軸流定槳式水電站枯水期減容增效改造方案

軸流定槳式水電站枯水期減容增效改造方案

我國軸流固定槳式水電站的設(shè)計(jì)存在兩個(gè)問題：一是由于小流量。在旱季，由于流量過低，無法發(fā)電是一個(gè)問題。軸流固定槳的主缸的使用流量低，電機(jī)容量小，難以引起相關(guān)部門的注意。近十年來，中國對(duì)軸流式地表水的科學(xué)研究投資較少，現(xiàn)有軸流式水輪科研成果遠(yuǎn)不能滿足中小型低照度電氣工程和改造的需要。目前，我國對(duì)軸流式發(fā)電輪的開發(fā)主要集中在提高斗爭(zhēng)狀態(tài)上。很少有人致力于減少現(xiàn)有裝置的體積，并進(jìn)行改造。對(duì)于許多軸流固定桿的電氣表，最好可以通過與現(xiàn)有系列裝置交叉的低比速軸流固定桿的護(hù)坡，以達(dá)到低污染和效應(yīng)，并在旱季通過。在設(shè)計(jì)和利用小流量方面，可以正常運(yùn)行。這可以提高電站設(shè)備和水資源的利用率，大大提高電站效率。1速度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我國很多地區(qū)水量季節(jié)分布不均,軸流定槳式水輪機(jī)特性曲線較混流式水輪機(jī)特性曲線陡窄,這決定了其對(duì)流量變化較混流式水輪機(jī)更為敏感.在枯水期當(dāng)流量減小值相對(duì)于混流式水輪機(jī)并不很多時(shí),軸流定槳式轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工況點(diǎn)卻很可能遠(yuǎn)離其有效工作區(qū)域,出力急劇下降乃至帶不上負(fù)荷,只得停機(jī)棄水.圖1為轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)(A工況點(diǎn))時(shí)出口環(huán)量為零的圓柱面上翼型進(jìn)出口速度三角形和流量過小不能發(fā)電工況點(diǎn)(B工況點(diǎn))同一圓柱面上翼型進(jìn)出口速度三角形示意圖(標(biāo)“′”的為A工況點(diǎn)參數(shù),標(biāo)“″”的為B工況點(diǎn)參數(shù)).已知:進(jìn)口絕對(duì)速度的大小決定于水頭H而恒定,方向隨導(dǎo)葉開度而變化,小流量下導(dǎo)葉開度減小,水流進(jìn)口角由α1′減至α1″;圓周速度的大小決定于電網(wǎng)頻率而恒定;據(jù)圓柱層間無關(guān)性假設(shè)可知,進(jìn)出口軸面速度的大小和方向應(yīng)相等;軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片安放角無法調(diào)節(jié),故β2′恒定不變.由上述分析可得由圖1看出:vu2″較大,β1″<β1′.由此引起以下4個(gè)方面的主要問題:1)vu2″過大,則出口環(huán)量Γ2″過大.由Ηgηs″=ω″2π(Γ1″-Γ2″)Hgηs′′=ω′′2π(Γ1′′?Γ2′′)看出:Γ2″過大,則Δ?！?Γ1″-Γ2″過小.在H″和ω″都為定值的情況下,效率ηs″就會(huì)急劇下降,當(dāng)流量下降到一定值時(shí),過小的ηs″將致使水輪機(jī)根本不能帶負(fù)荷.如對(duì)青海多哇電站的ZD560轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在1m3/s流量下分析得:Δ?！?3.02m2/s,ηs″僅有28.6%,機(jī)組帶不上負(fù)荷,不能正常發(fā)電.上述因素是此類機(jī)組普遍存在的在小流量下不能發(fā)電的主要原因.2)若vu2″過大,由出口速度三角形知:v2″2=vu2″2+vm2″2,則v2″22g=vu2?22g+vm2?22gv2′′22g=vu2?22g+vm2?22g,即尾水管入水口處的水流動(dòng)能由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和軸面運(yùn)動(dòng)動(dòng)能組成.可見,vm2″與尾水管的半徑平方成反比,vu2″僅與半徑成反比.當(dāng)水流沿?cái)U(kuò)散型尾水管流動(dòng)時(shí),vm2″的衰減速度遠(yuǎn)比vu2″快,說明尾水管不易回收旋轉(zhuǎn)動(dòng)能vu2″2/(2g).因此,當(dāng)vu2″較大時(shí),尾水管回收能量的效果差.3)在vu2″過大的情況下,會(huì)在尾水管中形成渦帶,引起尾水管內(nèi)的周期性水壓力脈動(dòng),這將導(dǎo)致機(jī)組工作不穩(wěn)定.4)一般情況下,轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在A工況點(diǎn)時(shí)葉片進(jìn)口水流無撞擊或有較小正撞擊,如圖1所示.當(dāng)葉片進(jìn)水角為β1′時(shí),撞擊損失較小.當(dāng)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在B工況點(diǎn)時(shí)流量減小較多,葉片進(jìn)水角從β1′減至β1″,將有較大負(fù)撞擊,產(chǎn)生較大頭部撞擊和尾部脫流損失,這是水輪機(jī)水力損失的一個(gè)重要方面,將引起機(jī)組效率下降.上述4方面的原因常常導(dǎo)致機(jī)組無法發(fā)電,解決此類問題最簡(jiǎn)單的辦法是從型譜中選用一個(gè)葉片轉(zhuǎn)角更適宜的同型號(hào)轉(zhuǎn)輪或同一尺寸另一型號(hào)轉(zhuǎn)輪來進(jìn)行更換,但由于具體條件所限,這種辦法在有些水電站中并不能滿足小流量下正常發(fā)電的要求.這時(shí)便需研制一個(gè)與現(xiàn)有機(jī)組過流通道及轉(zhuǎn)速兼容的、適用于枯水期小流量的轉(zhuǎn)輪,來解決枯水期小流量下發(fā)電的問題.2設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)1超常規(guī)低比速軸流定槳式轉(zhuǎn)輪根據(jù)中小型軸流定槳式水電站的現(xiàn)實(shí)條件,應(yīng)以盡可能低的成本解決問題,即在保留原有埋入過流部件不變的前提下,僅通過更換一個(gè)轉(zhuǎn)輪來達(dá)到小流量下也能發(fā)電的目的,這就決定了必須采用尺寸相同的軸流定槳式轉(zhuǎn)輪,此類目標(biāo)轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)超出常規(guī)軸流式轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速范圍,是一種超常規(guī)低比速軸流定槳式轉(zhuǎn)輪.另外,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的部分水力參數(shù)和機(jī)組參數(shù)水頭H、轉(zhuǎn)速n、導(dǎo)葉高度b0、標(biāo)稱直徑D1和輪轂比db應(yīng)與原轉(zhuǎn)輪保持一致.這是因?yàn)?H和n分別決定于電站的自然條件和電網(wǎng)頻率,不可更改;b0和D1若作改變必須改造導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪室,這將耗費(fèi)大量人力和物力,對(duì)中小型水電站來說,難以承受;db增大可減小單位流量,但會(huì)造成與現(xiàn)有的水輪機(jī)支持均不匹配,且使轉(zhuǎn)輪進(jìn)口前流態(tài)惡化、水力損失增加,故db也不可增大.2原轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在b工況點(diǎn)與目標(biāo)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在b工況點(diǎn)的參數(shù)關(guān)系對(duì)于欲設(shè)計(jì)的目標(biāo)轉(zhuǎn)輪,其最優(yōu)工況點(diǎn)是原轉(zhuǎn)輪在小流量下不能正常發(fā)電的工況點(diǎn),即B工況點(diǎn).由水輪機(jī)基本方程式Ηgηs=ω2π(Γ1-Γ2)Hgηs=ω2π(Γ1?Γ2)知,在H和ω都為常數(shù)的情況下,欲使所研制的目標(biāo)轉(zhuǎn)輪在B工況下的效率接近或達(dá)到原轉(zhuǎn)輪在A工況下的效率,應(yīng)使目標(biāo)轉(zhuǎn)輪在B工況下進(jìn)出口速度環(huán)量差接近或達(dá)到原轉(zhuǎn)輪在A工況下的進(jìn)出口速度環(huán)量差,即:Γ1-Γ2≈Γ1′-Γ2′(未標(biāo)撇號(hào)的為目標(biāo)轉(zhuǎn)輪B工況點(diǎn)參數(shù)),所以有:2πrvu1-2πrvu2≈2πrvu1′-2πrvu2′(為便于分析,以下取等號(hào)),又由于vu2′=0,得出:vu2=vu1-vu1′vu2=vu1?vu1′由上述分析,可把原轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在A工況點(diǎn)與目標(biāo)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在B工況點(diǎn)的一些參數(shù)關(guān)系概括為以下關(guān)系式:v1=v1″=v1′α1=α1″＜α1′β1=β1″u1=u1″=u1′=u2=u2″=u2′β2＜β2′=β2″vm1=vm2=vm1?=vm2?據(jù)此可繪制出原轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在A工況點(diǎn)出口環(huán)量為零的圓柱面上翼型進(jìn)出口速度三角形和目標(biāo)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在B工況點(diǎn)同一半徑圓柱面上翼型的進(jìn)出口速度三角形示意圖,如圖2所示.比較圖1和圖2b,可見vu2遠(yuǎn)小于vu2″,且當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口安放角設(shè)計(jì)成約等于葉片進(jìn)水角時(shí),液流進(jìn)口無撞擊或有較小正撞擊,因此目標(biāo)轉(zhuǎn)輪能一定程度上克服原轉(zhuǎn)輪在B工況下所存在的種種問題.綜上所述,在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不作任何變動(dòng)的前提下,當(dāng)流量從qV′減至qV時(shí),原本出口環(huán)量為零的圓柱面上葉片進(jìn)水角從β1′減至β1,出口環(huán)量由零增加至2πrvu2.由此可見,設(shè)計(jì)此種轉(zhuǎn)輪時(shí),決不能采用常規(guī)的出口環(huán)量分布規(guī)律,必須考慮到這一正向出口環(huán)量.在設(shè)計(jì)工況下允許有較常規(guī)值大的正向出口環(huán)量存在,這是這種超常規(guī)低比速軸流定槳式轉(zhuǎn)輪的一個(gè)獨(dú)特之處.這一正向出口環(huán)量不易被尾水管吸收利用,降低了效率.但與原轉(zhuǎn)輪運(yùn)行在這一工況相比,效率必將得到大幅度提高.另一方面,由于流量大幅減小,大大降低了過流通道的雷諾數(shù),使邊界層增厚,過流通道便更接近于水力光滑管,這樣過流通道里的水頭損失必然減小,這相當(dāng)于增加了水頭.整體看來,后一因素能減弱或抵消前者的負(fù)面影響.在水力設(shè)計(jì)時(shí),可假定水頭保持不變,保證效率可取得比常規(guī)設(shè)計(jì)略小一些.3齒輪平均葉柵金相在本課題的研究條件下,由于單位流量過小,比轉(zhuǎn)速已低得超出常規(guī)軸流式比轉(zhuǎn)速范圍.由軸流式轉(zhuǎn)輪平均葉柵稠密度和比轉(zhuǎn)速關(guān)系可見:對(duì)低比速的轉(zhuǎn)輪,平均葉柵稠密度應(yīng)選取較大值.增大葉柵稠密度有兩種方法:增加翼型弦長或增加葉片數(shù).翼型弦長過長將導(dǎo)致葉片尺寸太大而使結(jié)構(gòu)不合理,可行的方法是適當(dāng)增加葉片數(shù).葉片數(shù)較多是此種超常規(guī)低比速軸流定槳式轉(zhuǎn)輪的又一特點(diǎn).4目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的汽蝕性能測(cè)定不符合原葉輪的汽蝕性能對(duì)減容改造的目標(biāo)轉(zhuǎn)輪而言,其安裝高程和轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪相同,出力大幅減小,而葉柵稠密度卻大大增加,作用在葉片正背兩面的壓差較原轉(zhuǎn)輪減小,即工作負(fù)荷減小.又由圖2b可見,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪葉片流道內(nèi)相對(duì)流速較原轉(zhuǎn)輪減小.因而,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的汽蝕性能定會(huì)優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪,故不必拘泥于目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的汽蝕性能問題.5真機(jī)轉(zhuǎn)輪的研發(fā)本課題是針對(duì)特定中小型水電站研制超常規(guī)轉(zhuǎn)輪,設(shè)計(jì)完成后,需在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行CFD分析.對(duì)于設(shè)計(jì)工況點(diǎn)或者說最優(yōu)工況點(diǎn)附近的無分離流動(dòng),采用準(zhǔn)三維無粘計(jì)算方法求解即可取得滿意結(jié)果,據(jù)此即可直接制造真機(jī)轉(zhuǎn)輪.對(duì)這種不太重要的小機(jī)組,只要轉(zhuǎn)輪在水電站具體運(yùn)行條件下能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)即滿足要求,無須遵循由模型試驗(yàn)到真機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)模式.若研制的轉(zhuǎn)輪在真機(jī)運(yùn)行中表現(xiàn)出來良好的性能,即開發(fā)出了具有普遍意義和推廣價(jià)值的新水力模型.3利用點(diǎn)分布法進(jìn)行水力設(shè)計(jì)軸流式轉(zhuǎn)輪葉片水力計(jì)算方法主要有3種:升力法、保角變換法和奇點(diǎn)分布法.用保角變換法解任意翼型剖面的葉柵繞流問題實(shí)際上是很困難的,目前工程中較少采用此法.奇點(diǎn)分布法只要適當(dāng)選擇和布置奇點(diǎn)就可解任意翼型剖面的葉柵繞流問題,升力法可選取優(yōu)秀的空氣或水動(dòng)力翼型.若把兩者結(jié)合起來,發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì),更易獲得優(yōu)秀水力模型.因此,本文采用奇點(diǎn)分布法和升力法相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪.因本文設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪的主要任務(wù)是保證水輪機(jī)出力和轉(zhuǎn)速,可先將葉片翼型簡(jiǎn)化為無限薄翼型葉柵,采用奇點(diǎn)分布法來進(jìn)行翼型骨線的水力設(shè)計(jì).這雖不能計(jì)算實(shí)際翼型表面的速度、壓力分布,其汽蝕性能無法保證,但如前述分析,目標(biāo)轉(zhuǎn)輪的汽蝕性能將優(yōu)于原轉(zhuǎn)輪,故在水力設(shè)計(jì)過程中不必拘泥于汽蝕性能的要求.得到翼型骨線后,再選用較適合該水力參數(shù)的優(yōu)秀翼型進(jìn)行葉片加厚.4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的劃分本軟件系統(tǒng)是在吸取水輪機(jī)CAD最新成果的基礎(chǔ)上,針對(duì)超常規(guī)設(shè)計(jì)特點(diǎn),結(jié)合并修正傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),綜合應(yīng)用軟件工程設(shè)計(jì)思想而開發(fā)的適用于超常規(guī)低比速軸流式轉(zhuǎn)輪葉片的水力設(shè)計(jì)軟件.本軟件運(yùn)用可視化高級(jí)語言VisualBasic進(jìn)行計(jì)算、分析,同時(shí)利用其對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)AutoCAD環(huán)境下水力圖的繪制、編輯和輸出.系統(tǒng)面向用戶,漢字菜單提示,采用交互式操作,使設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和智慧得以充分發(fā)揮.豐富的屏幕圖形顯示功能使設(shè)計(jì)過程非常直觀,更便于交互修改設(shè)計(jì).本軟件系統(tǒng)劃分為6大模塊:參數(shù)確定模塊、水力計(jì)算模塊、圖形繪制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、系統(tǒng)管理模塊和系統(tǒng)輔助模塊.各模塊功能相對(duì)單一,有利于系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試和維護(hù),也有利于系統(tǒng)的更新,但各模塊間的界限并非涇渭分明,它們相互關(guān)聯(lián)、有機(jī)地組成了應(yīng)用軟件.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3,其中轉(zhuǎn)輪葉片水力設(shè)計(jì)部分是系統(tǒng)的核心.5葉柵直徑和密度本例取自青海省多哇電站,基本參數(shù)為:水頭H=13.5m,原流量qV′=3.2m3/s,現(xiàn)流量qV=1.0m3/s,轉(zhuǎn)速n=750r/min,標(biāo)稱直徑D1=0.8m,輪轂比ˉdb=0.35,保證效率η=80%.限于篇幅,這里僅列出部分設(shè)計(jì)計(jì)算的中間和最終結(jié)果:最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110=172.1r/min;最優(yōu)單位流量qV,110=0.