用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機(jī)開發(fā)

1、用于水廠微水頭發(fā)電的燈泡貫流式水輪機(jī)開發(fā)隨著具有較高水頭的水能資源逐漸被開發(fā)殆盡， 國內(nèi)外許多 專家學(xué)者已經(jīng)開始把目光轉(zhuǎn)向低水頭發(fā)電， 并且取得了豐碩的成 果1-81-8 。但是，對于利用水廠所蘊(yùn)含的微水頭進(jìn)行發(fā)電從而達(dá) 到節(jié)能減排目的的研究卻基本還是空白。 20112011 年，孫明和鄭源 99 的發(fā)明專利第一次正式提出了對于水廠微水頭進(jìn)行系統(tǒng)化、 規(guī)?；玫脑O(shè)想， 具有里程碑式的意義。 但這只是一個(gè)初步的 框架化設(shè)計(jì)，存在土建投資大、無法適應(yīng)多變的水廠地形、需要 增大泵揚(yáng)程作為補(bǔ)償、最終可能得不償失等問題。在水廠中，可供利用的落差大多集中在1 11010 m m這一低水頭區(qū)間內(nèi)， 因此多

2、數(shù)情況下選取在低水頭下效率較高、 流態(tài)較好的 臥式貫流式水輪機(jī)比較合理。 貫流式水輪機(jī)從 18921892 年開始研制， 至今已有 100100 多年的歷史。研究貫流式水輪機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用前 景，有利于我國制定長遠(yuǎn)的水電發(fā)展規(guī)劃， 同時(shí)還能指導(dǎo)設(shè)備制 造廠商制定合理的發(fā)展規(guī)劃，因而具有重要的理論及實(shí)際意義 1010 。1 1 水輪機(jī)基本參數(shù)確定1.11.1 自來水廠裝置選址注意事項(xiàng) 自來水供水作為市政基礎(chǔ)設(shè)施工程， 其可靠性必須置于經(jīng)濟(jì) 性之上考慮。 因此， 僅能在具有自流供水環(huán)節(jié)的自來水廠中安裝 機(jī)組，并利用天然的水頭差來進(jìn)行發(fā)電， 不能為了經(jīng)濟(jì)效益而盲 目地占用消耗自來水給水泵的富余揚(yáng)程，

3、以免對自來水供水的可 靠性產(chǎn)生影響。另外，在自來水廠進(jìn)行機(jī)組安裝選址時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)： 首先是選址應(yīng)在原水池之前， 避免產(chǎn)生二次污染影響水質(zhì)； 其次 是選址應(yīng)在給水泵之前， 免得“用水泵提上的水來發(fā)電”而得不 償失；最后是應(yīng)盡可能選擇在依靠水頭差進(jìn)行自流供水的管段上 裝置水輪機(jī)組， 且選址處的水頭越大越好， 以便獲得更高的發(fā)電 效率和長期的經(jīng)濟(jì)效益。1.21.2 現(xiàn)場基本情況及機(jī)組選型設(shè)計(jì) 某自來水廠自水庫取水，水流依靠高程差自流向原水處理 池。在水庫取水口與第一泵房（備用）進(jìn)水口處有天然落差可以 利用，年平均水頭為1010 m m,流量為1.7361.736 m3/sm3/s。水輪機(jī)出力的

4、 計(jì)算公式為 1111根據(jù)式（1 1）初步確定水輪機(jī)出力為135135 kW,kW,裝置安裝在第 一泵房進(jìn)水口處。由于自來水供水不允許長時(shí)間或頻繁中斷, 因此為了便于安 裝、維護(hù)和檢修,擬采用旁通管與三通閥配合使用的方案。考慮 在原有供水管旁同一水平高度上設(shè)置一根旁通管, 將水輪機(jī)整體 裝配好后固定在旁通管內(nèi)。 安裝時(shí)將旁通管的前端連接到三通閥 的一個(gè)出口, 將上游段水廠原有供水管連接到三通閥的入口, 將 下游段水廠原有供水管連接到三通閥的另一個(gè)出口, 在尾水管段 上設(shè)置一閘閥, 管端直接與水廠原有供水管剛性連接。 正常發(fā)電 時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥， 使水流全部流入旁通管從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā) 電。當(dāng)工

5、況發(fā)生改變需要進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，微調(diào)三通閥，使原本全部 流入旁通管的水流中的一部分流入水廠原有供水管， 剩余部分則 繼續(xù)流經(jīng)旁通管中的機(jī)組從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電， 從而起到適 應(yīng)工況變化、提高機(jī)組效率的作用。當(dāng)需要檢修維護(hù)時(shí)，切換三 通閥的過流方向， 使水流全部流入水廠原有供水管， 然后關(guān)閉裝 置在尾水管段的閘閥， 此時(shí)旁通管中沒有水流流入， 可以進(jìn)行檢 修維護(hù)操作。由于裝置需安裝在壓力鋼管內(nèi)， 水流沿水平方向流動(dòng)， 因此 選擇臥軸式機(jī)組比較合理。又考慮到機(jī)組所處空間為一段 1212 m m 長的管道， 若采用軸伸貫流式水輪機(jī)會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)主軸過長， 成 本上升的同時(shí)還增加了安裝對中的難度， 可能會(huì)產(chǎn)

6、生機(jī)組運(yùn)行不 穩(wěn)定等問題，因此采用燈泡貫流式水輪機(jī) 1212 （圖 1 1）。水廠裝 置燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)的主要組成部分有水廠供水管、三通 閥、進(jìn)水流道、 燈泡室、燈泡體、固定支撐、 導(dǎo)葉室、斜向?qū)~、 主軸、轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪、尾水流道、閘閥、輪轂、轉(zhuǎn)輪葉片、泄水 錐（依次見圖 1 1 中的序號 1-161-16 ）。1.31.3 轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì) 為了確保安裝的發(fā)電裝置不會(huì)對水廠原有水處理工藝的安 全性和可靠性產(chǎn)生影響， 避免槳葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)漏油污染水源， 原則 上應(yīng)盡量選取定漿式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪直徑 D1D1 根據(jù)反擊式水輪機(jī) 轉(zhuǎn)輪直徑計(jì)算公式 1111 來確定：式中：PgPg為發(fā)電機(jī)額定功率（kWkW

7、; n g g為發(fā)電機(jī)效率；Q11rQ11r 為設(shè)計(jì)工況下單位流量（m3/sm3/s）； n r r為原型水輪機(jī)效率；HrHr為 設(shè)計(jì)水頭（ m m）。經(jīng)計(jì)算，初步確定轉(zhuǎn)輪直徑 D1D1為600600 mmmm并以此數(shù)據(jù)為基 礎(chǔ)來確定各部分流道的尺寸。1.41.4導(dǎo)葉設(shè)計(jì) 在燈泡室上下關(guān)于水平面對稱地設(shè)置兩片豎直方向的固定支撐，除了能支撐機(jī)組荷載外還可以起到導(dǎo)流的作用。由于水廠基本工作參數(shù)幾乎不會(huì)隨時(shí)變化， 因此像常規(guī)水電 站一樣設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以適應(yīng)工況變化的意義不大， 而且活動(dòng)導(dǎo)葉 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的潤滑油還可能會(huì)漏出污染水質(zhì)， 因此將活動(dòng)導(dǎo)葉與 轉(zhuǎn)輪葉片均做成不可調(diào)的斜向?qū)~， 以便均勻?qū)?形

8、成環(huán)量并 固定機(jī)組。選用標(biāo)準(zhǔn)正曲率導(dǎo)葉，個(gè)數(shù)初步確定為12121818個(gè)，在優(yōu)化過程中不斷改變其數(shù)量、 葉形和開度， 與轉(zhuǎn)輪葉片達(dá)到效 率較高的協(xié)聯(lián)狀態(tài)后將其固定。1.51.5燈泡室設(shè)計(jì) 燈泡室內(nèi)主要裝置有發(fā)電子定子和轉(zhuǎn) 子、機(jī)架、風(fēng)機(jī)、徑向推力軸承等，是燈泡貫流式水輪機(jī)的重要 部件之一。燈泡室的主要參數(shù)是燈泡比， 即定子機(jī)座外徑與轉(zhuǎn)輪直徑之 比，按照以往的經(jīng)驗(yàn)，燈泡比通常選取為 0.80.8 1.2131.213 。若燈 泡比過大將使水輪機(jī)的水力特性變壞， 機(jī)組效率降低； 燈泡比過 小將使鐵芯長度增加， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小， 甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速上升率增大， 對通風(fēng)散熱不利 1414 ，此處為保證機(jī)組有較

9、大的過流能力從而不 影響正常供水，因此取燈泡比為 0.80.8 。1.61.6 尾水管設(shè)計(jì)尾水管的作用是將來自轉(zhuǎn)輪的水引向下游、 利用下游水面與 轉(zhuǎn)輪的高程差形成轉(zhuǎn)輪出口處的靜力真空、 回收轉(zhuǎn)輪出口處的部 分動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化為動(dòng)力真空， 從而達(dá)到回收能量的目的。 由于 本機(jī)組裝置空間比較狹長， 因此選擇采用直錐形尾水管， 錐角選 為 1212。1.71.7 比轉(zhuǎn)速確定水輪的比轉(zhuǎn)速 nsns 是一個(gè)與轉(zhuǎn)輪直徑 D1D1 無關(guān)的綜合單位參 數(shù)，它表示同一系列水輪機(jī)在 H=1H=1 m m P=1P=1 kWkW時(shí)的轉(zhuǎn)速1111，比 轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為根據(jù)式（ 3 3）計(jì)算得到本例水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 nsn

10、s 為 653653。2 2 數(shù)值模擬2.12.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分利用 GambitGambit 軟件進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)輪直徑為 0.60.6 m m ，設(shè)計(jì)流量為1.7361.736 m3/sm3/s，葉片數(shù)Z=3Z=3,導(dǎo)葉數(shù)Zd=15Zd=15,所建立模型見圖2 2。為適應(yīng)復(fù)雜的空間形狀， 貼體曲線坐標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生。 但本模型 中同時(shí)存在著旋轉(zhuǎn)流場和非旋轉(zhuǎn)流場， 而且轉(zhuǎn)輪葉片表面以及導(dǎo) 葉表面均為不規(guī)則的三維曲面， 對于這樣復(fù)雜的三維組合體， 統(tǒng) 一的貼體網(wǎng)格已經(jīng)不能夠滿足保證網(wǎng)格質(zhì)量的要求。 而非結(jié)構(gòu)化 網(wǎng)格由于舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制， 因而易于控制各網(wǎng)格單元的形狀、大小及節(jié)點(diǎn)的位置

11、， 與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比起來更為靈活， 并且對復(fù)雜空間的適應(yīng)能力也更強(qiáng)， 因此在對水輪機(jī)裝置進(jìn)行數(shù) 值模擬時(shí)， 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分效果更好 1515 。在劃分網(wǎng) 格的過程中， 預(yù)先對存在的細(xì)小面進(jìn)行面網(wǎng)格加密劃分， 以保證 所劃分網(wǎng)格的質(zhì)量。劃分各個(gè)計(jì)算體內(nèi)部時(shí)，采用四面體網(wǎng)格， 對壁面則默認(rèn)使用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所有網(wǎng)格由 GambitGambit 程 序自動(dòng)生成。 在間隙十分微小的前提下， 轉(zhuǎn)輪葉片邊緣與轉(zhuǎn)輪室 壁面間的間隙對機(jī)組能量性能和水利性能的影響不大， 因此加以 忽略，認(rèn)為葉片邊緣與轉(zhuǎn)輪室間隙為0 0 mmmm表1 1為各部分計(jì)算體的體網(wǎng)格數(shù)量。2.22.2邊界條件的確定由于水

12、輪機(jī)的工作水頭為給定值， 即裝置進(jìn)口截面的壓力為 已知值， 因此在計(jì)算域的進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件， 在計(jì)算域 的出口采用壓力出口邊界條件； 在轉(zhuǎn)輪區(qū)域與導(dǎo)葉區(qū)域的交界處 設(shè)置一個(gè)交界面， 在轉(zhuǎn)輪部分與尾水管段之間的交界處同樣設(shè)置 一個(gè)交界面， 交界面上采用滑移網(wǎng)格； 固體壁面邊界為絕熱無滑 移邊界條件； 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域定義為轉(zhuǎn)動(dòng)體； 使用對數(shù)式壁面函數(shù) 法處理臨近固體壁面的區(qū)域。2.32.3湍流模型的選取為了減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量、 加速數(shù)值計(jì)算的收斂、 提高解的穩(wěn) 定性，選用在葉輪機(jī)械數(shù)值模擬領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的 Spalart-AllmarasSpalart-Allmaras 湍流模型對模型進(jìn)行

13、計(jì)算。2.42.4 方程離散方法和求解算法的選擇 由于數(shù)模的研究對象為三維有壓流體， 而且計(jì)算模型的幾何 形狀比較復(fù)雜，因此計(jì)算時(shí)采用有限體積法 FVMFVM來離散方程，并 選用分離式壓力修正法， 采用二階迎風(fēng)差分格式來離散原項(xiàng)、 擴(kuò) 散項(xiàng)和對流項(xiàng)。選擇SIMPLECSIMPLEC算法，并保持其亞松弛因子為默認(rèn) 值。計(jì)算時(shí)， 以殘差收斂和質(zhì)量守恒定則作為判斷計(jì)算是否收斂 的依據(jù)。3 3 計(jì)算結(jié)果與分析3.13.1 全流場流態(tài)分析圖 3 3 為全流道流線圖， 可以看出， 水流在到達(dá)固定支撐之前 流態(tài)平穩(wěn)，流線幾乎平行；流經(jīng)固定支撐和燈泡體時(shí)，流態(tài)依舊 平順，說明燈泡體截面和固定支撐截面形狀設(shè)計(jì)合

14、理， 不會(huì)產(chǎn)生 太大的局部損失；在導(dǎo)葉室中，水流受到斜向?qū)~的引導(dǎo)，形成 環(huán)量并均勻地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室； 當(dāng)流過旋轉(zhuǎn)部分時(shí)， 水流在轉(zhuǎn)輪的帶 動(dòng)下螺旋式地前進(jìn)，流態(tài)變化比較劇烈；而在出水流道部分，由 于湍流充分發(fā)展， 流態(tài)又將逐漸恢復(fù)平穩(wěn)； 整個(gè)流道中沒有出現(xiàn) 回流或漩渦等不利流態(tài)。圖 4 4 為全流道水平中心截面速度云圖，可以看出， 水流在管道中流動(dòng)到燈泡體之前的速度分布較為均勻；到達(dá)燈泡體之后， 少部分水流由于撞擊速度大幅降低甚至滯止， 但由于燈泡體不斷 的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 因此受影響的水流所占比重很小， 大部分水流都能 平順地流過燈泡體四周， 并且由于流道尺寸收縮， 速度逐漸增大； 進(jìn)入旋轉(zhuǎn)部分后，

15、 由于轉(zhuǎn)輪葉片的高速旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)， 水流湍動(dòng)程度 急劇增大，出現(xiàn)了高速區(qū)域，在該區(qū)域中雖然水流流速較快，流 態(tài)比較復(fù)雜， 但是由于泄水錐等的導(dǎo)流作用， 流速分布依然比較 均勻，且基本呈現(xiàn)規(guī)律的對稱分布狀態(tài)， 僅有少部分區(qū)域出現(xiàn)了 局部高速集中的情況；流經(jīng)轉(zhuǎn)輪室后，水流進(jìn)入尾水管，由于斷 面尺寸增大和尾水管的導(dǎo)水作用， 流速又逐漸降低， 并且分布逐 漸均勻，最終平順地流向下游， 不會(huì)對下游流態(tài)造成太大的影響。水輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)， 轉(zhuǎn)輪葉片表面的速度矢量圖見 圖 5 5，可以看出，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪剛體繞機(jī)組主軸中心 線旋轉(zhuǎn)的角速度一定， 所以葉片從靠近輪轂處到外邊緣， 其線速 度隨著半徑的

16、增大而逐漸增大， 從而使與之相互作用的流體流速 也逐漸增大。3.23.2 轉(zhuǎn)輪葉片表面壓強(qiáng)分析圖 6 6 為轉(zhuǎn)輪葉片正面 （壓力面） 的壓強(qiáng)分布情況， 可以看出， 在葉片的壓力面上，整體壓強(qiáng)分布比較均勻，未出現(xiàn)局部高、低 壓集中的情況； 壓力梯度主要集中在進(jìn)水邊和出水邊。 這是因?yàn)?水流在這兩處位置發(fā)生了較為劇烈的碰撞和繞流脫體， 因此產(chǎn)生 了較大的壓力梯度，而在轉(zhuǎn)輪中間位置，由于水體相對平穩(wěn)，未 遇到急劇的空間變化，因此壓力梯度較小。圖 7 7 為轉(zhuǎn)輪葉片背面 （吸力面） 的壓強(qiáng)分布情況， 可以看出， 在葉片的吸力面上，壓力梯度依舊主要集中在進(jìn)水邊和出水邊 上。在靠近轉(zhuǎn)輪輪轂和靠近葉片邊緣這

17、兩個(gè)位置上的水體出現(xiàn)了負(fù)壓，低于臨界汽化壓力值（以年平均水溫 2020C計(jì)，水的臨界 汽化壓力值為 2 2 354354 PaPa ），因此在這兩處有可能出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象， 應(yīng)當(dāng)采取使用抗蝕材料制造轉(zhuǎn)輪、 降低機(jī)組安裝高程等措施來預(yù) 防和減輕空化和空蝕。3.33.3 水輪機(jī)能量性能分析根據(jù)水文資料，水輪機(jī)所能利用的年平均水頭為1010 m m,水庫水位波動(dòng)區(qū)間為 1.51.5 m m 左右。為了研究本水輪機(jī)在不同工況 下的能量特性，在8.58.511.511.5 m m水頭范圍內(nèi)每隔0.50.5 m m取一個(gè)工 況點(diǎn)，對這 7 7 個(gè)工況點(diǎn)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果見表 2 2。表 2 2 顯示，在

18、運(yùn)行工況范圍內(nèi)， 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和流道的綜合效 率始終保持在80%80%上；在H=10H=10 m m的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，效率達(dá)到了 最高值 81.64%81.64%；隨著工況偏離設(shè)計(jì)工況，水輪機(jī)效率雖有下降， 但是降幅并不大， 依舊能夠高效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換， 說明水輪機(jī)效 率較高，且高效區(qū)比較寬廣，能量特性良好。4 4 結(jié)論（1 1）采用旁通管與三通閥配合的裝置方案，首次嘗試?yán)?水廠中蘊(yùn)藏的微水頭進(jìn)行發(fā)電， 可以在不影響水廠原有生產(chǎn)前提 下達(dá)到節(jié)能減排的目的，而且還兼具一定的變工況適應(yīng)性。（ 2 2）借鑒傳統(tǒng)水輪機(jī)設(shè)計(jì)理論，設(shè)置上下兩片固定支撐來 導(dǎo)流和支撐機(jī)組重量，燈泡體的燈泡比取為 0.80.8。為確保水質(zhì)安 全和降低成本， 采用三通閥調(diào)節(jié)流量， 取消活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片 的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)， 在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片達(dá)到效率較高的協(xié)聯(lián)工況時(shí) 將二者的翼型、數(shù)量、角度同時(shí)固定下來。鑒于安裝場所比較狹長，采用直錐形尾水管；(3 3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，燈泡貫流式水輪機(jī)的過流能力比 較強(qiáng)，進(jìn)、出水流態(tài)都比較好，其中