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水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的必要性和可行性

發(fā)布時(shí)間: 2015-11-21 10:59   3884 次瀏覽

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型的必要性
從我國(guó)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(zhǎng)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(gè)方面:
 ?。ǎ保┧啓C(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(gè)百分點(diǎn),我國(guó)有一大批機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系國(guó)內(nèi)50、60年代產(chǎn)品,與90年代國(guó)內(nèi)外******轉(zhuǎn)輪相比,差距很大,真機(jī)效率約低2%~5%以上。造成可利用能源的巨大浪費(fèi)。
 ?。ǎ玻┧啓C(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。
 ?。ǎ常┧啓C(jī)運(yùn)行******性差。水輪機(jī)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造水平限制,水輪機(jī)抗空化、抗磨損、抗振動(dòng)性能差,經(jīng)幾十年運(yùn)行,一些機(jī)組空化、磨損、振動(dòng)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******運(yùn)行。
 ?。ǎ矗┳匀粭l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(shí)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,80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(huì)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(dòng)與空化主要取決于轉(zhuǎn)輪性能,轉(zhuǎn)輪性能的優(yōu)劣對(duì)合理開發(fā)利用水能、******電網(wǎng)******性方面有著巨大影響。因此,對(duì)老的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的更新改造勢(shì)在必行。通過對(duì)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(zhǎng),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(duì)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(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******性和經(jīng)濟(jì)性的***主要方向,已成為許多國(guó)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(dòng)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******。使得現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造方面都取得了長(zhǎng)足的******。這些新的技術(shù)主要表現(xiàn)在:
 ?。ǎ保?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(dòng)簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱流動(dòng)。從80年代以后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的迅速發(fā)展,水力機(jī)械過流部件的三維流動(dòng)分析、三維設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法都有了長(zhǎng)足的發(fā)展,已成為過流部件水力設(shè)計(jì)與流動(dòng)分析的重要工具。目前,僅在水輪機(jī)研究領(lǐng)域***有清華、哈電和東方廠等國(guó)內(nèi)近十家單位引進(jìn)了******的CFD分析軟件。
  如哈電,利用CFD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(duì)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CFD技術(shù)開發(fā)出福堂電站用D307模型轉(zhuǎn)輪,其******效率為94.43%??栈阅芤埠芨撸淇栈禂?shù)δ=0.047,飛逸轉(zhuǎn)速特性******為106.4r/min,******壓力脈動(dòng)混頻雙振幅值為5.5%。
  另外,西安理工大學(xué)從80年代后期開始進(jìn)行水輪機(jī)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(jì)算的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)模型和方法、基于S2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(dòng)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(tái)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(duì)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******讓每一個(gè)電站都可以選出適合自己電站條件的***優(yōu)水輪機(jī)型式,從而達(dá)到******運(yùn)行效果,取得******經(jīng)濟(jì)效益。通過采用******的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)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(shí)減少了運(yùn)行及維修費(fèi)用、減少了機(jī)組的停機(jī)時(shí)間,使電廠費(fèi)用降低并盡快受益。
 ?。ǎ玻┠P蜏y(cè)試技術(shù)。當(dāng)前流體機(jī)械測(cè)試技術(shù)發(fā)展迅速,諸如壓力測(cè)量技術(shù)、流量測(cè)量技術(shù)和粒子圖像測(cè)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(cè)試系統(tǒng)中??傊?,以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已成為現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)和通用形式。國(guó)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(tái)的電氣、測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了全面的改造。其綜合測(cè)試精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和重復(fù)精度大大提高。目前,全國(guó)已有5座通過部級(jí)鑒定的現(xiàn)代化試驗(yàn)臺(tái),其效率綜合試驗(yàn)誤差在±0.25%~±0.3%,為水輪機(jī)模型試驗(yàn)和電站改造驗(yàn)證研究提供了良好的條件。如哈電研制成功了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)觀察成像系統(tǒng)[5],可通過光纖內(nèi)窺鏡和攝像頭采集轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的脫流、葉道渦、空化和出口處的空化、渦帶的信息,驗(yàn)證CFD的分析結(jié)果。也可通過觀察轉(zhuǎn)輪在各工況的流態(tài),為改型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
 ?。ǎ常﹦倧?qiáng)度計(jì)算技術(shù)[5]。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不僅要有好的水力性能,還應(yīng)具備高的剛強(qiáng)度性能,這樣才能******機(jī)組高效安全地運(yùn)行。因此對(duì)轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度計(jì)算以及計(jì)算的******性尤為重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法采用簡(jiǎn)單的材料力學(xué)理論將葉片作為一懸臂梁在全水頭均壓下計(jì)算根部應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有較大出入,或通過模型試驗(yàn)和電站實(shí)測(cè)來為設(shè)計(jì)者提供參考。而且還無法計(jì)算葉片的靜位移和固有頻率。近年來隨著有限元的發(fā)展,機(jī)械構(gòu)件的剛強(qiáng)度計(jì)算技術(shù)有了很大的提高。用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)代替模型試驗(yàn)和電站實(shí)測(cè)以成為可能。目前以ANSYS和IDEAS為代表的一大批大型有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件在轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度計(jì)算中得到
  了廣泛的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了水力與強(qiáng)度的交互式設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果更為******,葉片應(yīng)力狀況也更趨合理。同時(shí)采用有限元邊界元法相結(jié)合來計(jì)算過流部件的流固耦合振動(dòng),由于考慮了結(jié)構(gòu)在流體中振動(dòng)的附連水質(zhì)量,可用計(jì)算來估算結(jié)構(gòu)在水中的固有頻率,這種方法可在改造項(xiàng)目中對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)。
  (4)葉片模壓成形技術(shù)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的心臟,因此它的制造質(zhì)量至關(guān)重要。直接影響著轉(zhuǎn)輪的效率、抗空化性能和運(yùn)行穩(wěn)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(huán)拼焊。該工藝方法有很多缺點(diǎn):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(duì)于大型葉片,葉型******度更難控制,***終也不易達(dá)到要求。近幾年來,模壓成型技術(shù)廣泛用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造,它是一項(xiàng)可以獲得葉型******、鏟磨量小、******適中、生產(chǎn)周期較短的轉(zhuǎn)輪葉片制造技術(shù)。其方法是將葉片母材進(jìn)行初步加工,然后放在用數(shù)控機(jī)床銑好的壓模內(nèi)用壓力機(jī)壓型,***后做局部修磨。這種方式制成的葉片型線好,材質(zhì)好,抗空化磨損性能強(qiáng),效率也易得到******。如哈電應(yīng)用IDEAS和DEFORM-3D兩個(gè)有限元軟件開發(fā)了動(dòng)態(tài)計(jì)算模壓葉片中心和壓力噸位的計(jì)算方法,已獲得了成功。
(5)葉片數(shù)控加工技術(shù)。對(duì)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(dòng)力,依據(jù)立體樣板作為測(cè)量工具,把鑄件毛坯變成葉片成品的工藝。根據(jù)文獻(xiàn)[6],使用這種加工工藝存在著測(cè)量精度差、使用操作困難和費(fèi)用大的三大致命缺點(diǎn)。近年來,國(guó)內(nèi)外各水輪機(jī)制造廠家已取消了傳統(tǒng)的立體樣板,采用數(shù)控加工技術(shù),它是一種通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件控制機(jī)床自動(dòng)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(shù)據(jù)輸出******無誤地傳送到執(zhí)行指令的操作機(jī)構(gòu)上,解決了葉片測(cè)量與理論位置的自動(dòng)找正問題和測(cè)點(diǎn)加工余量的自動(dòng)計(jì)算問題,使大型水輪機(jī)的葉片制造精度較傳統(tǒng)立體樣板工藝有了較大提高。如劉家峽2#轉(zhuǎn)輪和天生橋的5#、6#轉(zhuǎn)輪都是采用數(shù)控加工。再者,從工程應(yīng)用方面來說,近年來,老電站機(jī)組的技術(shù)改造工作已引起了世界各國(guó)的普遍關(guān)注,尤其在一些水力資源開發(fā)程度較高的國(guó)家,更為重視。我國(guó)的電站更新改造工作與國(guó)外******國(guó)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(shù)改造工作已取得了不少的成績(jī)和經(jīng)驗(yàn),為各電廠和科研單位培養(yǎng)了大批技術(shù)人員和技術(shù)工人,從而為我國(guó)各電廠的增容改造工作奠定了基礎(chǔ),使各水電站的技術(shù)改造工作的順利完成成為可能。
 
 
新電站投資大、周期長(zhǎng),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(guó)家解決能源短缺的重要手段之一,而水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站的主要設(shè)備之一,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能的優(yōu)劣對(duì)合理開發(fā)利用水能、提高水電站運(yùn)行******性和經(jīng)濟(jì)性、******電網(wǎng)******性方面有著巨大影響。所以,水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)已成為水電站更新改造的主要任務(wù)與關(guān)鍵途徑之一。與此同時(shí),現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)、模型測(cè)試技術(shù)、剛強(qiáng)度計(jì)算技術(shù)和制造技術(shù)的不斷******,為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改型設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。因此,我們應(yīng)充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果,結(jié)合我國(guó)八十年代之前建造的中小型水電站的實(shí)際情況進(jìn)行機(jī)組特別是水輪機(jī)的技術(shù)改造。確保水輪機(jī)的高性能、高質(zhì)量和安全******運(yùn)行。我公司在近幾年來,研究出新型轉(zhuǎn)輪,為老舊水電技改成功多次,效果非常明顯,我們相信我們的新技術(shù)將為中小型水電站創(chuàng)造出更多的價(jià)值.有需要改進(jìn)的水電站請(qǐng)聯(lián)系13981329209

 
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