡比较平稳，尾水管肘管处有局部高压区存在；尾水管进口处存在低压区，但随着向尾水管出口的接近，低压区很快消失，说明涡带基本没有发生。尾水管内流线分布基本均匀，无明显涡带和旋流存在。新转轮能够满足电站不更换尾水管的要求。

图4 转轮叶片的静压与流线分布

图5 尾水管的静压与流线分布

3.4 小结

通过以上分析，新转轮能够满足电站不更换固定埋入部件要求，且新转轮与固定过流部件的匹配良好，通过更换导水过流部件和转轮，能够满足电站增效扩容要求。

4 结语与讨论

本文提出了在不改变原有水工结构的基础上，基于多工况CFD计算成果的小水电增容改造分析方法。方法在贵州方竹水电站的增容改造中得到了应用，以本文中的最优化分析成果为设计参数，实施电站改造，实际中仅利用164 d即完成改造工程。经过近3年的运行验证，技改后的水电机组的能量、稳定性、空蚀指标均满足设计和规范要求，水能利用率和设备的健康状况得到了大幅提高，证明了本文中方法的可行性和有效性。