抽水蓄能系统过渡过程瞬变流研究

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抽水蓄能系统过渡过程瞬变流研究

流体机械及工程        谭海燕       122080704004

摘要: 可逆式水泵水轮机具有使用水头高、机组运行工况转换频繁及流道具有双向流动等特性。可逆式水泵水轮机自身存在着“S”形水力特性和水泵驼峰区两个不稳定区域，当机组改变状态时，常诱发系统出现强烈振动，甚至发生难以控制的稳定性安全事故。本文揭示可逆式水力机械内部叶道湍流的机理，构建合理描述叶道特殊流动问题的湍流模式，提出高效快速模拟叶道湍流的数值理论和计算方法，建立准确预测可逆式水力机械水力特性的数学模型，深入研究可逆式水力机械在设计和非设计工况下内部流动的特征，优化水力机械通流部件几何参数、运行参数，使其更适应可逆式水力机械的运行环境。

关键字: 可逆式水泵水轮机 过渡过程 瞬变流 内部流动 “S”形水力特性

可逆式水泵水轮机及其发电电动系统在我国发展较晚，目前设备和技术基本依靠进口。可逆式水泵水轮机是目前可以商用大型的储能设备。它对于调整电网负荷起重大作用，也对风能，太阳能的发展和并网，及执行我国可再生能源法起很大作用。与常规水轮机和水泵相比，可逆式水泵水轮机具有使用水头高、机组运行工况转换频繁及流道具有双向流动等特性。此外，与常规水泵与水轮机相比，可逆式水泵水轮机自身存在着“S”形水力特性和水泵驼峰区两个不稳定区域，当机组启动、停机、大幅度增减负荷、事故甩负荷、紧急事故停机以及发电转调相等一系列大波动工况变迁时，常诱发系统出现强烈振动，甚至发生难以控制的稳定性安全事故。这些事故不能得到有效控制，甚至呈现出增长的趋势，已成为制约我国可逆式流体机械及其系统发展的重大瓶颈，是影响电力系统安全的关键问题之一。

伴随着现代水力机械向大型化、高速化、大功率和高性能方向发展，对水力机械及其系统的安全、稳定运行提出了越来越高的要求。因此，开展可逆式水力机械及其发电电动系统的耦合动力学与稳定性研究，不仅可以推进我国水力机械及其系统学科的发展，而且是国家构建坚强智能电网，确保电力结构顺利调整、实现节能减排、发展可再生能源、减少二氧化碳的排发、保障国家能源系统安全的重大战略需求。

一、抽水蓄能机组过渡过程三维瞬变流问题的研究现状和趋势

随着大型泵站和水电站建设的需要，水力机械暂态过程的研究逐渐发展起来，尤其是1960年以后，由于美国、西欧、日本等发达国家高水头、大容量抽水蓄能电站的大量兴建，促进了水泵模式下的启动和发电电动系统由于电力突然切断状态下的暂态过程的研究，并取得了一定的成果，成为当前可逆式水力机械水力设计的重要依据。

国内外学者在水力系统暂态问题方面做了大量的研究工作。应用特性曲线法建立了水泵工况向水轮机工况转变时水力暂态过程的数学模型；对可逆机组甩负荷工况及导叶控制规律进行了探讨；对甩负荷时导叶拒动不稳定运行工况进行了一维的数值计算。建立了对水力干扰进行暂态过程一维计算所必须的既能进行大波动计算又可进行小波动计算的数学模型，编制了计算程序，研究了部分机组停机过程中，其余机组在水力干扰下的暂态过程及稳定问题，并提出虚拟阻抗法和零流量状态法用来求解系统初值的方法。建立了用于含MGV 装置的可逆机组甩负荷暂态过程仿真计算数学模型；对水泵水轮机转轮全特性与蓄能电站暂态过程的相关性进行了分析；对不同比转速的可逆式机组特性曲线变化对暂态过程影响进行了研究；重点探讨了暂态过程的控制问题；常近时提出了基于可逆机组内特性的暂态过程计算方法；考虑管道弹性和水的可压缩性对暂态过程的基本方程和数值方法进行了研究。但在暂态过程中，管道系统中的水击对水轮机的暂态过程影响很大，两者也具有强烈的相互作用，尤其对于抽水蓄能电站，其管道系统长而且结构复杂，其中的水锤作用明显，管道系统水击和机组的暂态流动之间的相互作用显得尤其重要。但在动态耦联水力机械与管道水击的理论研究方面，迄今未见有成果报道。因此，将管道系统的瞬变流计算和水轮机的三维暂态计算相结合，对全系统的瞬变过程进行计算模拟是水力发电系统动态过程研究的重要方向。

综合国内外的研究可以看出，目前对于抽水蓄能系统运行中的暂态问题，主要是针对系统运行中各种工况的水力暂态过程进行研究，目的是对系统的稳定性及危险工况进行预测，为水道系统结构布置、机组参数的选择以及导叶关闭规律和调节系统参数等提供依据。但内特性和外特性两种方法均不考虑机组内部的三维暂态流动，不能反映在过渡过程中机组内部的流态变化。而且，外特性法采用的特性曲线为机组的静态特性，全特性曲线的数据是通过暂稳态实验测试得到的，因此在预测流量、压力等参量的暂态变化时将出现误差。

随着计算流体力学及计算机性能的发展，三维非定常流动的数值计算可以实现，国内外学者开始着手于边界条件恒定情况下的三维非定常流动的数值模拟。高水头可逆式水力机械是未来发展的趋势，但是苛刻的运行条件带来一系列的问题。尤其是可逆式水力机械特有的反水泵工况，水流快速从水轮机方向的流动变为逆向流动，造成巨大的压力脉动，会造成导叶不能正常关闭。在水泵运行模式导叶启动条件下，由于压力钢管和尾水管长度的关系，同样存在着异常的压力脉动，这种压力脉动与压力钢管和尾水管的固有频率及活动导叶的形状有密切的关系。实际上，水泵水轮机在稳定工况下就存在着不容忽视的压力脉动现象，但相比较而言，与暂态过程的压力脉动幅值、优势频率、模态等存在明显的差异。

二、抽水蓄能系统过渡过程三维瞬变流研究

抽水蓄能系统在调相运行时，需要关闭导叶，并在转轮区域内充入压缩空气压低尾水，使转轮在空气中旋转，减小阻力和非平衡力。因此，当机组在正常发电工况时需要转入调相工况运行，就需要将负荷慢慢卸掉，使可逆式水泵水轮机在小负荷或空载工况点运行，然后在联网的状态下迅速关闭导叶，使机组进入调相工况运行。在这个过程中，机组将在零流量情况下以同步转速在水中或空气中运转，从水轮机工况出发，将经历空载工况点、水力制动工况、反水泵工况，最终到调相工作状态。反之，在调相工况转发电工况时，导叶开启时转轮室内还未充满水，已进来的水与转轮的相互作用产生的水动力将成为作用在叶片上的负荷，使机组进入到反水泵区运行，一旦水充满转轮室后，机组又很快转为正常水轮机发电工况向外输出功率。这个过程在很短时间内产生作用在叶片上的反向力矩，对机组结构部件造成冲击，并诱发机组振动。在机组从调相、发电、水泵工况三者之间的相互转换过程中，将产生水气两相流的强烈相互作用，这也是抽水蓄能机组安全运行面临的突出问题。

抽水蓄能中暂态问题是最核心的科学问题，受电力系统负荷调度的支配，抽水蓄能系统具有跨4个象限的全特性运行要求，通常需要在以水泵方式运行的第一象限、逆流泵方式运行的第二象限、旋转方向逆转后按水轮机方式运行的第三象限、以及逆转泵运行的第四象限之间频繁切换运行模式。这会频繁诱发大脉动压力幅值的水力暂态过程，导致系统出现强烈的出力和转速摆动的现象，诱发水、机、电系统的强烈耦合作用，轻则机组不能及时并网运行，延误电网的调节，重则将严重危害系统的稳定运行，甚至造成机毁人亡并危及电力系统安全的事故。而人们对抽水蓄能水力系统这种大跨度水力暂态过程发生的机理与跨系统能量传输的规律迄今为止仍缺乏理论认识，现有理论和方法已严重滞后于工程技术发展的需要，无法解释工程中遇到的问题，难以为系统的安全运行提供可靠的理论指导，由此造成的危害在工程中屡见不鲜。

通过模型和原型试验，研究工况变迁和双列叶栅对流动的扰动特性，高精度地观测和捕捉活动导叶动态变化和工况逆转时内部流场的变化特性和扰动在流动中的传播方式，研究多重耦合暂态过程中流动参数与活动导叶变化的内在规律和暂态能量传播的机制。研究机组空载运行工况的暂态过程与稳定性问题，分析机组“S”形特性与管道水击波动的相互作用，提出在兼顾机组主要性能的基础上削弱“S”形水力过程的优化设计方法和准则。

研究水泵水轮机流道湍流结构的生成特征与通流部件几何形状和反S特性的关联性，探索控制流动结构生成和演化的关键几何参数及非设计工况下关键几何参数与流动的匹配关系。研究反S特性与转轮体型的关联性，探索从水泵水轮机内特性出发，建立适用于水泵水轮机的全特性曲线表达式，开发水泵水轮机全特性曲线预测软件。讨论比转速相同或相近、反S特性、驼峰特性不同的水泵水轮机全特性与过渡过程中工作点轨迹线及机组参数之间的内在机理和变化规律。针对不同水头、不同容量、不同比转速的水泵水轮机，结合调节保证设计、机组并网的要求，建立水泵水轮机反S特性的控制标准。

揭示抽水蓄能水力系统跨四象限的暂态过程形成机理和瞬变流动特性，提出基于全特性工况变迁过程的暂态理论和方法，建立水力暂态过程与系统运行稳定性的定量和定性评价关系。建立系统的三维瞬变流理论和计算方法。

三、参考文献

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