关键词：小型水电站；混流式水轮机；增效扩容；改造
1.引言
目前，由于国家对于绿色发展十分的推崇，各行各业都在以节约能源，实现资源的循环利用为发展的契机。对于应用广泛的水电资源来说也是如此。水电资源是一种清洁资源，我国大部分的用电来自水利发电。因此大大小小的水电站近些年建立了很多，而小型的水电站主要是为农村经济和社会的发展提供了便利。据不完全的统计，截止到2018年年底，我国农村建立的小型水电站已经超过45000座，虽然有很多的小型水电站，但是大部分的水电站仍然存在着诸多的问题，尤其是小型水电站的扩容问题，很多设备比较老化，技术达不到标准要求，甚至是需要花费大量的资源才能发少量的电，效率低下，造成资源的浪费等问题。
在对很多的混流式的小型水电站的研究过程中，发现很多小型的混流式水轮机的设计大多采取一维和二维的设计，并且在转轮的设计过程中，设计与水的流动性分析是分开进行的，这样就忽视了作为整体如何更好的配合问题，因此需要对混流式水轮机的转轮进行扩容增效，提高其整体性能参数，极大提高效率。
2.混流式水轮机增效扩容改造注意的问题分析
2.1全面分析电站的运行情况
对于一个机器的改造扩容，首先要做到的是对电站进行一个总体全面的分析，对于水流量的计算，转轮的转速的测定还有水的排量以及发电情况需要实时的进行测试和监控，需要找到最初的效率值，这样为转轮的扩容改造提供了前提。
2.2合理确定转轮的设计参数
对于小型水电站混流式水轮机的增效扩容改造归根结底是对转轮的扩容改造，而转轮的主要设计参数是水轮机单位时间的流量以及转轮的单位转速。只有认识到这两个基本的参数才能为下一步的改造打下基础
2.3合理确定改造方案
对于转轮的扩容改造并不能仅仅局限于改造转轮的形状，是需要综合考虑转轮与水轮机的匹配问题，是在满足原来混流式水轮机工作效率的基础上，将资源的利用更加的合理有效，改造扩容，增加排量等问题都需要合理的确定改造方案。
3.混流式水轮机转轮增效扩容改造
3.1转轮导叶区流动性分析
前文中提到，对于混流式水轮机（具体的结构如图1所示）的转轮来说，最重要的两个参数是流动性的排量还有单位转速，因此需要对转轮的导叶区进行流动性的分析。需要通过迭代方法求得导叶区的流量S2，然后较为准确的求得导叶区转轮进口截面流速。
图1 混流式水轮机结构
假设在这个设计过程中水是没有粘性的，并且将水视为不可压缩的，因为如果视为可压缩型的，则要考虑水流动过程中的变形问题，极大的增加了水流动性分析的一个难度，而且和真实的情况相差较大，另外需要导叶内的绝对转速和相对转速都是一个确定的常数，这样排除了由于转速导致效率发生变化的问题。
对导叶区的流动性分析采用吴式定理，吴式定理要求两个回转面的流面分别设为S2和S1，其中S1为回转面的流面，那么具体的流动函数为：
其中我们称为排挤系数，这个数是确定的，在具体的迭代求解过程中是已知的，是导叶的坐标，V为平均的流速，其中V与的关系为：
- 其中两个的边界条件是相同的，这里就不过多的考虑两者的边界条件不相同的情况，则最终的流动方程求解为：
其中h为水流动过程中流层的厚度，m依然是流线的坐标，都是变化的。
则具体的迭代网格划分如图2所示
图2 导叶区转轮的网格划分
最终需要求得的流动参数为S1/S2，本次分析的过程中没有考虑到导叶的旋转，因此在这个计算扩容增效的过程中水在流动过程中容易做离心运动，产生一定的离心力，因此在分析流动性的过程中会出现一些问题，但是总体来说，对转轮的流动性分析是十分有效的。
3.2转轮增效扩容改型设计
根据某种小型的水电站混流式水轮机的增效扩容的基本参数的具体值为机器的具体运行工况值为Q1=1.32，转速n1为77.15r/min，具体的改造之后的数值运行工况变为Q1=1.19，而转速变为78r/min。通过有限元分析软件对转轮整体进行分析。
则最终的曲线的形式可以更加直观的看到整个的变化情况，并且可以求得这个曲线的极值点坐标等多个数值，从而在设计的过程中可以更好的和实际情况相对比讨论，从而可以更好的贴合实际的情况。具体的转化曲线如图3所示
图3 计算值与实际值的对比曲线分析
从图3中可以很清晰直观的看出，叶轮导叶的最大开值为84mm，并且对应的转速大约在1.27左右，排量的实际工况在1.2左右，和实际我们要求计算的大致符合，由于前面假设绝对转速和相对转速都是一个定值，因此在这个过程中可能会发生一些不可抗力从而导致了一些误差问题，但是在这个增效扩容改造的过程中是不可避免的，因此在误差允许的范围内，本次的增效扩容改造是十分有效的。
3.3一些具体的小型水电站改造
经过前文对小型混流式的水轮机的转轮进行扩容增效改造，发现在对水流动性和转轮的设计过程中是需要考虑实际的因素，并且理想状态下和实际过程中依然存在着误差，因此在今后的设计过程中需要对考虑转速的变化以及水的粘性变化，目前很多小型的水电站并没有考虑到，比如2002年建成的刘家峡小型水电站，一开始由于技术上的不足以及设备的老化，导致很多时候发电量很少，并且村民经常出现间歇性的断电问题，因此相关部门在对刘家峡水电站做了详细调查之后发现由于刘家峡的水质含沙量较大，因此在很多时候导致水轮机在工作的过程中出现磨损情况，甚至出现了一些腐蚀等问题，因此对刘家峡混流式水轮机进行了增效扩容，使之可以不仅可以保证水的通过，还能保证一定的沙子通过，减轻了这一问题，极大的提高了设备的利用率以及使用的寿命。因此对水轮机的扩容增效是十分有必要的。
4.结论
综上所述，本文主要是对小型水电站的混流式水轮机的主要部件转轮进行增效扩容改造，并且通过吴式定理对水通过导叶区的流动性进行分析，被认为是可行的；并且通过有限元的方法对导叶区流量与扩容后实际情况对比，虽然存在一些误差但是总体的设计是可行的。因此在今后的技术革新过程中，对水电站的扩容改造是十分有必要的。
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作者简介：杨卓，乐山人， 助理工程师 ，从事水电站机电设备检修与维护工作
论文作者:杨卓
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/11/29
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