一、立项背景

2016年2月，国家财政部、水利部，贵州省水利厅发文，对符合“2000年之前投运，2001年之后水轮发电机组未进行整体升级改造，符合河流规划，以电量计算增效扩容潜力达20%以上的农村水电”给予中央财政奖励支持实施第二批中小水电站增效扩容改造。支持幅度为西部地区按改造后装机容量给予1300元/千瓦定额补助，但单个项目中央财政奖励额度不得超过该项目增效扩容改造总投资的50%。要求项目必须在2016年启动，2019年底前全面完成。根据该文件之规定，黔北水力发电总厂所属电站漾头水电站符合该要求，电站装机容量16MW（2×8MW），两台机组相继于1991年7月和10月投产试运行，至今已运行25年。漾头水电站增效扩容改造后可消除目前机电设备及金属结构存在的安全隐患与风险，电站安全基础得到进一步夯实。同时，机组容量、经济效益均得到进一步提升。

二、主要做（方）法、原理或机理

1.水轮机CFD分析

为了确保增效扩容成功，针对现有漾头水电站流道尺寸和电站基本参数，通过应用现代分析计算软件，对转轮进行优化设计，使转轮的能量特性、空化特性、稳定性能合理匹配，现用ZZC502型转轮替代原有转轮ZZ(F01)。本项目数值试验软件平台由CFD软件和有限元分析软件以及三维建模软件Nx6.0组成。

1.1 新旧转轮适用的流道尺寸对比

不同转轮所适用的流道是不同的，表1.1-1为改造前后所选用的转轮所适用的流道尺寸对比。

表1.2-1 新旧转轮适用的流道尺寸对比表

名称

单位

改造前

ZZF01-LH-300

改造后

ZZC502-LH-300

导叶高度

mm

1200

1152.6

导叶中心线至转轮中心高程

mm

1275

1381.2

转轮出口喉部尺寸

mm

2865

2920

轮毂直径

mm

1372

1260

锥管进口直径

mm

2865

2919.85

锥管出口直径

mm

3610

3670.5

尾水管底板至导叶中心线高程

mm

7545

8836.45

尾水管长度

mm

14668.5

14123.74

尾水管宽度

mm

8250

8435.65

尾水管高度

mm

3840

3920.828

肘管出口宽度

mm

7000

8188.7

肘管出口高度

mm

1866

2087.1

上表中改造前流道尺寸为电站现有的流道尺寸，改造后ZZC502-LH-300所适用的流道尺寸为模型转轮ZZC502等比例放大的流道尺寸，由上表可以看出，两组数据相差不大，转轮ZZC502-LH-300能够匹配现有流道。

1.2 转轮ZZC502模型

基于本电站水轮机现有流道尺寸，对ZZC502水轮机进行全流道CFD分析，对设计工况点进行仿真，表3.2-1中桨叶转角及导叶开度角由C502型模型综合特性曲线图中所选取运行工况点确定。

表1.2-1 计算工况

工况点

n11（r/min）

Q11（m3/s）

桨叶转角ψ（°）

导叶开度α（mm）

额定水头19m

147.49

1.515

+5

255

1.2.1全流道几何模型

根据现有资料对ZZC502型水轮机进行全流道几何建模（包括蜗壳、座环、活动导叶、转轮及尾水管），如图1.2-1所示：



图1.2-1 ZZC502型水轮机全流道几何模型

1.2.2 全流道各部位网格划分

通过CFD数值模拟分析该水轮机的外特性和内部流动状况，对于水轮机的流道各部位进行建模及网格划分，网格数量及网格类型如表1.2-2所示。

表1.2-2 流道各部位的网格数量及类型

流道名称

网格单元数量（万）

网格节点数量（万）

网格类型

不完全包角蜗壳+ 固定导叶

613.1

118.8

四面体

活动导叶

1015.8

192.3

四面体

转轮

955.4

171.3

四面体

尾水管

403.9

70.7

四面体

总计

2988.2

553.1

四面体

通过分析表明网格质量均符合计算要求。

1.3 CFD数值模拟计算条件

CFD数值模拟计算中采用SST模型进行水轮机全流道的计算，将模型水轮机划分为5个域，分别是蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，其中转轮设置为旋转域，转速为214.3r/min，其他部件设置为静止域。对于边界条件的设置，进口采用流量进口，出口采用压力出口，并设置出口平均静压为0，固壁边界为无滑移壁面。 CFD计算时，各方程残差的收敛精度为1e-5，图1.2-7为设计工况的收敛情况。

图1.3-1设计工况收敛情况

1.4 计算结果及分析

在设计工况下，利用CFD软件分析得到蜗壳、固定导叶、活导导叶、转轮与尾水管内的流场情况，具体计算结果如下图所示。

结果分析：

（1）转轮计算分析

a. 该转轮叶片安放角比较合理，叶片进水边对导叶的出流适应性很好，压力、速度分布非常理想。

b. 叶片出水边设计合理，叶片出水边流速分布合理，使尾水管的流动更趋均匀，减小了尾水管的水力损失。

c. 叶片表面的流线分布都比较均匀，提高机组效率的同时，提高了转轮的空化性能。

（2）引水部件计算分析

通过分析可以看出,蜗壳中流速分布比较合理，固定导叶和活动导叶的匹配关系比较好，提高了大流量区机组的效率。

（3）尾水管计算分析

从图中可知，由于转轮出口流速分布较好，使尾水管进口至直锥段流速分布较好，没有出现偏心窝带。从尾水管出口往机组中心看，支墩右边绕流情况比较好，而支墩左边的流场比支墩右边要略差，但仍能够满足机组安全能稳定运行。

1.5 ZZC502转轮模型综合特性曲线

图1.5-1 ZZC502模型综合特性曲线

1.6 ZZC502运转综合特性曲线

图1.5-1 ZZC502运转特性曲线

三、创新亮点和值得学习借鉴之处

1.将两台装机容量按批复将22×8MW增加为2×10MW，总装机20MW。

2.不改变流道，增加流速，对机组转轮进行技术改造，提高机组效率。

四、实施应用前后效果（益）情况对比

1.项目收益：根据初步设计报告，实施增效扩容改造后，电站多年平均发电量达到9335万kW·h，比改造前年平均发电量增加1605万kW·h。漾头水电站增效扩容改造总投资为5959.7万元，其中财政奖励2600万元，自筹资金3359.7万元。扣除财政奖励后，经济内部收效率为11.2%，大于基准收益率8%；以现行上网电价0.2594元/kW?h进行测算，自筹资金在扩容后机组达设计利用小时的情况下回收期为7年。

2.可将电站现存的机电设备设施安全隐患全部消除，进一步提高设备可靠性；在电站今后长周期安全稳定运行提供保障的同时，进一步降低电站运行维护与检修技改成本。

3.提高电站综合自动化水平，为下一步实现“无人值班,少人值守”奠定基础；通过对电站营地进行必要的土建改造，可实现马槽河、天生桥和漾头水电站流域集中控制，减员增效，降低管理成本。