水利工程論文-中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性.doc

水利工程論文-中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性摘要：中小型水電站技術改造是水電事業(yè)發(fā)展的重要組成部分，本文通過對我國中小型水電站發(fā)展現狀的論述，分析了在中小型水電站技術改造中水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性，并介紹了當前水輪機轉輪設計、測試和制造方面的新技術。關鍵詞：中小型水電站水輪機轉輪改型設計我國中小型水電站的發(fā)展現狀建國以來，我國水電建設取得了巨大成就，據統計我國常規(guī)水電裝機容量已達到7700104，其中，中小型水電站45104余座，擁有機組7104余臺，總裝機容量達2020104，有近一半為5060年代制造的設備1。由于當時條件限制，這些電站的水輪機多數是應用前蘇聯4050年代的技術，制造技術落后，效率較低，過流能力差，總的能量指標偏低。加上大部分國產機組生產于特殊年代，不按電廠各種條件而硬性套用定型圖紙，或僅按模型試驗的特定角度硬性規(guī)定設計，致使原來水力效率不高的轉輪又偏離了高效率區(qū)。還有性能指標較低，如高效區(qū)狹小、振動區(qū)范圍大、空化性能差等，對機組的安全穩(wěn)定運行產生了嚴重的影響，很大程度上降低了電站設備的運行管理水平和效益。另外，由于大部分電站已運行了三四十年，機組設備在性能和結構方面都已陳舊、事故增多、檢修頻繁。長期運行已使過流部件磨損，特別是轉輪、導葉等部件由于空蝕和磨損，葉型遭到破壞，間隙增加而使效率下降。根據國外有關資料介紹，效率下降約為。特別是有些電站或由于當年是套用機組，或由于電站參數發(fā)生變化，使機組長期在低效率下運行，浪費能源，亟待早日解決。與此形成鮮明對比的是，近年來，隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力負荷峰谷差愈來愈大，增大中小型電廠在電網系統中的調峰、調頻能力也愈顯重要。而電力系統越來越多地要求水電機組特別是中小型水電機組擔負調峰、調頻和事故備用任務，這樣就增加了機組啟動、停機次數，致使水輪機部件動載荷增加，運行條件變得苛刻，對那些設備陳舊的老電站，擔負這樣任務顯然力不從心。同時，近幾年大電網對地方電網實行峰谷差價和峰電超計劃加價政策，讓電網中調節(jié)性能較好的水電站實行頂峰發(fā)電，多發(fā)電必將會顯著提高地方電網的負荷率和經濟效益。水輪機轉輪改型的必要性和可行性水輪機轉輪改型的必要性從我國水電事業(yè)的發(fā)展現狀來看，大批水電站存在的主要問題及產生的嚴重后果主要是長期以來水輪機轉輪的設計制造與使用條件相脫節(jié)，主要表現在下面幾個方面2：（）水輪機轉輪效率低。水輪機效率是水輪機性能的重要指標，據統計從50年代至今，水輪機效率每10年提高一個百分點，我國有一大批機組水輪機轉輪系國內50、60年代產品，與90年代國內外先進轉輪相比，差距很大，真機效率約低25以上。造成可利用能源的巨大浪費。（）水輪機與水輪發(fā)電機選型不合理?！傲濉币郧鞍惭b的水輪發(fā)電機組，由于設計條件限制，有些電站選擇水輪機與發(fā)電機偏于保守，使水能不能充分利用，有些電站選擇水輪機與發(fā)電機容量匹配不當，從而大大限制了機組出力。（）水輪機運行可靠性差。水輪機受當時設計、制造水平限制，水輪機抗空化、抗磨損、抗振動性能差，經幾十年運行，一些機組空化、磨損、振動嚴重，運行條件惡劣、事故隱患不斷增加。嚴重影響水輪機的可靠運行。（）自然條件的變化。近年來隨著經濟的發(fā)展，有些電站的上游大力發(fā)展耗水量較大的農業(yè)企業(yè)，工農業(yè)用水量突飛猛進。另外，隨著人們生活質量的提高，生活用水、環(huán)境用水、生態(tài)用水等過去設計電站時忽略的部分消耗也一天比一天增多。這樣部分水輪發(fā)電機組經幾十年投運，上、下游水位已發(fā)生較大變化，原有轉輪運行已大大偏離設計工況，甚至無法正常運行。綜上所述，年代以前建設的一大批電站，由于機電設備落后，技術老化，機組設計水平低，制造工藝差，技術參數低。以及部件老化機組出力受阻和自然條件的變化，已不能充分利用已開發(fā)的水力資源，從而造成水力資源的再度浪費。再加上電網調峰的迫切需要。如何提高已開發(fā)的水力資源的經濟效益和社會效益成為許多老水電廠面臨的重大課題。眾所周知，水輪機轉輪水電站的核心設備。水輪機的水力性能、振動與空化主要取決于轉輪性能，轉輪性能的優(yōu)劣對合理開發(fā)利用水能、保證電網可靠性方面有著巨大影響。因此，對老的水輪機轉輪的更新改造勢在必行。通過對水輪機轉輪的改型，可提高機組效率，增加電站容量，改善機組運行的安全穩(wěn)定性。水輪機轉輪改型的可行性首先，從經濟的角度分析，開發(fā)新電站投資大、周期長，而進行水輪機轉輪的增容改造由于不需要再建大壩等水工建筑物，故投資很少，見效很快，經濟效益很高。一般認為，對老電站的增容改造其單位千瓦投資要比新建電站低/以上。因此，水電站水輪機轉輪的改型是一項投入少產出多效益顯著的項目，是提高水電站運行可靠性和經濟性的最主要方向，已成為許多國家解決能源短缺問題的手段之一。其次，從技術上來說，近年來計算機與計算技術、流體機械三維流動分析與設計理論、通訊與傳感器技術、現代控制理論和機械加工技術等都已取得了很大的進步。使得現代轉輪的設計、測試和制造方面都取得了長足的進步。這些新的技術主要表現在：（）數值模擬技術。五六十年代，混流式轉輪的設計基礎是本世紀初羅倫茲提出的通流理論，即假定轉輪中的葉片數無窮多，無限薄，這樣將三維流動簡化成軸對稱流動。從年代以后，隨著計算機技術和計算流體動力學的迅速發(fā)展，水力機械過流部件的三維流動分析、三維設計和優(yōu)化算法都有了長足的發(fā)展，已成為過流部件水力設計與流動分析的重要工具。目前，僅在水輪機研究領域就有清華、哈電和東方廠等國內近十家單位引進了先進的分析軟件。如哈電，利用分析軟件進行模型轉輪開發(fā)，完成了三峽右岸轉輪的轉化設計，對豐滿、新安江、丹江口、東江、烏溪江等一批老電站改造項目進行數值模擬和優(yōu)化，完成了洛溪渡、水布埡、小灣、龍灘、公伯峽等電站水輪機的水力設計。東方廠利用技術開發(fā)出福堂電站用307模型轉輪，其最高效率為9443?？栈阅芤埠芨?，其空化系數0047，飛逸轉速特性最大為1064/，最大壓力脈動混頻雙振幅值為55。另外，西安理工大學從年代后期開始進行水輪機通流部件的反問題研究，先后提出并建立了基于1流面反問題計算的準三維設計模型和方法、基于2流面反問題計算的準三維設計模型和方法、基于混合譜方法的全三維有旋流動的反問題計算模型和方法。近年來，在三維粘性流設計模型的基礎上，又實現了設計方案的計算機自尋優(yōu)，達到了根據廠站的實際水力參數進行“量體載衣”式的設計，取得了水力機械轉輪設計方法的重大突破。到目前為止，用該模型已先后為有關電站、多家水輪機廠和有關研究單位的幾十臺水輪機轉輪進行了改型設計，全部達到了用戶提出的改造目標。這種針對某一電站進行專門設計與制造的水輪機選型方法，可以保證讓每一個電站都可以選出適合自己電站條件的最優(yōu)水輪機型式，從而達到最佳運行效果，取得最大經濟效益。通過采用先進的計算機數值模擬技術對水輪機轉輪進行增容改造，具有低投入、高產出、見效快的特點。在改善運行性能的同時減少了運行及維修費用、減少了機組的停機時間，使電廠費用降低并盡快受益。（）模型測試技術。當前流體機械測試技術發(fā)展迅速，諸如壓力測量技術、流量測量技術和粒子圖像測速技術有較大的提升，多媒體技術和計算機網絡技術進一步應用到流體機械測試系統中?？傊?，以計算機為核心的自動測試系統已成為現代測試系統的一個特點和通用形式。國內的哈電、東方、雙富等廠家和清華、河海、水科院等科研院校都建設或對原水輪機模型試驗臺的電氣、測試系統進行了全面的改造。其綜合測試精度、運行穩(wěn)定性和重復精度大大提高。