小型水电站水轮机选型与优化的探讨

中小型水电站水轮机选型与优化的探讨作者：梁章堂甘肃省水利水电勘测设计研究院摘要：为了研究影响中小型水电站水轮机优化选型的主要因素，根据中小型水电站的特点及代表水轮机技术特性的各参数之间相互关系，论述了水轮机考虑抗磨蚀和运行稳定性时，其技术经济参数选择和优化的方法、途径，并对信息技术用于水轮机的选型和优化做了初步探讨。关键词：中小型水电站；水轮机选型；优化；磨蚀；运行稳定性；计算机流体动力学我国水电资源蕴藏丰富，可经济开发的水电资源达3.7亿kW，装机容量小于300MW的中小水电约占到可经济开发资源量的50%。改革开放以来，随着经济和社会的发展对电力日益增长的需求，我国电力工业获得快速发展，水电建设如火如荼。一些地方中小水电特别是农村水电甚至成为当地经济可持续发展的支柱，以电代燃料成为维持生态环境良性循环的保障。水轮机是水力发电的关键设备之一。水轮机特性的优劣是影响水电站经济性的重要因素。水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。参数优化的目的是通过技术方案的比较，对设备和工程建设的投资、运行费用，设备预期的可用性、可靠性、使用寿命，预期的收益等工程生命周期内的技术与经济因素，及其相互间的影响，进行综合比较和评判，寻求资源利用充分、投资省、收益高的最优方案。为了经济地开发水电资源，合理选择水轮机技术经济参数并进行优化，是水电资源开发、咨询和设计阶段的主要任务，也是水轮机设备采购招标投标的重要工作。水轮机技术特性(包括能量特性、空化特性和运行稳定性)与经济性，以及代表水轮机技术特性的各参数(比转速ns、单位转速n1、单位流量Q1、水轮机效率η、空化系数σ等)之间，存在着相互制约、相辅相成的辩证关系。水轮机技术经济参数的选择和优化是一项复杂的系统工程。本文根据中小型水电站的特点，探讨了水轮机的磨蚀和运行稳定性以及选择和优化水轮机技术经济参数的途径，对信息技术的发展和应用于水轮机选型和优化问题，也进行了初步探讨。1水轮机磨蚀与选型优化众所周知，空化是发生在运行中的水力机械的一种流体动力现象，当空化发生发展，并造成过流部件材料的破坏损耗称为空蚀。在含沙水流中工作的水力机械除了会发生空化外还将发生砂粒磨损，但发生在水力机械中的沙粒磨损不同于一般磨粒磨损，常常与空化现象相伴发生，造成并且加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。我国工程和学术界将这种水力机械转轮等过流部件在含沙水流介质中工作时发生的空蚀和沙粒磨损破坏统称为磨蚀。磨蚀导致水力机械性能下降，效率降低，甚至失效。我国中西部地区特别是黄河流域的水电工程，通常都不同程度地遭受到磨蚀损坏，如黄河三门峡、云南六郎洞、新疆喀什三级等水电站水轮机的磨蚀状况是较为典型的例子。根据国内外的研究和实践，水轮机泥沙磨损强度与水流的含沙量，沙粒的矿物成分、硬度及其形状、粒径，沙粒运动的速度(流道内相对流速)等有关，也与水力模型(包括叶型、流道)的空化特性及过流部件所采用的材料特性有关。我国水电科研、工程设计、水电设备研制与水电运行管理部门，在长期广泛的理论研究和工程实践的基础上，借鉴国内外水电工程的经验教训，从工程总体布置、水轮机参数选择、设备制造选材、工艺和运行调度等方面，总结出了对在含沙水流中工作的水轮机抗磨蚀防护行之有效的措施，概括起来主要为以下6个方面：①优化水沙调度，蓄清排浑或设置沉沙、排沙设施以减少泥沙过机；②采用较低的能量参数如降低水轮机转轮中的相对流速(如控制水轮机转轮出口圆周速度U2≤38～42m/s)，以降低磨蚀强度；③水轮机的过流部件采用耐磨蚀性和工艺性好的材料，以及采用先进的材料加工工艺(如采用不锈钢板冲压转轮轮叶)，以提高抗磨蚀性能；④过流部件采取表面处理措施，如打磨以提高表面的粗糙度精度、硬度、韧性，或在材料表面喷焊或涂(镀)抗磨蚀的金属或非金属材料等技术和工艺，也可提高抗磨蚀性能；⑤采用五轴数控铣床加工水轮机转轮叶片，以保证型线准确度；⑥适当降低水轮机安装高程以减轻空蚀强度等。含沙河流上的水电站水轮机参数的选择与优化，应根据水流含沙情况(包括含沙量、粒径、成分、硬度等)和河道输沙特点，电站在系统中的地位及系统对电站的运行要求，电站可能选择的防护措施，包括水库运用及水沙调度、电站运行调度、检修制度等运行管理措施的应用等，分析、预测水轮机运行过程中可能发生的磨蚀及其破坏程度，提出水轮机参数的选择方案，要根据经济合理的原则对方案进行全面的分析评价、选优。中小型水电站(包括农村水电站)一般都要并入电网运行，且其水轮机设备尺寸一般不大(低水头水电站除外)，制造、安装技术难度相对较小，检修也较方便。此外，河道径流和输沙量一般都具有季节性的特征，如我国西北等干旱半干旱地区，这一特征更为明显，由于天然植被覆盖率较低，黄河上游干、支流，内陆河水系及其他河流，普遍挟带泥沙，而汛期输沙量往往占到全年的日5%～95%，汛期径流量也占到全年的较大比例，其余时段不仅含沙量小，且河道来流量也较小，电站往往不能满负荷运行，便于安排机组检修而不影响发电。因此，在多年平均含沙量不大(如小于5kg/m3)的情况下，特别是中小型农村水电站，一般不宜盲目采用大幅降低比转速等方案，应采用减少泥沙过机及提高过流部件抗磨蚀性能等多种措施的综合方案。如采取沉、排沙措施，在汛期利用来水量大，电站有弃水时集中冲沙；过流部件采用高韧性和硬度的抗磨蚀不锈钢材料或耐磨蚀材料涂护；转轮叶片打磨提高表面粗糙度精度；采用抗磨蚀性良好的叶型和流道；河道来流量较小电站不能满发时轮换检修机组等。这样可以更充分地利用水能多发电量，技术经济效果相对较好。2水轮发电机组运行稳定性与选型优化现代水轮发电机组的单机容量越来越大，最大单机出力已达852MW(长江三峡)。水轮发电机组的运行稳定性，因一些大型或巨型机组发生振动造成损失而受到越来越普遍的重视。水力发电是水流推动水轮机组的旋转运动实现能量转换的，导致水轮发电机组出现振动、功率摆动等运行稳定性问题发生，实质是水力发电系统或装置内存在的或运转诱发的动态不平衡因素所致，其表现形式可概括为水力、电气及机械振动等三大类。水力因素包括尾水管的压力脉动，流道内的卡门涡、叶道涡，流道内的不均匀流场及空化，压力输水管道中的水力脉动等。电气因素主要是水轮发电机的不均衡磁拉力。机械振动包括机组自激振动，轴系振动、发电机定子振动、因振动耦联引起的振动及共振等。水轮机的水力设计、机组及部件的结构设计缺陷，制造、装配和安装质量不良，运行因素等，如水封间隙不均，转动部分的质量不平衡，水轮机转轮与密封、水轮发电机转子与定子不同心度差，机组的部件或整体刚度设计不合理，以及水力系统存在的缺陷等都可能引起运行稳定性问题。另外，在系统中担负调峰运行的机组，由于频繁起动、停机等也可能导致或加剧机组的振动，造成转动部件的损坏。总之，引起机组振动影响运行稳定性的原因和机理较为复杂，各种类型和容量的水轮机组都可能发生振动而影响机组的运行稳定性。水轮机的运行稳定性主要表现为水力振动和机械振动，与水轮机能量特性和空化特性存在一定的相关性，如以应用最为广泛的混流式水轮机为例，它的发展和应用所带来的经济效益非常可观，现代单机容量300MW及以上的大型或巨型机组都是混流式水轮机。由于混流式水轮机转轮叶片是不可调的，一旦偏离最优工况区即偏离无涡带区运行，就可能发生水力脉动，特别是水头变幅较大的水电站，水轮机在部分负荷区或在高水头工况区运行无法避免。中小型水电站的水轮机选型也应重视稳定性问题，应将稳定性作为重要的技术经济性能加以研究。应从水轮机的水力设计、结构和部件的设计、机组的安装等方面，并参考已运行的类似电站的经验，对可能出现的影响机组运行稳定性的水力、电气和机械因素进行分析、计算和预测，并选择预防、控制和改善水轮机运行稳定性的措施。如在水力方面选择无涡区较宽、水力脉动较小的转轮模型；选择较高的水轮机设计水头；水头变幅较大的电站设置机组最大出力等。在水轮机过流部件结构和流道方面，如转轮采用奇数叶片数，采用X形叶型及长短叶片，采用较高的尾水管高度，并设置补气装置等。在机组及部件结构设计方面，要求供货厂商做到机组及部件结构设计合理，并便于检修；要求加强水轮发电机组整体及部件的刚度、保证水轮发电机定子适宜的刚度、柔度和强度；要求在工厂装配和现场安装中特别要保证可能引起振动的关键部位的精度和安装质量。还要核算机组部件的自振频率，在电站压力钢管设计时核算钢管的自振频率，避免发生共振。在电站运行中尽可能优化调度等；应尽可能消除振源。同时，为便于对机组的运行状况进行在线状态监测、故障诊断和报警，电站应设置机组振动自动监测系统，对机组振动、摆度和压力脉动等稳定性运行状况进行监测和报警，为机组的状态检修和电站的安全经济运行提供依据。3信息技术用于水轮机参数选择的探讨自1849年英国人弗朗西斯发明了世界上第一台混流式水轮机以来，人类利用水能发电已历经150余年。150年来，单机容量从当初几千瓦的小机组到现今800余MW的巨型机组，电站装机容量从数十千瓦的小水电站到现今数百万乃至千万千瓦以上的巨型水电站，发展相当迅速。水电开发由于水轮机技术的特殊性，通常先进行水力模型研究，然后根据相似原理将模型按比例放大设计成需要的原型水轮机。要完成一个水轮机模型的设计和试验，需要较长的设计试验周期。基于经济性的考虑，中小电站水轮机的设计选型，一般是套用现有型谱或模型曲线，较注重其技术成熟程度和运行经验，而相对较少关注技术的发展趋势和研究采用最新成果。水轮机技术是一门综合应用科学和工程技术，现代水轮机科学技术和水电开发之所以取得如此快速的发展，特别是最近50年来的迅猛发展，固然是因为经济和社会的发展对电力不断增长的需求和水力发电带来的巨大经济利益所推动，但也与经济发展和其他科学技术(如计算机、信息技术和材料等学科技术)发展的促进密不可分。特别是计算机与信息技术的发展和应用，使水轮机技术的发展得到了巨大的推动和提升，如计算机流体动力学(CFD)水力分析预测技术，有限元结构分析技术(FE)，计算机辅助设计和制造技术(CAD/CAM)等及其他新技术，应用于水轮机水力开发、模型制造、模型试验和结构分析及水轮机组制造的全过程，不仅使得水轮机的技术性能包括能量特性和空化性能等普遍得到提高(水轮机模型效率最高已达95%)，而且在实用上，结合统计分析和经验，采用CFD等技术，基于现有水轮机研究和制造的经验开发研制、改造的常规水轮机新转轮甚至可以不再进行模型试验验证即可投入工程应用，即使进行模型试验验证，也大大缩短了从技术开发、产品制造到产品应用的周期，收到事半功倍的效果，经济效益非常明显。目前，CFD等信息技术已在国内外有关高校、科研机构及水轮机研发和制造企业逐步推广，包括一些大型水轮机新转轮及过流部件的技术开发和设计，其技术将日益成熟和进步，发展和应用前景广阔。相信对于我国水电工程咨询设计行业，逐步应用和推广CFD等信息新技术，将会有助于提升设计质量，加快水电技术发展和水电开发的步伐，有助于提升我国水电开发的水平和经济效益。这也将会是水力发电设计技术发展的必然趋势。4结语目前，我国对在含沙水流中工作的水轮机的抗磨蚀研究及技术已比较成熟，对机组运行稳定性的研究也已取得相当的进展。对中小型水电站水轮机的技术经济参数进行优化，有利于提高中小水电站的经济效益。中小型水电站在电网中所占比重较小，难以担当系统的调峰、调频任务，因此，在中小型水电站机组的选择和优化时，还应考虑这一特点。在水电站设计中推广应用CFD等新技术对水力发电的技术进步具有深远的意义。