水利工程論文-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.doc

水利工程論文-中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的必要性和可行性摘要：中小型水電站技術(shù)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(xiàn)狀的論述，分析了在中小型水電站技術(shù)改造中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的必要性和可行性，并介紹了當(dāng)前水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)、測試和制造方面的新技術(shù)。關(guān)鍵詞：中小型水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)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7700104，其中，中小型水電站45104余座，擁有機(jī)組7104余臺，總裝機(jī)容量達(dá)2020104，有近一半為5060年代制造的設(shè)備1。由于當(dāng)時條件限制，這些電站的水輪機(jī)多數(shù)是應(yīng)用前蘇聯(lián)4050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。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、停機(jī)次數(shù)，致使水輪機(jī)部件動載荷增加，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，近幾年大電網(wǎng)對地方電網(wǎng)實(shí)行峰谷差價和峰電超計(jì)劃加價政策，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。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的必要性和可行性水輪機(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)在下面幾個方面2：（）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25以上。造成可利用能源的巨大浪費(fèi)。（）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。（）水輪機(jī)運(yùn)行可靠性差。水輪機(jī)受當(dāng)時設(shè)計(jì)、制造水平限制，水輪機(jī)抗空化、抗磨損、抗振動性能差，經(jīng)幾十年運(yùn)行，一些機(jī)組空化、磨損、振動嚴(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。（）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，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。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/以上。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：（）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，這樣將三維流動簡化成軸對稱流動。從年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動力學(xué)的迅速發(fā)展，水力機(jī)械過流部件的三維流動分析、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)的分析軟件。如哈電，利用分析軟件進(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)。東方廠利用技術(shù)開發(fā)出福堂電站用307模型轉(zhuǎn)輪，其最高效率為9443?？栈阅芤埠芨?，其空化系數(shù)0047，飛逸轉(zhuǎn)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(xué)從年代后期開始進(jìn)行水輪機(jī)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(jì)算的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模型和方法、基于2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)行性能的同時減少了運(yùn)行及維修費(fèi)用、減少了機(jī)組的停機(jī)時間，使電廠費(fèi)用降低并盡快受益。（）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)為核心的自動測試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)的一個特點(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。