PS水电站机组水轮机技改方案水力性能对比_孙红武.pdf

8水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20231概述PS 水电站位于乌江干流下游，重庆市 PS 县城上游 11km处。PS 水利枢纽主要任务是发电、其次是航运，兼顾防洪及其他，是目前重庆电网中规模最大、调节性能最好的水电站。电站在电网中除承担基荷外，还将承担调峰、调频和事故备用的任务，对满足重庆市电力需求、促进国民经济发展具有十分重要的作用1-3。2机组的基本情况PS 水电站于 2008 年 2 月首台机组发电，2008 年 12 月5 台机组全部投产。自投产发电以来，至今电站已经投运12 年，整体运行情况良好。由于该电站具有窄河谷、大泄量、下游水位变幅大等技术特点，电站在实际运行中存在以下问题：（1）电站汛期弃水量大，受阻电量大。根据 PS 水库调度运行方式，在 5 8 月期间，由于防洪调度的需要，水库需限制在汛限水位运行。当水库下泄流量大于电站发电流量时（此时下泄流量 2850m3/s，尾水位220.5m 左右），水库需要弃水泄洪。经初步分析计算，近 5 年电网有能力消纳而机组出力受阻的时间为 1518h，平均每年约304h，占全年时间 3.5%；期间平均受阻容量 106MW，年平均受阻电量 3210.6 万 kWh。（2）汛期尾水位壅高对机组安全稳定运行具有影响。PS 电站下游尾水位波动范围在 211 243m 之间，电站尾水位变幅最大达 32m，在同等水头段电站里实属罕见。根据电厂提供的数据，PS 电站在大流量泄洪工况时，尾水位较原设计有一定壅高，尾水位的壅高对机组的出力和安全稳定运行有一定影响4。（3）机组超低水头运行稳定性问题。PS 电站设计的运行水头范围为 52 81.6m，异常水头为 44.0m。在 2014 年 7 月五年一遇的洪水期间，最大入库流量 16800m3/s，最大出库流量为 15000m3/s 时，由于电站尾水位急剧升高，电站毛水头最低仅有 42m。当机组在 48m 以下运行时，由于远低于设计水头，机组振动非常大。为了保证机组设备的安全，PS 电站 5 台机组被迫全部停运，对外停电65h 32min。根据 PS 水电站实际运行情况，PS 水电站对降低最小水头运行有现实的需求。（4）机组部分负荷稳定运行区域较窄。PS 发 电 机 组 单 机 容 量 为 350MW，当 机 组 运 行 在0 200MW 负荷区间（单机负荷率在 57%以下时）时，机组处于振动区；另外，在机组水头高于 75m，水轮机负荷在270MW 左右时，机组还存在一个范围较窄的高部分负荷压力脉动区域，如图 1 所示。PS 水电站机组水轮机技改方案水力性能对比孙红武1，龚莉2，燕超1，米宁1，刘德民2，程宦2，周奋强3（1重庆大唐国际彭水水电开发有限公司，重庆市彭水县409600；2东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市618000；3中国大唐集团有限公司重庆分公司，重庆市江北市400000）摘要：PS 水电站为低水头大容量水电站，具有河道窄、下泄流量大、下游水位变幅大等特点，因此存在电站汛期弃水量大、受阻电量大、机组稳定运行区窄、部分负荷压力脉动大等问题。为解决这些问题，本文对电站的转轮进行优化设计。CFD 计算和模型试验结果表明，优化转轮对解决这些问题非常有效。关键词：PS 水电站；转轮优化；数值计算；模型试验中图分类号：TV734.1文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.002基金项目：国家自然科学基金（52779083）；2022 年度四川省重大科技专项“揭榜挂帅”项目（22JBGS0009）；中央引导地方科技成果转移转化（2022ZYD0166）。9孙红武等：PS 水电站机组水轮机技改方案水力性能对比 出力限制线水头/m有功/MW禁止运行区稳定运行区调节缓冲区501001502002503003508280757065605552图 1PS 水电站运行区域划分图Figure 1Operating zones of the PS hydropower stationPS 电站是重庆电网的主力调峰电源，过窄的水轮机部分负荷稳定运行范围限制了机组的调峰调频的能力。3电站改造3.1改造目标将在现有水轮机流道尺寸基本不变的前提下，采用理论分析、数值计算和水力模型试验研究相结合的方式开展本项目的研究工作。结合理论分析与三维湍流数值模拟技术，通过模型试验，在确保高水头稳定性及发电效益的前提下，提高水轮机低水头出力、扩展低水头范围和运行稳定性为核心内容。3.2改造思路PS 电站原流道比较狭窄，蜗壳和尾水管的控制尺寸相比同水头段，同出力的电站较小，这极不利于机组大流量的运行。PS 电站水头变幅 Hmax/Hmin=81.6/53.6=1.52，水头变幅较大。因此在现流道下，既要提高低水头的出力，又要保证全工况下的稳定性，改造具有相当高的难度。PS 电站的额定水头、额定出力和同步转速及流道已经确定，目前要做的工作主要是如何选择合理的水力参数去实现单位目标参数。PS 电站一年中约 80%的时间在高水头部分负荷下运行，20%的时间在低水头超负荷下运行。根据设计经验和初步试算分析认为，本电站有带部分负荷长期运行的需求，最优单位流量不宜太大，且又有超负荷运行的需求，最优单位流量也不宜太小；PS 电站水头变幅较大，需考虑高水头部分负荷稳定性。水轮机特别是固定叶片的混流式水轮机在偏离设计水头最优工况运行时，不仅效率降低、空化恶化且容易发生振动或出力摆动等不稳定现象；偏离愈远产生不稳定的可能性越大，不稳定的程度也越严重；尽管水电机组振动、运行不稳定的原因是复杂的，但大多运行实例，都明显地反映了水轮机在高于设计水头的高水头、小流量运行区比之低水头流量运行区，对运行稳定性更不利、更危险5-7，所以要控制最大水头与设计水头比值的问题。3.3转轮优化改造方向（1）优化进水边，使其更适用于大变幅水头运行，解决电站超低水头运行稳定性问题。（2）优化上冠、下环型线，以提高叶片的过流能力，提高机组洪水期的发电量。（3）优化转轮翼型。从水力上全面提高机组的稳定性，扩大机组稳定运行范围（见图 2）。旧转轮旧转轮新转轮新转轮图 2改造前后转轮对比图Figure 2Comparison between the original turbine and the optimized one10水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023 4水力计算对 PS 电站原转轮和新优化转轮进行了 CFD 全流道数值计算对比，计算时湍流模型选用 SST 模型8，采用总压进口静压出口的边界条件设定，壁面为无滑移边界条件，计算模型示意如图 3 所示。稳态计算工况涵盖了水轮机的运行范围，主要考察各工况下水轮机各通流部件的压力场及速度场分布情况；瞬态计算主要考虑了几个特征工况的非稳态水力现象，如压力脉动和转轮和尾水管中的旋涡等。CFD 计算时，选择 PS 电站各特征水头（包括预期的设计水头）下运行范围内的各种工况点进行，包括不同导叶开度及单位转速。额定水头小负荷工况计算结果对比如图 4所示。图 3水轮机全流道计算模型Figure 3Computational model of the full flow passage图 4额定水头小负荷工况水轮机各部件内流态对比Figure 4Comparisons of the flow pattern between the original and the optimized turbine in low load at rated head(a)原方案(b)新方案(a)The original turbine(b)The optimized turbine11孙红武等：PS 水电站机组水轮机技改方案水力性能对比从各通流部件的内部流态分布来看，新转轮在整个流道内流场分布均匀、流态良好，说明新转轮与通流部件的匹配良好。从水轮机主要工况水力效率 CFD 计算值见图 5 图 7，可以看出，蜗壳、固定导叶、活动导叶与尾水管的水力损失计算值相差不大，新转轮的水力损失较原转轮的损失有明显减小，特别是在大流量区域，新转轮的水力效率显著优于原转轮的。0.20.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)0.20.70.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)损失/%损失/%(a)原转轮蜗壳损失(a)The case loss of original turbine(b)新转轮蜗壳损失(b)The case loss of optimized turbine0.20.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)0.20.70.60.50.40.30.20.100.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)损失/%损失/%The stv loss of original turbine(c)原转轮固定导叶损失(c)(d)新转轮固定导叶损失(d)The stv loss of optimized turbinen=73n=80n=93n=73n=80n=93n=73n=80n=93n=73n=80n=93图 5蜗壳和固定导叶水力损失Figure 5The case and the stay vane loss 0.20.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)(a)原转轮活动导叶损失(a)The wkg loss of original turbine0.20.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)(b)新转轮活动导叶损失(b)The wkg loss of optimized turbine损失/%损失/%65432100123450.20.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)(c)原转轮损失(c)The runner loss of original turbine0.20.40.60.81.01.21.4Q11/(m3.s1)(d)新转轮损失(d)The runner loss of optimized turbine35302520151050损失/%损失/%453525201510504030n=73n=80n=93n=73n=80n=93n=73n=80n=93n=73n=80n=93图 6活动导叶和转轮损失Figure 6The guide vane and the runner loss12水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023从图 8 中的水轮机 CFD 预测综合特性曲线可以进一步地看出，新方案在大流量高单位转速区域的整体效率水平比原方案高出 1%4%，这有效提升低水头大流量区域的水轮机出力。初步预测，PS 改造后水轮机能发出力 354.4MW的最小水头接近 63m；最低水头 50m 时，最大出力接近252MW。20065707580859095400600800100012001400Q11/(L.s1)n11/(r.min1)=160200240280320360400440originnew2030404550566064687174778082848688899091929394949392919088886886979293939291908988868482807774716864605650404593.593.5图 8水轮机改造方案水力性能对比Figure 8Comparison of the hydraulic performance between the original and optimized turbineQ11/(m3.s1)(a)原转轮(a)Original turbineQ11/(m3.s1)(b)新转轮(b)Optimized turbine0.20.40.60.81.01.21.40.20.40.60.81.01.21.46050403020100051015202530354045损失/%损失/%n=73n=80n=93n=73n=80n=93图 7尾水管损失Figure 7The draft tube loss 5试验结果东方电机有限公司于 2021 年开始针对 PS 水电站开展新转轮模型研发工作，2021 年 7 月，在东方电机在 DF-75 水力机械通用试验台上完成了 PS 电站水轮机原转轮和新转轮的模型试验，包括能量、空化、压力脉动、流态观测、飞逸转速特性、蜗壳压差等主要性能试验。（1）新方案在大大提高大流量区效率，特别是全面提高13孙红武等：PS 水电站机组水轮机技改方案水力性能对比了低水头大流量的效率时，维持了原小流量区的效率，效率比较曲线见图 9。（2）新转轮在 63m 时能够达到额定出力 365MW，流量为 653.26m3/s；而原转轮在 63m 的出力仅为 319MW。（3）新转轮在低水头下，消除了原转轮的高部分负荷压力脉动振动区和大开度区异常压力脉动振动区，见图 10 和图11，进一步扩大了机组在低水头的出力。（4）流态观测，见图 12。在 PS 整个运行范围内，转轮的流态明显优于原转轮，进一步提高了机组运行的稳定性。95949392919089888786600800100012001400Q11/(L.s1)/%95949392919089888786600800100012001400Q11/(L.s1)/%(b)H=61m(a)H=65m原转轮新转轮原转轮新转轮图 9不同水力方案性能对比Figure 9Comparison of the efficiency between the original and optimized turbine050100150200250300P/MWH/H/%新转轮原转轮图 10不同水力方案无叶区压力脉动对比Figure 10Comparison of the pressure fluctuation in vaneless region between the original and optimized turbine050100150P/MW200250300H/H/%新转轮原转轮图 11不同水力方案尾水锥管压力脉动对比Figure 11Comparison of the pressure fluctuation in draft tube between the original and optimized turbine14水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20236结论通过计算、试验可以看出，PS 电站仅更换转轮，就可解决原 PS 电站运行时存在的各种问题，降低洪水期的弃水，提高电站的电能，扩大机组稳定运行的范围，满足电站AGC 要求。(a)低水头小负荷(a)low load at low head(b)低水头大负荷(b)high load at low head(c)额定水头大负荷(c)high load at rated head(d)高水头小负荷(d)low load at high head图 12不同负荷尾水管流态对比，左为原转轮，右为新转轮Figure 12Comparison of the flow pattern in draft rube，left：the original turbine，right：the optimized turbine参考文献1 舒卫民，马光文，黄炜斌，等.彭水水电站对重庆电网运行方式的影响研究 J.水电能源科学，2010（9）：4.2 王剑伟，但胜国，谭德清.乌江彭水水电站对鱼类资源影响评价 C/中国海洋湖沼学会鱼类学分会、中国动物学会鱼类学分会 2004 年学术研讨会.3 孟敏.彭水水电站水轮机参数选择 J.水电能源科学，2005，23（6）：2.4 栗帅，张建民，石旭芳.尾水河段情势变化的影响及治理数值模拟研究 C/全国水动力学学术会议.2013.5 王钊宁，郭鹏程，罗兴锜，等.溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发 J.排灌机械工程学报，2013，31（8）：7.6 徐良玉，郭俊勋，顾承庆，等.固定导叶数对混流式水轮机水力波动影响分析 J.中国农村水利水电，2022（9）：6.7 黄源芳，刘光宁，樊世英.原型水轮机运行研究 M.中国电力出版社，2010.8 Menter F R.Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applicationsJ.AIAA Journal，1994.收稿日期：2022-10-15 修回日期：2023-03-23龚莉（1972），毕业于华中科技大学，正高级工程师，主要研究方向：水力设计。Hydraulic Performance Comparison of PS Hydropower Station Unit Turbine Technical Renovation SchemeSUNHongwu1，GONGLi2，YANChao1，MINing1，LIUDemin2，CHENGHuan2，ZHOUFenqiang3（1ChongqingDatangInternationalPengshuiHydrapowerDevelopmentCo.Ltd.，Pengshui409600，China；2DongfangElectricMachineryCo.Ltd.，Degang618000，China；3ChongqingbranchofChinaDatangCorporationCo.Ltd.，Jiangbei400000，China）Abstract：Someissues，suchasalargequantitysurpluswaterandabandonedwaterpowerinfloodseason，narrowstableoperationzoneandlargepressurefluctuationsofpartloads，areariseninthePShydropowerstation，whichisalow-headandlarge-capacityhydropowerstation，duetothecharacteristicsofnarrowriver，largedischargevolumeandlargetailwaterlevelfluctuations.Inordertoavoidtheseproblems，anewrunnerisoptimizedinthispaperforPSpowerstation.Resultsofthreedimensionalnumericalanalysisandmodeltestshowthatthenewrunnerisveryeffectivetosolvetheseproblems.Keywords：PShydropowerstation；runneroptimization；numericalcalculation；modeltest