论高水头水电站低噪声减压技术的研究与应用

万双民，周 刚，王天文，康 强，宋挚中

（1.天生桥二级水力发电有限公司，贵州 兴义 562400；2.南方电网调峰调频发电有限公司西部检修试验分公司，贵州 兴义 562400；3.湘潭中基电站辅机制造有限公司，湖南 湘潭411100）

1 前言

天生桥二级水电站位于贵州省安龙县与广西壮族自治区隆林县交界处的南盘江上，距贵阳市约300 km，距昆明市约300 km，距南宁市约550 km。电站建筑物包括主厂房、上游副厂房、下游副厂房、厂房制冷站、中控楼、500 kV开关站、220 kV开关站。装设6台220 MW立轴混流式机组，机组最高水头204 m，额定水头176 m，最低水头174 m，额定流量139.8 m3/s，额定转速200 r/min，单机技术供水流量约1300 m3/h。天生桥二级水电站装从1996年开始，机组自流减压供水系统使用ZJY46H-25P DN300组合式减压阀，通过一级减压供水给到机组各用水点，20多年来减压阀稳定运行、维护量少。但ZJY46H型组合式减压阀运行时A计权分贝值最高达到107.5 dB，超过工业厂房日接触时间8 h的接触极限值85 dB。

ZJY46H型组合式减压阀是专为复杂工况下运行的供水系统设计的减压设备。减压阀是通过改变节流锥开度来调节压力和流量，以减小过流面积达到减压目的。当进口压力或流量发生变化时，减压阀靠介质本身的能量进行自动调节，从而保持出口压力为原设定好的低压值。主要功能有：减压、稳压、调压，锁定出口压力，反馈系统反冲排污，互为备用双反馈系统。

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基电站辅机制造有限公司（以下简称“湘潭中基”），通过对在运ZJY46H型组合式减压阀的调研、理论分析基础上，使用ANSYS-CFD数值模拟技术，对科技项目“高水头水电站大减压比低噪声活塞式减压技术的研究与应用（以下简称“低噪声减压技术”）”共同研发，科技项目编号为：020100KK52180001。计划设计低噪声减压技术的ZJY46H型组合式减压阀，在天生桥二级水电站运行工况下，距其1 m处测定的运行噪声需比原来107.5 dB降低8%。

2 CFD模拟理论与参数选择

ZJY46H型组合式减压阀内部的流动为高强度的湍流，湍流状态下流场中出现许多漩涡，湍流场中的物理量出现随机的不规则脉动的特征。流动诱导噪声研究的前提需要对流场进行准确的数值计算，尽可能捕捉流场中存在的漩涡及压力脉动，目前流场数值计算分为直接和间接数值模拟两种。其中直接数值模拟虽然对流场的模拟最精确，但是该方法计算量过大，耗时过长，较难用于工程问题,做理论研究也不方便。工程上主要利用间接方法，较为常用的有Reynolds平均法和大涡模拟。大涡模拟在进行湍流模拟时，将大于网格尺度湍流和小尺度涡分别采用不同的方法进行模拟。大涡模拟的本质是介于直接法和间接法之间的一种模拟方法。相对于直接数值模拟它更节约计算资源，对于间接模拟其弥补了Reynolds平均法所疏漏的非稳态。虽然大涡模拟能够捕捉流场的细节，但计算资源的消耗仍然非常高。工程上广泛采用计算资源相对较小且满足计算精度的Reynolds平均法。

非稳态的RANS（Reynolds Average Navier-Stokes equations）方程如下：

Ui为沿i方向上的速度，ρ为流体密度，v为涡粘度，Ui与分别为时间和脉动速度为Reynolds应力张量。

模拟采用k-ω SST湍流模型来封闭方程：

vt表示湍动涡粘度，为待求量，Sij为变形率张量，δijk为 Kronecker符号。

k-ω SST湍流模型中湍动粘度和比耗散率的输运方程如下：

分析软件中F1、F2、Pk、CDkw、α1、α2、β1、β2、β*、σk1、σk2、σw1等均为方程组闭合系数。

表1 模型/条件列表

低噪声减压技术通过ANSYS-CFD数值模拟技术，选择表1模型与条件，通过计算得出主阀的压力、流速、噪声、汽蚀分布。

3 ZJY46H型组合式减压阀噪声分析

阀门通常噪声主要有机械振动噪声、流体动力噪声。ZJY46H型组合式减压阀内部零件结构刚性大，一般不会产生机械振动噪声，因此减压阀噪声主要是流体动力噪声，即：液体流动噪声和空化（汽蚀）噪声。液体流动噪声是水流在节流锥的节流口处流速增高，并于下游节流锥附近形成强烈的湍流所致。

空化（汽蚀）噪声，液体流过节流口流速增加，从而内部静压降低。当流速大于液体的临界速度时，静压小于液体的饱和蒸汽压，则液体局部出现汽化，并加上低压时空气析出，二者形成气泡。气泡随流体流动，在节流锥下游流速降低，静压升高，气泡爆裂，产生空化噪声。此时气泡爆裂后产生的微小流体以极高的速度撞击节流锥表面，将产生汽蚀和汽蚀噪声。有资料表明，空化噪声的声功率与流速的7次方或8次方成正比。

4 低噪声减压技术研发思路

CFD模拟计算与分析得知原ZJY46H型组合式减压阀以液体流动噪声和空化(汽蚀)噪声为主。要实现减压阀降噪，降低减压阀节流口处过高的流体流速就成为关键。同时，因为要保证通过减压阀的流量不变，因而在降低节流口流速时，节流锥的开度需要增加，说明节流锥上游要增加消耗流体能量的装置，建立合理的流场，这样就可以有效地实现减压阀降噪。

当减压阀进出口压差大而产生较高流体动力噪声时，减压阀增加降噪套筒和优化节流锥密封面角度即可实现减压阀降噪目的。通过降噪套筒的过流孔增加流阻使节流锥上部压力降低到P1.1，然后通过主阀节流锥减压到P2；使主阀开度增加，降低节流口流速，同时噪声降低；通过优化节流锥密封面角度减少汽蚀现象。

5 ZJY46H型组合式减压阀CFD模拟计算

ZJY46H型组合式减压阀为原型结构为一级减压阀，通过阀座与节流改变节流锥开度来调节压力和流量，以减小过流面积达到减压目的。减压阀进口压力设定为1.9 MPa，通过节流锥一级减压到整定压力0.7 MPa，流量设定为1 200 m3/h。节流口圆角为R1,节流锥角度为12°。

ZJY46H型组合式减压阀通过ANSYS-CFD模拟计算，计算结果为主阀开度为15.5 mm，节流口最高流速为61 m/s，模拟噪声为101 dB，节流锥有严重汽蚀现象。

图1 ZJY46H型组合式减压阀原型结构示意图

图2 CFD压力分布计算结果

图3 CFD噪声计算结果

图4 CFD汽蚀计算结果

天生桥二级水电站6台ZJY46H型组合式减压阀现场运行噪声为97～106 dB，平均噪声为101 dB；CFD模拟计算的噪声值为101 dB与实际运行噪声值非常接近。根据CFD模拟计算一级减压阀的噪声源为阀座过流口和节流锥密封面的汽蚀噪声；同时主阀开度过小，使节流口的流速过高。节流锥角度和主阀开度都有优化空间。

6 低噪声减压技术研发方案

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司研发的低噪声减压技术，将原ZJY46H型组合式减压阀主阀阀座4个筋板取消；新增降噪套筒、新角度节流锥和整流罩。降噪套筒设计Φ8 mm过流孔，壁厚为10 mm，过流孔选择周向靠上三角形排列；进口压力从1.9 MPa减压到1.4 MPa,节流锥从1.4 MPa减到0.7 MPa，满足1 200 m3/h流量要求。如图1、图5所示。

图5 低噪声减压技术结构示意图

低噪声减压技术方案通过ANSYS-CFD模拟计算，计算结果为主阀开度从15.5 mm增加到20 mm，开度增加了29%；节流口最高流速从61 m/s降低到52 m/s，降噪套筒过流孔流速为30 m/s；减压阀噪声源为节流口模拟噪声为89 dB；节流锥无汽蚀现象。

根据低噪声减压技术研究要求，我们采用先进的 CFD 数值模拟计算分析减压阀的流场、噪声、汽蚀。研究了减压阀内部流动特性、汽蚀特性和噪声特性。天生桥二级水电站减压阀进口压力为1.9 MPa，出口压力为0.7 MPa，流量为1 200 m3/h的运行工况，设计的低噪声减压技术方案，目前通过CFD 计算结果表明，节流锥无汽蚀现象，运行噪声从107 dB下降到89 dB，降低了16.8 %，满足合同降噪8%要求。

图6 CFD压力计算结果

图7 CFD流速计算结果

图8 CFD噪声计算结果

图9 CFD汽蚀计算结果

根据低噪声减压技术研究要求，我们采用先进的 CFD 数值模拟计算分析减压阀的流场、噪声、汽蚀。研究了减压阀内部流动特性、汽蚀特性和噪声特性。天生桥二级水电站减压阀进口压力为1.9 MPa，出口压力为0.7 MPa，流量为1 200 m3/h的运行工况，设计的低噪声减压技术方案，目前通过CFD 计算结果表明，节流锥无汽蚀现象，运行噪声从107 dB下降到89 dB，降低了16.8%，满足合同降噪8%要求。

7 低噪声减压技术中期检查

2019年12月06日，天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司在湖南省长沙市组织召开了科技项目“高水头水电站大减压比低噪声减压技术的研究与应用”中期检查会议，专家组听取了项目阶段工作总结报告、技术研究报告等，开展了现场工厂试验，检查了经费支出情况表及相关材料。

科技项目低噪声减压技术中期检查工厂试验，试验测试平台配置1 600 kW电机，水泵扬程为300 m；管道为DN300，设计旁通管道、电磁流量计、减压阀进出口配置耐震压力表、节流阀和低噪声减压技术。噪声测量点离减压阀标志面的反馈系统1 m处，耐震压力表安装离减压阀1.5 m位置，电磁阀安装离减压阀3 m位置，减压阀稳流段长度为3 m。通过对节流阀、旁通管道、电机变频调节，满足天生桥二级减压阀进口压力1.8～2.0 MPa变化，流量为1 100～1 300 m3/h变化，出口压力为0.7 MPa的运行工况。检验低噪声减压技术的压力特性、流量特性、噪声，确定低噪声减压技术降噪效果。

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司初步设计的科技项目低噪声减压技术，低噪声减压技术压力特性进口压力2.0～1.8 MPa变化，流量为1 200 m3/h；出口压力偏差值小于出口压力的5%。低噪声减压技术流量特性进口压力为1.9 MPa，流量为1 100～1 300 m3/h变化；出口压力偏差值小于出口压力的10%。工厂试验测定噪声为83～86 dB,与电站现场原减压阀噪声107 dB相比降低了19.6%～22.4%，优于计划任务书降低8%的预期效果。

8 天生桥二级水电站-试运行试验

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司设计在ZJY46H型组合式减压阀主阀内的低噪声减压技术（编号17-75-59），2020年5月20日安装在天生桥二级水电站2号机组技术供水管道，顺利完成调试。通过电站复杂工况检验低噪声减压技术压力特性、流量特性和运行噪声，同时确认CFD数值模拟理论数据与电站实际数据的差异。

低噪声减压技术完成调试后，按合同要求对低噪声减压技术进行电站试运行试验。试运行时间为2020年5月20日～2020年5月24日，共计5 d（120 h）；每天按试运行记录表要求测量2组数据。

根据低噪声减压技术试运行数据可看出减压阀进口压力、流量变化时，减压阀出口压力稳定，运行噪声为90～93 dB，运行噪声从107 dB降低了13%～15.8%满足合同降噪8%要求；低噪声减压技术CFD数值模拟噪声为89 dB，CFD数值模拟与试运行噪声非常接近，说明CFD模拟的正确性。因此第三阶段高水头水电站大减压比低噪声减压技术满足合同技术要求。

9 天生桥二级水电站-真机时效试运行试验

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司设计在ZJY46H型组合式减压阀主阀内的低噪声减压技术（编号 17-75-59），2020年 5月 24日安装在天生桥二级水电站2号机组技术供水管道，顺利完成试运行。根据技术合同的计划书要求低噪声减压技术，电站真机时效运行时间不得低于120 d（2 880 h）。经双方同意时效运行时间从2020年5月24日～2020年10月10日，时效运行共计3 288 h。2020年10月10日按真机时效运行记录表要求测量2组数据。

高水头水电站大减压比低噪声减压技术时效运行时间从2020年5月24日～2020年10月10日，时效运行共计137 d（3 288 h）。根据2020年10月10日按时效运行记录表数据，减压阀进口压力从1.9 MPa下降到1.70 MPa,减压阀出口压力为0.7 MPa，流量为1 233 m3/h工况时，减压运行噪声为89.5 dB。

高水头水电站大减压比低噪声减压技术目前为第四阶段，时效运行时间从2020年5月24日～2020年10月10日，时效运行共计137 d（3 288 h）。减压阀时效运行噪声从107 dB下降到89.5 dB，降低了16.3%，满足合同降噪8%要求；高水头水电站大减压比低噪声减压技术CFD数值模拟电站工况时，模拟噪声为89 dB；CFD数值模拟与时效运行噪声非常接近，说明CFD模拟的正确性。因此，第四阶段高水头水电站大减压比低噪声减压技术满足合同技术要求。

10 结论

天生桥二级水力发电有限公司和湘潭中基公司合作研发的低噪声减压技术，采用先进的CFD数值模拟技术分析减压阀的流场、噪声、汽蚀，研究了减压阀内部流动特性、汽蚀特性和噪声特性。通过ANSYS-CFD数值模拟设计、专家组中期检查、水电站试运行、水电站真机时效运行，目前在天生桥二级水电站2号机组技术供水减压阀设计的低噪声减压技术稳定运行至今。低噪声减压技术设计在ZJY46H型组合式减压阀主阀内，传承了减压、稳压、调压、锁定出口压力、反馈系统反冲排污、互为备用双反馈系统等主要特性，同时运行噪声从107 dB下降到89.5 dB，降低了16.3%，噪声性能优于同类进口产品；在汽蚀方面通过节流锥角度的调整，完全化解了节流锥的汽蚀现象，降噪同时还增加了节流锥的使用寿命。