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中小型水電站水輪機轉輪改型設計的

必要性和可行性

１我國中小型水電站的發展現狀

    建國以來，我國水電建設取得了巨大成就，據統計我國常規水電裝機容量已達到7700×104ｋＷ，其中，中小型水電站4．5×104余座，擁有機組7×104余臺，總裝機容量達2020×104ｋＷ，有近一半為50～60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40～50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定設計，致使原來水力效率不高的轉輪又偏離了高效率區。還有性能指標較低，如高效區狹小、振動區范圍大、空化性能差等，對機組的安全穩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２％。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，讓電網中調節性能較好的水電站實行頂峰發電，多發電必將會顯著提高地方電網的負荷率和經濟效益。

２水輪機轉輪改型的必要性和可行性
２.1水輪機轉輪改型的必要性
     從我國水電事業的發展現狀來看，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，主要表現在下面幾個方面［2］：
    （１）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2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪費。
    （２）水輪機與水輪發電機選型不合理。“六五”以前安裝的水輪發電機組，由于設計條件限制，有些電站選擇水輪機與發電機偏于保守，使水能不能充分利用，有些電站選擇水輪機與發電機容量匹配不當，從而大大限制了機組出力。
    （３）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。
   （４）自然條件的變化。近年來隨著經濟的發展，有些電站的上游大力發展耗水量較大的農業企業，工農業用水量突飛猛進。另外，隨著人們生活質量的提高，生活用水、環境用水、生態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。這樣部分水輪發電機組經幾十年投運，上、下游水位已發生較大變化，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，８０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，轉輪性能的優劣對合理開發利用水能、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定性。

２.２水輪機轉輪改型的可行性
    首先，從經濟的角度分析，開發新電站投資大、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２/３以上［３］。
     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：
   （１）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８０年代以后，隨著計算機技術和計算流體動力學的迅速發展，水力機械過流部件的三維流動分析、三維設計和優化算法都有了長足的發展，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ＣＦＤ分析軟件。
     如哈電，利用ＣＦＤ分析軟件進行模型轉輪開發，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ＣＦＤ技術開發出福堂電站用Ｄ307模型轉輪，其最高效率為94．43％。空化性能也很高，其空化系數δ＝0．047，飛逸轉速特性最大為106．4ｒ/ｍｉｎ，最大壓力脈動混頻雙振幅值為5．5％。
    另外，西安理工大學從８０年代后期開始進行水輪機通流部件的反問題研究［４］，先后提出并建立了基于Ｓ1流面反問題計算的準三維設計模型和方法、基于Ｓ2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，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。
   （２）模型測試技術。當前流體機械測試技術發展迅速，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。總之，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、運行穩定性和重復精度大大提高。目前，全國已有５座通過部級鑒定的現代化試驗臺，其效率綜合試驗誤差在±0．25％～±0．3％，為水輪機模型試驗和電站改造驗證研究提供了良好的條件。如哈電研制成功了轉輪內部流態觀察成像系統［5］，可通過光纖內窺鏡和攝像頭采集轉輪進口處的脫流、葉道渦、空化和出口處的空化、渦帶的信息，驗證ＣＦＤ的分析結果。也可通過觀察轉輪在各工況的流態，為改型設計提供依據。
    （３）剛強度計算技術［５］。水輪機轉輪不僅要有好的水力性能，還應具備高的剛強度性能，這樣才能保證機組高效安全地運行。因此對轉輪的剛強度計算以及計算的準確性尤為重要。傳統的設計方法采用簡單的材料力學理論將葉片作為一懸臂梁在全水頭均壓下計算根部應力，計算結果與實際有較大出入，或通過模型試驗和電站實測來為設計者提供參考。而且還無法計算葉片的靜位移和固有頻率。近年來隨著有限元的發展，機械構件的剛強度計算技術有了很大的提高。用計算機模擬技術代替模型試驗和電站實測以成為可能。目前以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ為代表的一大批大型有限元結構分析計算軟件在轉輪剛強度計算中得到了廣泛的應用，實現了水力與強度的交互式設計，計算結果更為準確，葉片應力狀況也更趨合理。同時采用有限元邊界元法相結合來計算過流部件的流固耦合振動，由于考慮了結構在流體中振動的附連水質量，可用計算來估算結構在水中的固有頻率，這種方法可在改造項目中對機組的穩定性進行預測。
   （４）葉片模壓成形技術。水輪機轉輪是水輪機的心臟，因此它的制造質量至關重要。直接影響著轉輪的效率、抗空化性能和運行穩定性。過去大多采用鑄造方法制造葉片，打磨光滑后與上冠、下環拼焊。該工藝方法有很多缺點：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，最終也不易達到要求。近幾年來，模壓成型技術廣泛用于水輪機轉輪葉片制造，它是一項可以獲得葉型準確、鏟磨量小、價格適中、生產周期較短的轉輪葉片制造技術。其方法是將葉片母材進行初步加工，然后放在用數控機床銑好的壓模內用壓力機壓型，最后做局部修磨。這種方式制成的葉片型線好，材質好，抗空化磨損性能強，效率也易得到保證。如哈電應用ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ兩個有限元軟件開發了動態計算模壓葉片中心和壓力噸位的計算方法，已獲得了成功。
    （５）葉片數控加工技術。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力，依據立體樣板作為測量工具，把鑄件毛坯變成葉片成品的工藝。根據文獻［６］，使用這種加工工藝存在著測量精度差、使用操作困難和費用大的三大致命缺點。近年來，國內外各水輪機制造廠家已取消了傳統的立體樣板，采用數控加工技術，它是一種通過計算機系統的軟件控制機床自動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據輸出準確無誤地傳送到執行指令的操作機構上，解決了葉片測量與理論位置的自動找正問題和測點加工余量的自動計算問題，使大型水輪機的葉片制造精度較傳統立體樣板工藝有了較大提高。如劉家峽２＃轉輪和天生橋的５＃、６＃轉輪都是采用數控加工。再者，從工程應用方面來說，近年來，老電站機組的技術改造工作已引起了世界各國的普遍關注，尤其在一些水力資源開發程度較高的國家，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，各類水電站的技術改造工作已取得了不少的成績和經驗，為各電廠和科研單位培養了大批技術人員和技術工人，從而為我國各電廠的增容改造工作奠定了基礎，使各水電站的技術改造工作的順利完成成為可能。

３結論
    開發新電站投資大、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。可見，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，而水輪機轉輪是水電站的主要設備之一，水輪機轉輪性能的優劣對合理開發利用水能、提高水電站運行可靠性和經濟性、保證電網可靠性方面有著巨大影響。所以，水電站水輪機轉輪改型設計已成為水電站更新改造的主要任務與關鍵途徑之一。與此同時，現代計算機數值模擬技術、模型測試技術、剛強度計算技術和制造技術的不斷進步，為水輪機轉輪的改型設計創造了條件。因此，我們應充分利用現代科學技術成果，結合我國八十年代之前建造的中小型水電站的實際情況進行機組特別是水輪機的技術改造。確保水輪機的高性能、高質量和安全可靠運行。