¿La necesidad y viabilidad de un diseño modificado de rodetes de turbina para centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas?

La transformación técnica de las centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas es una parte importante del desarrollo de la energía hidroeléctrica. Este artículo analiza el estado de desarrollo de las centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas en mi país y analiza la necesidad de turbinas. Diseño de modificación de rodetes en la transformación técnica de centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas, viabilidad y viabilidad, e introduce nuevas tecnologías actuales en el diseño, prueba y fabricación de rodetes de turbinas.

Palabras clave: Diseño de modificación del rodete de turbina de centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas

1 El estado de desarrollo de las centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas en mi país

> Desde la fundación de la República Popular China, la construcción hidroeléctrica de mi país ha logrado grandes logros. Logros, según las estadísticas, la capacidad instalada de energía hidroeléctrica convencional de mi país ha alcanzado los 7700 × 104 kW, de los cuales hay más de 4,5 × 104 pequeñas y medianas. Centrales hidroeléctricas de gran tamaño, con más de 7×104 unidades, y la capacidad total instalada alcanza los 2020×104kW, casi la mitad de las cuales nacieron en las décadas de 1950 y 1960. Equipos fabricados debido a las limitaciones de las condiciones de ese momento. , la mayoría de las turbinas hidráulicas de estas centrales eléctricas utilizaban la tecnología de la ex Unión Soviética en las décadas de 1940 y 1950. La tecnología de fabricación estaba atrasada, la eficiencia era baja, la capacidad de flujo era deficiente y el índice energético general era bajo. Además, la mayoría de las unidades domésticas se produjeron en una época especial y no aplicaron rígidamente los dibujos estereotipados de acuerdo con las diversas condiciones de la central eléctrica, o se diseñaron solo de acuerdo con los ángulos específicos del modelo de prueba, lo que provocó que el corredor con baja hidráulica eficiencia para desviarse de la zona de alta eficiencia. También hay indicadores de bajo rendimiento, como un área pequeña de alta eficiencia, un área grande de vibración y un rendimiento deficiente de la cavitación, que tienen un impacto grave en el funcionamiento seguro y estable de la unidad y reducen en gran medida el nivel de gestión de la operación y la eficiencia de los equipos de la central eléctrica.

Además, dado que la mayoría de las centrales eléctricas llevan en funcionamiento entre 30 y 40 años, los equipos unitarios están obsoletos en términos de rendimiento y estructura, los accidentes aumentan y el mantenimiento es frecuente. El funcionamiento a largo plazo ha provocado el desgaste de los componentes que pasan el flujo, especialmente el corredor, las paletas guía y otros componentes debido a la erosión por cavitación y el desgaste. La forma de la hoja se ha dañado, el espacio ha aumentado y la eficiencia ha disminuido. Según informaciones extranjeras relevantes, la eficiencia cae aproximadamente un 2%. En particular, algunas centrales eléctricas llevan mucho tiempo funcionando con baja eficiencia, desperdiciando energía debido al uso de unidades duplicadas o cambios en los parámetros de la central, que es urgente solucionar lo antes posible. En marcado contraste, en los últimos años, con el desarrollo de la economía nacional y la mejora continua del nivel de vida de las personas, la diferencia entre pico y valle en la carga de energía se ha vuelto cada vez mayor, aumentando las capacidades de regulación de picos y frecuencias de las empresas pequeñas y medianas. Las centrales eléctricas de tamaño medio en el sistema de red eléctrica adquieren cada vez más importancia. El sistema eléctrico requiere cada vez más que las unidades hidroeléctricas, especialmente las pequeñas y medianas, realicen tareas de regulación de carga máxima, regulación de frecuencia y respaldo de emergencia. Esto aumenta el número de arranques y paradas de la unidad, lo que resulta en mayores cargas dinámicas en los componentes de la turbina. y las duras condiciones de funcionamiento para aquellas centrales eléctricas antiguas con equipos obsoletos, evidentemente no es suficiente asumir esa tarea. Al mismo tiempo, en los últimos años, las grandes redes eléctricas han implementado diferencias de precios entre picos y valles y políticas de aumento de precios superiores a los previstos para las redes eléctricas locales, lo que ha permitido a las centrales hidroeléctricas con un mejor desempeño regulatorio en la red eléctrica alcanzar la generación máxima de energía. Una mayor generación de energía definitivamente mejorará significativamente el factor de carga y los beneficios económicos de las redes eléctricas locales.

2 La necesidad y viabilidad de modificar el rodete de la turbina

2.1 La necesidad de modificar el rodete de la turbina

Basado en el estado de desarrollo de la industria hidroeléctrica en mi país Parece que los principales problemas y graves consecuencias de un gran número de centrales hidroeléctricas se deben principalmente a la desconexión a largo plazo entre el diseño y fabricación de los rodetes de las turbinas y las condiciones de uso, lo que se refleja principalmente en los siguientes aspectos [2]:

(1) La eficiencia del rodete de la turbina hidráulica es baja. La eficiencia de las turbinas es un indicador importante del rendimiento de las turbinas hidráulicas. Según las estadísticas, desde la década de 1950 hasta la actualidad, la eficiencia de las turbinas hidráulicas ha aumentado en un punto porcentual cada 10 años. Se produjeron una gran cantidad de sistemas de rodetes de turbinas en mi país. En las décadas de 1950 y 1960, en comparación con los corredores avanzados nacionales y extranjeros en la década de 1990, la brecha es enorme y la eficiencia de la máquina real es entre un 2% y un 5% menor. Provoca un enorme desperdicio de energía disponible.

(2) La selección de turbinas y generadores de turbinas no es razonable. Para las unidades de hidrogeneradores instaladas antes del "Sexto Plan Quinquenal", debido a limitaciones de diseño, algunas centrales eligieron turbinas y generadores de manera conservadora, lo que impidió la utilización completa de la energía hidráulica. Algunas centrales eligieron turbinas que no coincidían con la capacidad de los generadores. correctamente, limitando en gran medida la capacidad de las turbinas y generadores. La tripulación contribuye.

(3) La confiabilidad del funcionamiento de la turbina es pobre. Las turbinas hidráulicas estaban limitadas por el nivel de diseño y fabricación en ese momento. Las turbinas hidráulicas tienen propiedades anticavitación, antidesgaste y antivibración deficientes. Después de décadas de funcionamiento, algunas unidades presentan cavitación, desgaste y vibración graves, lo que provoca. malas condiciones de funcionamiento y aumento del riesgo de accidentes. Afecta seriamente el funcionamiento confiable de la turbina.

(4) Cambios en las condiciones naturales. En los últimos años, con el desarrollo de la economía, las empresas agrícolas que consumen grandes cantidades de agua se han desarrollado vigorosamente aguas arriba de algunas centrales eléctricas, y el consumo de agua en la industria y la agricultura ha aumentado a pasos agigantados.

Además, a medida que mejora la calidad de vida de las personas, también aumenta día a día el consumo de agua doméstica, agua ambiental, agua ecológica y otras partes que se ignoraron al diseñar las centrales eléctricas en el pasado. Después de décadas de funcionamiento de algunas unidades hidrogeneradoras, los niveles de agua aguas arriba y aguas abajo han cambiado significativamente, y el funcionamiento original del rodete se ha desviado mucho de las condiciones de diseño, e incluso no puede funcionar con normalidad.

En resumen, un gran número de centrales eléctricas construidas antes de la década de 1980 tenían equipos mecánicos y eléctricos atrasados, tecnología obsoleta, bajo nivel de diseño de unidades, tecnología de fabricación deficiente y bajos parámetros técnicos. Además del envejecimiento de los componentes, la disminución del rendimiento de la unidad y los cambios en las condiciones naturales, ya no es posible utilizar plenamente los recursos hídricos desarrollados, lo que provoca otro desperdicio de recursos hídricos. Sumado a la urgente necesidad de regular los picos de la red eléctrica. Cómo mejorar los beneficios económicos y sociales de los recursos hidroeléctricos desarrollados se ha convertido en un problema importante al que se enfrentan muchas centrales hidroeléctricas antiguas.

Como todos sabemos, el rodete de turbina es el equipo principal de una central hidroeléctrica. El rendimiento hidráulico, la vibración y la cavitación de una turbina hidráulica dependen principalmente del rendimiento del rodete. El rendimiento del rodete tiene un gran impacto en el desarrollo y utilización racional de la energía hidráulica y en la garantía de la fiabilidad de la red eléctrica. Por tanto, es imperativo actualizar y transformar el antiguo rodete de la turbina hidráulica. Modificando el rodete de la turbina, se puede mejorar la eficiencia de la unidad, se puede aumentar la capacidad de la central eléctrica y se puede mejorar la seguridad y estabilidad del funcionamiento de la unidad.

2.2 Viabilidad de la modificación del rodete de la turbina

En primer lugar, desde un punto de vista económico, la inversión en el desarrollo de nuevas centrales eléctricas es grande y el ciclo es largo. construir represas y otras estructuras hidráulicas, por lo que la inversión es muy pequeña, los resultados rápidos y los beneficios económicos muy altos. En general, se cree que la inversión por kilovatio del aumento de capacidad y renovación de las centrales eléctricas antiguas es más de 2/3 menor que la de las centrales nuevas [3].

Por lo tanto, la modificación del rodete de la turbina Los proyectos con múltiples beneficios significativos son la dirección más importante para mejorar la confiabilidad operativa y la economía de las centrales hidroeléctricas, y se han convertido en uno de los medios para resolver el problema de la escasez de energía en muchos países.

En segundo lugar, técnicamente hablando, en los últimos años se han logrado grandes avances en la tecnología informática y de computación, la teoría del diseño y análisis de flujo tridimensional de maquinaria de fluidos, la tecnología de sensores y comunicaciones, la teoría de control moderna y el progreso en la tecnología de mecanizado. . Se han logrado grandes avances en el diseño, prueba y fabricación de corredores modernos. Estas nuevas tecnologías se reflejan principalmente en:

(1) Tecnología de simulación numérica. En las décadas de 1950 y 1960, la base para el diseño del corredor Francis fue la teoría del flujo propuesta por Lorenz a principios de este siglo, que suponía que el número de aspas en el corredor era infinito e infinitamente delgado, simplificando así la representación tridimensional. fluyen hacia un flujo axialmente simétrico. Desde la década de 1980, con el rápido desarrollo de la tecnología informática y la dinámica de fluidos computacional, el análisis de flujo tridimensional, el diseño tridimensional y los algoritmos de optimización de los componentes de paso de flujo de la maquinaria hidráulica han logrado grandes avances y se han convertido en el diseño y el flujo hidráulicos. Análisis de componentes de paso de flujo. En la actualidad, sólo en el campo de la investigación de turbinas hidráulicas, casi diez unidades nacionales, como la Universidad de Tsinghua, Harbin Electric y la planta Dongfang, han introducido software avanzado de análisis CFD.

Harbin Electric, por ejemplo, utilizó software de análisis CFD para desarrollar un modelo de corredor, completó el diseño de conversión del corredor en la margen derecha de las Tres Gargantas y transformó varias centrales eléctricas antiguas, como la del río Fengman. , Xin'anjiang, Danjiangkou, Dongjiang y Wuxi. El proyecto llevó a cabo simulación y optimización numérica y completó el diseño hidráulico de turbinas hidráulicas para Luoxidu, Shuibuya, Xiaowan, Longtan, Gongboxia y otras centrales eléctricas. Dongfang Factory utilizó tecnología CFD para desarrollar el modelo D307 para la central eléctrica de Futang, con una eficiencia máxima del 94,43%. El rendimiento de cavitación también es muy alto, con un coeficiente de cavitación δ = 0,047, una velocidad máxima de fuga característica de 106,4 r/min y un valor máximo de amplitud doble de mezcla de pulsaciones de presión del 5,5 %.

Además, la Universidad Tecnológica de Xi'an comenzó a realizar investigaciones sobre el problema inverso de los componentes del flujo de las turbinas a finales de los años 1980 [4], y ha propuesto y establecido sucesivamente un modelo de diseño cuasi tridimensional. y método basado en el cálculo del problema inverso de la superficie de flujo S1, modelo y método de diseño cuasi tridimensional basado en el cálculo del problema inverso de la superficie de flujo S2, y modelo y método de cálculo del problema inverso de flujo turbulento tridimensional completo basado en el método del espectro híbrido. . En los últimos años, sobre la base del modelo de diseño de flujo viscoso tridimensional, se ha realizado la autooptimización por computadora del esquema de diseño, logrando un diseño "portador de cuerpo" basado en los parámetros hidráulicos reales de la planta y la estación, y lograr el objetivo del corredor mecánico hidráulico Un gran avance en los métodos de diseño. Hasta ahora, este modelo se ha utilizado para llevar a cabo diseños de modificación para docenas de rodetes de turbinas en centrales eléctricas relevantes, múltiples fábricas de turbinas y unidades de investigación relevantes, y todos han logrado los objetivos de modificación propuestos por los usuarios.

Este tipo de método de selección de turbina, que está especialmente diseñado y fabricado para una determinada central eléctrica, puede garantizar que cada central pueda seleccionar el tipo de turbina óptimo adecuado para las condiciones de su propia central, logrando así la mejor resultados operativos, para lograr los máximos beneficios económicos. Al utilizar tecnología avanzada de simulación numérica por computadora para aumentar la capacidad del rodete de la turbina, tiene las características de baja inversión, alto rendimiento y resultados rápidos. Al tiempo que mejora el rendimiento operativo, reduce los costos de operación y mantenimiento y el tiempo de inactividad de la unidad, lo que permite que la planta de energía reduzca costos y se beneficie lo antes posible.

(2) Tecnología de prueba de modelos. En la actualidad, la tecnología de prueba de maquinaria de fluidos se está desarrollando rápidamente, como la tecnología de medición de presión, la tecnología de medición de flujo y la tecnología de velocimetría de imagen de partículas, que se han mejorado enormemente. La tecnología multimedia y la tecnología de redes informáticas se aplican aún más a los sistemas de prueba de maquinaria de fluidos. En resumen, los sistemas de prueba automáticos con computadoras como núcleo se han convertido en una característica y una forma común de los sistemas de prueba modernos. Fabricantes nacionales como Harbin Electric, Dongfang y Shuangfu, así como instituciones de investigación científica como la Universidad de Tsinghua, Hohai y la Academia de Recursos Hídricos, han construido o transformado integralmente los sistemas eléctricos y de prueba de los bancos de prueba del modelo de turbina hidráulica original. . Su precisión de prueba integral, estabilidad operativa y repetibilidad han mejorado enormemente. En la actualidad, hay cinco bancos de pruebas modernos en todo el país que han pasado la evaluación ministerial y sus errores de prueba de eficiencia integral oscilan entre ±0,25% y ±0,3%, lo que proporciona buenas condiciones para las pruebas de modelos de turbinas y la investigación de verificación de transformación de centrales eléctricas. Por ejemplo, Harbin Electric ha desarrollado con éxito un sistema de observación e imágenes del patrón de flujo interno del corredor [5], que puede recolectar información de desbordamiento, vórtices de las palas, cavitación en la entrada del corredor y bandas de cavitación y vórtices en la salida a través de endoscopios y cámaras de fibra óptica. para verificar los resultados del análisis CFD. También puede proporcionar una base para el diseño de modificaciones mediante la observación del patrón de flujo del corredor en diversas condiciones de trabajo.

(3) Tecnología de cálculo de rigidez y resistencia [5]. El rodete de la turbina no solo debe tener un buen rendimiento hidráulico, sino también un alto rendimiento de rigidez y resistencia, para garantizar el funcionamiento eficiente y seguro de la misma. unidad. Por lo tanto, el cálculo de la rigidez de la corredera y la precisión del cálculo son particularmente importantes. El método de diseño tradicional utiliza una teoría simple de la mecánica de materiales para calcular la tensión de raíz de la pala como una viga en voladizo bajo la presión total del agua. Los resultados del cálculo son bastante diferentes de los reales, o se utilizan pruebas de modelos y mediciones reales de la central eléctrica. para proporcionar referencias a los diseñadores. Además, no se pueden calcular el desplazamiento estático y la frecuencia natural de la pala. En los últimos años, con el desarrollo de elementos finitos, la tecnología de cálculo de rigidez y resistencia de los componentes mecánicos ha mejorado enormemente. Es posible utilizar tecnología de simulación por computadora para reemplazar las pruebas de modelos y las mediciones reales de las centrales eléctricas. En la actualidad, una gran cantidad de software de cálculo y análisis estructural de elementos finitos a gran escala representados por ANSYS e IDEAS se han utilizado ampliamente en el cálculo de la rigidez y resistencia de los rodetes, realizando diseños interactivos de hidráulica y resistencia, y los resultados del cálculo son más precisos. Para ser más precisos, las condiciones de tensión de las palas también son más razonables. Al mismo tiempo, se utiliza el método de elementos límite de elementos finitos para calcular la vibración del acoplamiento fluido-estructura de las partes que pasan por el flujo. Dado que se tiene en cuenta la masa de agua adjunta de la estructura que vibra en el fluido, se puede utilizar el cálculo. para estimar la frecuencia natural de la estructura en el agua. Este método se puede utilizar en transformación Predecir la estabilidad de la unidad durante el proyecto.

(4) Tecnología de moldeado de palas. El rodete de la turbina es el corazón de la turbina, por lo que su calidad de fabricación es crucial. Afecta directamente la eficiencia, el rendimiento anticavitación y la estabilidad operativa del corredor. En el pasado, la mayoría de las hojas se fabricaban mediante fundición, se pulían y luego se soldaban a la corona superior y al anillo inferior. Este método de proceso tiene muchas desventajas: gran desviación del perfil, superficie rugosa, despilfarro de molienda, pobre rendimiento anticavitación y las palas fundidas tienen defectos de fundición, lo que deteriora el rendimiento de las palas. Para las palas grandes, la precisión de la forma de la pala es deficiente. más difícil Es difícil de controlar y, en última instancia, difícil de cumplir con los requisitos. En los últimos años, la tecnología de moldeo se ha utilizado ampliamente en la fabricación de álabes de rodete de turbinas hidráulicas. Es una tecnología de fabricación de álabes de rodete que puede lograr una forma de pala precisa, una pequeña cantidad de raspado, un precio moderado y un ciclo de producción corto. El método consiste en procesar preliminarmente el material base de la hoja, luego colocarlo en un troquel fresado con una máquina herramienta CNC, presionarlo con una prensa y finalmente realizar un rectificado parcial. Las hojas fabricadas de esta manera tienen buena forma, buen material, fuerte resistencia al desgaste por cavitación y se puede garantizar fácilmente la eficiencia. Por ejemplo, Harbin Electric ha utilizado dos software de elementos finitos, IDEAS y DEFORM-3D, para desarrollar un método para calcular dinámicamente el centro y el tonelaje de presión de palas moldeadas, que ha tenido éxito.

(5) Tecnología de mecanizado CNC de cuchillas. Para el procesamiento de las palas se utilizaba en el pasado el proceso de "rectificado de pala de prototipo tridimensional". Se trata de un proceso que requiere mucho trabajo manual y utiliza el prototipo tridimensional como herramienta de medición para girar la pieza en bruto. en una hoja terminada.

Según la literatura [6], el uso de esta tecnología de procesamiento tiene tres desventajas fatales: mala precisión de medición, operación difícil y alto costo. En los últimos años, los fabricantes de turbinas nacionales y extranjeros han cancelado los tradicionales prototipos tridimensionales y han adoptado la tecnología de procesamiento CNC. Es una tecnología de procesamiento ideal que se completa con el funcionamiento automático de máquinas herramienta controladas por un software de sistema informático. Debido a que puede transmitir con precisión los gráficos teóricos de la superficie curva de la hoja al mecanismo operativo que ejecuta las instrucciones a través de la salida de datos, resuelve el problema de la alineación automática de la medición de la hoja y la posición teórica y el cálculo automático de la tolerancia de mecanizado del punto de medición, haciendo grandes hidráulicas. Turbinas La precisión de fabricación de las palas ha mejorado enormemente en comparación con el proceso tradicional de prototipo tridimensional. Por ejemplo, los corredores Liujiaxia 2# y Tianshengqiao 5# y 6# son procesados ​​por CNC. Además, desde la perspectiva de las aplicaciones de ingeniería, en los últimos años, la transformación técnica de antiguas unidades de centrales eléctricas ha atraído una amplia atención en todo el mundo, especialmente en algunos países con mayores niveles de desarrollo de recursos hidroeléctricos. Aunque los trabajos de renovación de la central eléctrica de mi país comenzaron tarde en comparación con los países extranjeros avanzados. Pero el trabajo exploratorio comenzó a principios de los años 1980. Durante los últimos 20 años, se han logrado muchos logros y experiencia en la transformación técnica de varias centrales hidroeléctricas, y se ha capacitado a un gran número de técnicos y trabajadores para diversas centrales eléctricas y unidades de investigación científica, sentando así las bases para el ampliación de capacidad y transformación de diversas centrales eléctricas en nuestro país, de modo que Ha sido posible la finalización sin problemas de los trabajos de transformación técnica de varias centrales hidroeléctricas. 3 Conclusión

El desarrollo de nuevas centrales eléctricas requiere grandes inversiones y ciclos largos, mientras que la ampliación de capacidad y renovación de antiguas centrales eléctricas no requiere la construcción de estructuras hidráulicas como presas, por lo que la inversión es pequeña. el ciclo es corto y los beneficios grandes. Se puede ver que la renovación y renovación de las centrales hidroeléctricas se ha convertido en uno de los medios importantes para resolver la escasez de energía en muchos países, y el rodador de la turbina hidráulica es uno de los principales equipos de la central hidroeléctrica. El corredor es crucial para el desarrollo y utilización racional de la energía hidráulica, mejora la confiabilidad operativa de la central hidroeléctrica y tiene un gran impacto en la economía y garantiza la confiabilidad de la red eléctrica. Por lo tanto, el diseño de modernización de rodetes de turbinas en centrales hidroeléctricas se ha convertido en una de las principales tareas y enfoques clave para la renovación y reconstrucción de centrales hidroeléctricas. Al mismo tiempo, el avance continuo de la tecnología moderna de simulación numérica por computadora, la tecnología de prueba de modelos, la tecnología de cálculo de la rigidez y la tecnología de fabricación ha creado las condiciones para el diseño modificado de los rodetes de turbinas hidráulicas. Por lo tanto, debemos aprovechar plenamente los logros de la ciencia y la tecnología modernas y llevar a cabo la transformación técnica de las unidades, especialmente las turbinas, basándose en las condiciones reales de las centrales hidroeléctricas pequeñas y medianas construidas antes de los años 1980 en mi país. Garantizar el funcionamiento de alto rendimiento, alta calidad, seguridad y confiabilidad de las turbinas hidráulicas.

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