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标题 用于水厂微水头发电的灯泡贯流式水轮机开发
范文 盛立君 郑源 杨春霞 李玲玉



摘要：在自来水供水过程中，存在着一些依靠水位差进行自流供水的环节。随着常规水能资源逐渐被开发殆尽，利用这部分微水头进行发电受到了关注。由于水厂工况基本不变、装置场地复杂多样等原因，常规水轮机并不适用，因此，开发新型水轮机就势在必行。结合某自来水厂安装灯泡贯流式水轮机进行发电的案例，通过传统水轮机设计理论对其进行设计，并运用计算流体动力学软件，选择SIMPLEC算法，采用基于雷诺平均N-S方程的Spalart-Allmaras湍流模型对该水轮机进行数值模拟和优化，得出在不影响水厂原有水处理工艺的前提下，在水厂安装水轮发电机组利用微水头进行发电从而达到节能减排目的的较优方案。
关键词：自来水厂；污水厂；微水头；开发；灯泡贯流式；数值模拟；节能
中图分类号：TK733.8 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0084-05
随着具有较高水头的水能资源逐渐被开发殆尽，国内外许多专家学者已经开始把目光转向低水头发电，并且取得了丰硕的成果[1-8]。但是，对于利用水厂所蕴含的微水头进行发电从而达到节能减排目的的研究却基本还是空白。2011年，孙明和郑源[9]的发明专利第一次正式提出了对于水厂微水头进行系统化、规模化利用的设想，具有里程碑式的意义。但这只是一个初步的框架化设计，存在土建投资大、无法适应多变的水厂地形、需要增大泵扬程作为补偿、最终可能得不偿失等问题。
在水厂中，可供利用的落差大多集中在1～10 m这一低水头区间内，因此多数情况下选取在低水头下效率较高、流态较好的卧式贯流式水轮机比较合理。贯流式水轮机从1892年开始研制，至今已有100多年的历史。研究贯流式水轮机的发展和应用前景，有利于我国制定长远的水电发展规划，同时还能指导设备制造厂商制定合理的发展规划，因而具有重要的理论及实际意义[10]。
1 水轮机基本参数确定
1.1 自来水厂装置选址注意事项
自来水供水作为市政基础设施工程，其可靠性必须置于经济性之上考虑。因此，仅能在具有自流供水环节的自来水厂中安装机组，并利用天然的水头差来进行发电，不能为了经济效益而盲目地占用消耗自来水给水泵的富余扬程，以免对自来水供水的可靠性产生影响。
另外，在自来水厂进行机组安装选址时应当注意以下几点：首先是选址应在原水池之前，避免产生二次污染影响水质；其次是选址应在给水泵之前，免得“用水泵提上的水来发电”而得不偿失；最后是应尽可能选择在依靠水头差进行自流供水的管段上装置水轮机组，且选址处的水头越大越好，以便获得更高的发电效率和长期的经济效益。
1.2 现场基本情况及机组选型设计
某自来水厂自水库取水，水流依靠高程差自流向原水处理池。在水库取水口与第一泵房（备用）进水口处有天然落差可以利用，年平均水头为10 m，流量为1.736 m3/s。水轮机出力的计算公式为[11]
根据式（1）初步确定水轮机出力为135 kW，装置安装在第一泵房进水口处。
由于自来水供水不允许长时间或频繁中断，因此为了便于安装、维护和检修，拟采用旁通管与三通阀配合使用的方案。考虑在原有供水管旁同一水平高度上设置一根旁通管，将水轮机整体装配好后固定在旁通管内。安装时将旁通管的前端连接到三通阀的一个出口，将上游段水厂原有供水管连接到三通阀的入口，将下游段水厂原有供水管连接到三通阀的另一个出口，在尾水管段上设置一闸阀，管端直接与水厂原有供水管刚性连接。正常发电时，调节三通阀，使水流全部流入旁通管从而带动水轮发电机发电。当工况发生改变需要进行调节时，微调三通阀，使原本全部流入旁通管的水流中的一部分流入水厂原有供水管，剩余部分则继续流经旁通管中的机组从而带动水轮发电机发电，从而起到适应工况变化、提高机组效率的作用。当需要检修维护时，切换三通阀的过流方向，使水流全部流入水厂原有供水管，然后关闭装置在尾水管段的闸阀，此时旁通管中没有水流流入，可以进行检修维护操作。
由于装置需安装在压力钢管内，水流沿水平方向流动，因此选择卧轴式机组比较合理。又考虑到机组所处空间为一段12 m长的管道，若采用轴伸贯流式水轮机会导致水轮机主轴过长，成本上升的同时还增加了安装对中的难度，可能会产生机组运行不稳定等问题，因此采用灯泡贯流式水轮机[12]（图1）。水厂装置灯泡贯流式水轮发电机的主要组成部分有水厂供水管、三通阀、进水流道、灯泡室、灯泡体、固定支撑、导叶室、斜向导叶、主轴、转轮室、转轮、尾水流道、闸阀、轮毂、转轮叶片、泄水锥（依次见图1中的序号1-16）。
1.3 转轮设计
为了确保安装的发电装置不会对水厂原有水处理工艺的安全性和可靠性产生影响，避免桨叶调节机构漏油污染水源，原则上应尽量选取定浆式水轮机，其转轮直径D1根据反击式水轮机转轮直径计算公式[11]来确定：
式中：Pg为发电机额定功率（kW）；ηg为发电机效率；Q11r为设计工况下单位流量（m3/s）；ηr为原型水轮机效率；Hr为设计水头（m）。
经计算，初步确定转轮直径D1为600 mm，并以此数据为基础来确定各部分流道的尺寸。
1.4 导叶设计
在灯泡室上下关于水平面对称地设置两片竖直方向的固定支撑，除了能支撑机组荷载外还可以起到导流的作用。
由于水厂基本工作参数几乎不会随时变化，因此像常规水电站一样设置调节机构以适应工况变化的意义不大，而且活动导叶调节机构中的润滑油还可能会漏出污染水质，因此将活动导叶与转轮叶片均做成不可调的斜向导叶，以便均匀导水，形成环量并固定机组。选用标准正曲率导叶，个数初步确定为12～18个，在优化过程中不断改变其数量、叶形和开度，与转轮叶片达到效率较高的协联状态后将其固定。
1.5 灯泡室设计
灯泡室内主要装置有发电子定子和转子、机架、风机、径向推力轴承等，是灯泡贯流式水轮机的重要部件之一。
灯泡室的主要参数是灯泡比，即定子机座外径与转轮直径之比，按照以往的经验，灯泡比通常选取为0.8～1.2[13]。若灯泡比过大将使水轮机的水力特性变坏，机组效率降低；灯泡比过小将使铁芯长度增加，转动惯量减小，甩负荷时转速上升率增大，对通风散热不利[14]，此处为保证机组有较大的过流能力从而不影响正常供水，因此取灯泡比为0.8。
1.6 尾水管设计
尾水管的作用是将来自转轮的水引向下游、利用下游水面与转轮的高程差形成转轮出口处的静力真空、回收转轮出口处的部分动能并将其转化为动力真空，从而达到回收能量的目的。由于本机组装置空间比较狭长，因此选择采用直锥形尾水管，锥角选为12°。
1.7 比转速确定
水轮的比转速ns是一个与转轮直径D1无关的综合单位参数，它表示同一系列水轮机在H=1 m，P=1 kW时的转速[11]，比转速的计算公式为
根据式（3）计算得到本例水轮机的比转速ns为653。
2 数值模拟
2.1 模型的建立和网格的划分
利用Gambit软件进行建模，转轮直径为0.6 m，设计流量为1.736 m3/s，叶片数Z=3，导叶数Zd=15，所建立模型见图2。
为适应复杂的空间形状，贴体曲线坐标应运而生。但本模型中同时存在着旋转流场和非旋转流场，而且转轮叶片表面以及导叶表面均为不规则的三维曲面，对于这样复杂的三维组合体，统一的贴体网格已经不能够满足保证网格质量的要求。而非结构化网格由于舍去了网格节点的结构性限制，因而易于控制各网格单元的形状、大小及节点的位置，与结构化网格相比起来更为灵活，并且对复杂空间的适应能力也更强，因此在对水轮机装置进行数值模拟时，采用非结构化网格进行划分效果更好[15]。在划分网格的过程中，预先对存在的细小面进行面网格加密划分，以保证所划分网格的质量。划分各个计算体内部时，采用四面体网格，对壁面则默认使用三角形网格进行划分，所有网格由Gambit程序自动生成。在间隙十分微小的前提下，转轮叶片边缘与转轮室壁面间的间隙对机组能量性能和水利性能的影响不大，因此加以忽略，认为叶片边缘与转轮室间隙为0 mm。表1为各部分计算体的体网格数量。
2.2 边界条件的确定
由于水轮机的工作水头为给定值，即装置进口截面的压力为已知值，因此在计算域的进口采用压力进口边界条件，在计算域的出口采用压力出口边界条件；在转轮区域与导叶区域的交界处设置一个交界面，在转轮部分与尾水管段之间的交界处同样设置一个交界面，交界面上采用滑移网格；固体壁面边界为绝热无滑移边界条件；转轮转动区域定义为转动体；使用对数式壁面函数法处理临近固体壁面的区域。
2.3 湍流模型的选取
为了减少计算机运算量、加速数值计算的收敛、提高解的稳定性，选用在叶轮机械数值模拟领域中得到广泛应用的Spalart-Allmaras湍流模型对模型进行计算。
2.4 方程离散方法和求解算法的选择
由于数模的研究对象为三维有压流体，而且计算模型的几何形状比较复杂，因此计算时采用有限体积法FVM来离散方程，并选用分离式压力修正法，采用二阶迎风差分格式来离散原项、扩散项和对流项。选择SIMPLEC算法，并保持其亚松弛因子为默认值。计算时，以残差收敛和质量守恒定则作为判断计算是否收敛的依据。
3 计算结果与分析
3.1 全流场流态分析
图3为全流道流线图，可以看出，水流在到达固定支撑之前流态平稳，流线几乎平行；流经固定支撑和灯泡体时，流态依旧平顺，说明灯泡体截面和固定支撑截面形状设计合理，不会产生太大的局部损失；在导叶室中，水流受到斜向导叶的引导，形成环量并均匀地进入转轮室；当流过旋转部分时，水流在转轮的带动下螺旋式地前进，流态变化比较剧烈；而在出水流道部分，由于湍流充分发展，流态又将逐渐恢复平稳；整个流道中没有出现回流或漩涡等不利流态。
图4为全流道水平中心截面速度云图，可以看出，水流在管道中流动到灯泡体之前的速度分布较为均匀；到达灯泡体之后，少部分水流由于撞击速度大幅降低甚至滞止，但由于灯泡体不断的优化设计，因此受影响的水流所占比重很小，大部分水流都能平顺地流过灯泡体四周，并且由于流道尺寸收缩，速度逐渐增大；进入旋转部分后，由于转轮叶片的高速旋转搅动，水流湍动程度急剧增大，出现了高速区域，在该区域中虽然水流流速较快，流态比较复杂，但是由于泄水锥等的导流作用，流速分布依然比较均匀，且基本呈现规律的对称分布状态，仅有少部分区域出现了局部高速集中的情况；流经转轮室后，水流进入尾水管，由于断面尺寸增大和尾水管的导水作用，流速又逐渐降低，并且分布逐渐均匀，最终平顺地流向下游，不会对下游流态造成太大的影响。
水轮机在设计工况下工作时，转轮叶片表面的速度矢量图见图5，可以看出，在机组运行时，由于转轮刚体绕机组主轴中心线旋转的角速度一定，所以叶片从靠近轮毂处到外边缘，其线速度随着半径的增大而逐渐增大，从而使与之相互作用的流体流速也逐渐增大。
3.2 转轮叶片表面压强分析
图6为转轮叶片正面（压力面）的压强分布情况，可以看出，在叶片的压力面上，整体压强分布比较均匀，未出现局部高、低压集中的情况；压力梯度主要集中在进水边和出水边。这是因为水流在这两处位置发生了较为剧烈的碰撞和绕流脱体，因此产生了较大的压力梯度，而在转轮中间位置，由于水体相对平稳，未遇到急剧的空间变化，因此压力梯度较小。
图7为转轮叶片背面（吸力面）的压强分布情况，可以看出，在叶片的吸力面上，压力梯度依旧主要集中在进水边和出水边上。在靠近转轮轮毂和靠近叶片边缘这两个位置上的水体出现了负压，低于临界汽化压力值（以年平均水温20℃计，水的临界汽化压力值为2 354 Pa），因此在这两处有可能出现汽蚀现象，应当采取使用抗蚀材料制造转轮、降低机组安装高程等措施来预防和减轻空化和空蚀。
3.3 水轮机能量性能分析
根据水文资料，水轮机所能利用的年平均水头为10 m，水库水位波动区间为±1.5 m左右。为了研究本水轮机在不同工况下的能量特性，在8.5～11.5 m水头范围内每隔0.5 m取一个工况点，对这7个工况点分别进行计算，计算的结果见表2。
表2显示，在运行工况范围内，水轮机转轮和流道的综合效率始终保持在80%以上；在H=10 m的设计工况点，效率达到了最高值81.64%；随着工况偏离设计工况，水轮机效率虽有下降，但是降幅并不大，依旧能够高效地进行能量转换，说明水轮机效率较高，且高效区比较宽广，能量特性良好。
4 结论
（1）采用旁通管与三通阀配合的装置方案，首次尝试利用水厂中蕴藏的微水头进行发电，可以在不影响水厂原有生产前提下达到节能减排的目的，而且还兼具一定的变工况适应性。
（2）借鉴传统水轮机设计理论，设置上下两片固定支撑来导流和支撑机组重量，灯泡体的灯泡比取为0.8。为确保水质安全和降低成本，采用三通阀调节流量，取消活动导叶和转轮叶片的调节机构，在活动导叶与转轮叶片达到效率较高的协联工况时将二者的翼型、数量、角度同时固定下来。鉴于安装场所比较狭长，采用直锥形尾水管；
（3）数值模拟结果表明，灯泡贯流式水轮机的过流能力比较强，进、出水流态都比较好，其中出水流道的流态更为复杂。经过优化，转轮叶片上的速度分布较为均匀，未出现过大的速度梯度；叶片正面的压力分布比较均匀，未出现局部高、低压集中的情况，受到转轮刚体高速旋转的扰动，流体压力梯度主要集中在叶片的进水边和出水边；叶片吸力面的低压区域主要集中在叶片靠近轮毂处和叶片外边缘，且出现了低于临界汽化压力的负压带，应当采取措施以预防和减轻可能出现的汽蚀现象。经数值模拟预测，本水轮机在运行工况范围内的效率能够保持在80%以上，且高效区比较宽广，能量特性良好；
（4）CFD模拟方法是评估水厂水轮发电机组对水厂原有生产工艺影响的一种较为有效的方法。
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更新时间：2024/12/22 21:43:14