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中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的
必要性和可行性
１我國中小型水電站的發(fā)展現(xiàn)狀
建國以來，我國水電建設(shè)取得了巨大成就，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國常規(guī)水電裝機(jī)容量已達(dá)到7700×104ｋＷ，其中，中小型水電站4．5×104余座，擁有機(jī)組7×104余臺，總裝機(jī)容量達(dá)2020×104ｋＷ，有近一半為50～60年代制造的設(shè)備［1］。由于當(dāng)時(shí)條件限制，這些電站的水輪機(jī)多數(shù)是應(yīng)用前蘇聯(lián)40～50年代的技術(shù)，制造技術(shù)落后，效率較低，過流能力差，總的能量指標(biāo)偏低。加上大部分國產(chǎn)機(jī)組生產(chǎn)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(yàn)的特定角度硬性規(guī)定設(shè)計(jì)，致使原來水力效率不高的轉(zhuǎn)輪又偏離了高效率區(qū)。還有性能指標(biāo)較低，如高效區(qū)狹小、振動(dòng)區(qū)范圍大、空化性能差等，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，很大程度上降低了電站設(shè)備的運(yùn)行管理水平和效益。
另外，由于大部分電站已運(yùn)行了三四十年，機(jī)組設(shè)備在性能和結(jié)構(gòu)方面都已陳舊、事故增多、檢修頻繁。長期運(yùn)行已使過流部件磨損，特別是轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)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(jù)國外有關(guān)資料介紹，效率下降約為２％。特別是有些電站或由于當(dāng)年是套用機(jī)組，或由于電站參數(shù)發(fā)生變化，使機(jī)組長期在低效率下運(yùn)行，浪費(fèi)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，電力負(fù)荷峰谷差愈來愈大，增大中小型電廠在電網(wǎng)系統(tǒng)中的調(diào)峰、調(diào)頻能力也愈顯重要。而電力系統(tǒng)越來越多地要求水電機(jī)組特別是中小型水電機(jī)組擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，這樣就增加了機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)次數(shù)，致使水輪機(jī)部件動(dòng)載荷增加，運(yùn)行條件變得苛刻，對那些設(shè)備陳舊的老電站，擔(dān)負(fù)這樣任務(wù)顯然力不從心。同時(shí)，近幾年大電網(wǎng)對地方電網(wǎng)實(shí)行峰谷差價(jià)和峰電超計(jì)劃加價(jià)政策，讓電網(wǎng)中調(diào)節(jié)性能較好的水電站實(shí)行頂峰發(fā)電，多發(fā)電必將會顯著提高地方電網(wǎng)的負(fù)荷率和經(jīng)濟(jì)效益。
２水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的必要性和可行性
２.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的必要性
從我國水電事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，大批水電站存在的主要問題及產(chǎn)生的嚴(yán)重后果主要是長期以來水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)制造與使用條件相脫節(jié)，主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面［2］：
（１）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率低。水輪機(jī)效率是水輪機(jī)性能的重要指標(biāo)，據(jù)統(tǒng)計(jì)從50年代至今，水輪機(jī)效率每10年提高一個(gè)百分點(diǎn)，我國有一大批機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系國內(nèi)50、60年代產(chǎn)品，與90年代國內(nèi)外先進(jìn)轉(zhuǎn)輪相比，差距很大，真機(jī)效率約低2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪費(fèi)。
（２）水輪機(jī)與水輪發(fā)電機(jī)選型不合理?！傲濉币郧鞍惭b的水輪發(fā)電機(jī)組，由于設(shè)計(jì)條件限制，有些電站選擇水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)偏于保守，使水能不能充分利用，有些電站選擇水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)容量匹配不當(dāng)，從而大大限制了機(jī)組出力。
（３）水輪機(jī)運(yùn)行可靠性差。水輪機(jī)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造水平限制，水輪機(jī)抗空化、抗磨損、抗振動(dòng)性能差，經(jīng)幾十年運(yùn)行，一些機(jī)組空化、磨損、振動(dòng)嚴(yán)重，運(yùn)行條件惡劣、事故隱患不斷增加。嚴(yán)重影響水輪機(jī)的可靠運(yùn)行。
（４）自然條件的變化。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有些電站的上游大力發(fā)展耗水量較大的農(nóng)業(yè)企業(yè)，工農(nóng)業(yè)用水量突飛猛進(jìn)。另外，隨著人們生活質(zhì)量的提高，生活用水、環(huán)境用水、生態(tài)用水等過去設(shè)計(jì)電站時(shí)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(jī)組經(jīng)幾十年投運(yùn)，上、下游水位已發(fā)生較大變化，原有轉(zhuǎn)輪運(yùn)行已大大偏離設(shè)計(jì)工況，甚至無法正常運(yùn)行。
綜上所述，８０年代以前建設(shè)的一大批電站，由于機(jī)電設(shè)備落后，技術(shù)老化，機(jī)組設(shè)計(jì)水平低，制造工藝差，技術(shù)參數(shù)低。以及部件老化機(jī)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(fèi)。再加上電網(wǎng)調(diào)峰的迫切需要。如何提高已開發(fā)的水力資源的經(jīng)濟(jì)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(jī)轉(zhuǎn)輪水電站的核心設(shè)備。水輪機(jī)的水力性能、振動(dòng)與空化主要取決于轉(zhuǎn)輪性能，轉(zhuǎn)輪性能的優(yōu)劣對合理開發(fā)利用水能、保證電網(wǎng)可靠性方面有著巨大影響。因此，對老的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的更新改造勢在必行。通過對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改型，可提高機(jī)組效率，增加電站容量，改善機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
２.２水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的可行性
首先，從經(jīng)濟(jì)的角度分析，開發(fā)新電站投資大、周期長，而進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)效益很高。一般認(rèn)為，對老電站的增容改造其單位千瓦投資要比新建電站低２/３以上［３］。
因此，水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改型是一項(xiàng)投入少產(chǎn)出多效益顯著的項(xiàng)目，是提高水電站運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)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(shù)上來說，近年來計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)、流體機(jī)械三維流動(dòng)分析與設(shè)計(jì)理論、通訊與傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和機(jī)械加工技術(shù)等都已取得了很大的進(jìn)步。使得現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)、測試和制造方面都取得了長足的進(jìn)步。這些新的技術(shù)主要表現(xiàn)在：
（１）數(shù)值模擬技術(shù)。五六十年代，混流式轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是本世紀(jì)初羅倫茲提出的通流理論，即假定轉(zhuǎn)輪中的葉片數(shù)無窮多，無限薄，這樣將三維流動(dòng)簡化成軸對稱流動(dòng)。從８０年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展，水力機(jī)械過流部件的三維流動(dòng)分析、三維設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與流動(dòng)分析的重要工具。目前，僅在水輪機(jī)研究領(lǐng)域就有清華、哈電和東方廠等國內(nèi)近十家單位引進(jìn)了先進(jìn)的ＣＦＤ分析軟件。
如哈電，利用ＣＦＤ分析軟件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪開發(fā)，完成了三峽右岸轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，對豐滿、新安江、丹江口、東江、烏溪江等一批老電站改造項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)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(jī)的水力設(shè)計(jì)。東方廠利用ＣＦＤ技術(shù)開發(fā)出福堂電站用Ｄ307模型轉(zhuǎn)輪，其最高效率為94．43％。空化性能也很高，其空化系數(shù)δ＝0．047，飛逸轉(zhuǎn)速特性最大為106．4ｒ/ｍｉｎ，最大壓力脈動(dòng)混頻雙振幅值為5．5％。
另外，西安理工大學(xué)從８０年代后期開始進(jìn)行水輪機(jī)通流部件的反問題研究［４］，先后提出并建立了基于Ｓ1流面反問題計(jì)算的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模型和方法、基于Ｓ2流面反問題計(jì)算的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模型和方法、基于混合譜方法的全三維有旋流動(dòng)的反問題計(jì)算模型和方法。近年來，在三維粘性流設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，又實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)自尋優(yōu)，達(dá)到了根據(jù)廠站的實(shí)際水力參數(shù)進(jìn)行“量體載衣”式的設(shè)計(jì)，取得了水力機(jī)械轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)方法的重大突破。到目前為止，用該模型已先后為有關(guān)電站、多家水輪機(jī)廠和有關(guān)研究單位的幾十臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)，全部達(dá)到了用戶提出的改造目標(biāo)。
這種針對某一電站進(jìn)行專門設(shè)計(jì)與制造的水輪機(jī)選型方法，可以保證讓每一個(gè)電站都可以選出適合自己電站條件的最優(yōu)水輪機(jī)型式，從而達(dá)到最佳運(yùn)行效果，取得最大經(jīng)濟(jì)效益。通過采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行增容改造，具有低投入、高產(chǎn)出、見效快的特點(diǎn)。在改善運(yùn)行性能的同時(shí)減少了運(yùn)行及維修費(fèi)用、減少了機(jī)組的停機(jī)時(shí)間，使電廠費(fèi)用降低并盡快受益。
（２）模型測試技術(shù)。當(dāng)前流體機(jī)械測試技術(shù)發(fā)展迅速，諸如壓力測量技術(shù)、流量測量技術(shù)和粒子圖像測速技術(shù)有較大的提升，多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到流體機(jī)械測試系統(tǒng)中?？傊?，以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)測試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)和通用形式。國內(nèi)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(shè)或?qū)υ啓C(jī)模型試驗(yàn)臺的電氣、測試系統(tǒng)進(jìn)行了全面的改造。其綜合測試精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和重復(fù)精度大大提高。目前，全國已有５座通過部級鑒定的現(xiàn)代化試驗(yàn)臺，其效率綜合試驗(yàn)誤差在±0．25％～±0．3％，為水輪機(jī)模型試驗(yàn)和電站改造驗(yàn)證研究提供了良好的條件。如哈電研制成功了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)觀察成像系統(tǒng)［5］，可通過光纖內(nèi)窺鏡和攝像頭采集轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的脫流、葉道渦、空化和出口處的空化、渦帶的信息，驗(yàn)證ＣＦＤ的分析結(jié)果。也可通過觀察轉(zhuǎn)輪在各工況的流態(tài)，為改型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
（３）剛強(qiáng)度計(jì)算技術(shù)［５］。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不僅要有好的水力性能，還應(yīng)具備高的剛強(qiáng)度性能，這樣才能保證機(jī)組高效安全地運(yùn)行。因此對轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度計(jì)算以及計(jì)算的準(zhǔn)確性尤為重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法采用簡單的材料力學(xué)理論將葉片作為一懸臂梁在全水頭均壓下計(jì)算根部應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有較大出入，或通過模型試驗(yàn)和電站實(shí)測來為設(shè)計(jì)者提供參考。而且還無法計(jì)算葉片的靜位移和固有頻率。近年來隨著有限元的發(fā)展，機(jī)械構(gòu)件的剛強(qiáng)度計(jì)算技術(shù)有了很大的提高。用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)代替模型試驗(yàn)和電站實(shí)測以成為可能。目前以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ為代表的一大批大型有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件在轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水力與強(qiáng)度的交互式設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，葉片應(yīng)力狀況也更趨合理。同時(shí)采用有限元邊界元法相結(jié)合來計(jì)算過流部件的流固耦合振動(dòng)，由于考慮了結(jié)構(gòu)在流體中振動(dòng)的附連水質(zhì)量，可用計(jì)算來估算結(jié)構(gòu)在水中的固有頻率，這種方法可在改造項(xiàng)目中對機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。
（４）葉片模壓成形技術(shù)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的心臟，因此它的制造質(zhì)量至關(guān)重要。直接影響著轉(zhuǎn)輪的效率、抗空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性。過去大多采用鑄造方法制造葉片，打磨光滑后與上冠、下環(huán)拼焊。該工藝方法有很多缺點(diǎn)：型線偏差大、表面粗糙、打磨廢工、抗空化性能差，并且鑄造的葉片帶有鑄造缺陷，使得葉片使用性能變壞，對于大型葉片，葉型精確度更難控制，最終也不易達(dá)到要求。近幾年來，模壓成型技術(shù)廣泛用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造，它是一項(xiàng)可以獲得葉型準(zhǔn)確、鏟磨量小、價(jià)格適中、生產(chǎn)周期較短的轉(zhuǎn)輪葉片制造技術(shù)。其方法是將葉片母材進(jìn)行初步加工，然后放在用數(shù)控機(jī)床銑好的壓模內(nèi)用壓力機(jī)壓型，最后做局部修磨。這種方式制成的葉片型線好，材質(zhì)好，抗空化磨損性能強(qiáng)，效率也易得到保證。如哈電應(yīng)用ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ兩個(gè)有限元軟件開發(fā)了動(dòng)態(tài)計(jì)算模壓葉片中心和壓力噸位的計(jì)算方法，已獲得了成功。
（５）葉片數(shù)控加工技術(shù)。對于葉片的加工過去采用“立體樣板－鏟磨”工藝，這是一種通過投入大量手工勞動(dòng)力，依據(jù)立體樣板作為測量工具，把鑄件毛坯變成葉片成品的工藝。根據(jù)文獻(xiàn)［６］，使用這種加工工藝存在著測量精度差、使用操作困難和費(fèi)用大的三大致命缺點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外各水輪機(jī)制造廠家已取消了傳統(tǒng)的立體樣板，采用數(shù)控加工技術(shù)，它是一種通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件控制機(jī)床自動(dòng)操作完成的一種理想的加工工藝。由于它能把葉片的理論曲面圖形通過數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)確無誤地傳送到執(zhí)行指令的操作機(jī)構(gòu)上，解決了葉片測量與理論位置的自動(dòng)找正問題和測點(diǎn)加工余量的自動(dòng)計(jì)算問題，使大型水輪機(jī)的葉片制造精度較傳統(tǒng)立體樣板工藝有了較大提高。如劉家峽２＃轉(zhuǎn)輪和天生橋的５＃、６＃轉(zhuǎn)輪都是采用數(shù)控加工。再者，從工程應(yīng)用方面來說，近年來，老電站機(jī)組的技術(shù)改造工作已引起了世界各國的普遍關(guān)注，尤其在一些水力資源開發(fā)程度較高的國家，更為重視。我國的電站更新改造工作與國外先進(jìn)國家相比雖然起步較晚。但也于８０年代初開始探索性的工作。２０年來，各類水電站的技術(shù)改造工作已取得了不少的成績和經(jīng)驗(yàn)，為各電廠和科研單位培養(yǎng)了大批技術(shù)人員和技術(shù)工人，從而為我國各電廠的增容改造工作奠定了基礎(chǔ)，使各水電站的技術(shù)改造工作的順利完成成為可能。
３結(jié)論
開發(fā)新電站投資大、周期長，而老電站增容更新改造由于不需要再建大壩等水工建筑物，故投資少、周期短、收益大?？梢?，水電站更新改造已成為許多國家解決能源短缺的重要手段之一，而水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站的主要設(shè)備之一，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能的優(yōu)劣對合理開發(fā)利用水能、提高水電站運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性、保證電網(wǎng)可靠性方面有著巨大影響。所以，水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)已成為水電站更新改造的主要任務(wù)與關(guān)鍵途徑之一。與此同時(shí)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)、模型測試技術(shù)、剛強(qiáng)度計(jì)算技術(shù)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改型設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。因此，我們應(yīng)充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果，結(jié)合我國八十年代之前建造的中小型水電站的實(shí)際情況進(jìn)行機(jī)組特別是水輪機(jī)的技術(shù)改造。確保水輪機(jī)的高性能、高質(zhì)量和安全可靠運(yùn)行。
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