抽水蓄能机组泵工况分阶段启动及经济运行

在仙游抽蓄电站机组调相转抽水的过程中,由于导叶开启过快,使得电机功率改变量较大,导致电网频率波动较大。对此,本文提出了在泵工况采用导叶分阶段线性启动的解决方法。基于高扬程水泵水轮机模型转轮特性数据,研究了不同导叶开度时机组运行的稳定性;分析了水泵流量、轴功率、效率与扬程和导叶开度的关系,提出了确定泵工况高效经济运行最大导叶开度的方法。通过对水泵和水轮机工况区压力脉动的比较分析,得出水轮机工况的压力脉动比水泵工况相同位置的大得多,所以水泵工况也可以采用导叶开度分阶段开启方式的重要结论。对水泵零流量工况的分析表明,当水泵启动时,采用缓慢开启导叶的方式有利于避免发生较大的零流量压力脉动现象。同时,选择较小的导叶开启目标开度有利于减小零流量压力脉动强度。最后,水力过渡过程计算示例表明,在水泵启动过程每个阶段导叶保持不变的过程中,水压和轴功率波动幅度较小且很快衰减,机组能够稳定运行,发生超过水轮机工况压力脉动的风险微小。由于高水头或高扬程水泵水轮机转轮单位流量和力矩特性及压力脉动具有类似特点,上述结论也可供其它抽蓄电站参考。     

抽水蓄能机组空载工况分数阶PID调节控制

抽水蓄能机组运行在低水头空载工况易进入"S"特性区域,进而引起机组频率大范围波动和运行不稳定。针对传统比例—积分—微分(PID)控制在低水头空载工况下不能较好地调节抽水蓄能机组频率波动的不足,基于全特性曲线对数曲线投影变换的水泵水轮机数学模型,提出了适用于抽水蓄能机组低水头空载工况运行的分数阶PID(FOPID)调节系统模型,并运用粒子群优化算法优化FOPID控制参数,重点讨论了FOPID控制在低水头空载开机和空载频率扰动时的应用。仿真分析表明:相较于传统PID控制,FOPID控制使得低水头空载运行时机组频率和导叶开度的过渡过程有了明显的改进,提高了抽水蓄能机组调节系统的速动性与稳定性。     

三峡左岸电厂6F机组小开度工况异常振动动态数值解析

三峡左岸电厂6F机组在过速试验的关机过程中,出现了强烈的小开度工况下的异常振动现象。该现象是过去未曾关注过的。借助STAR-CD解算器和分离涡模拟的方法,对包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管在内的计算域进行动态的数值解析。计算结果显示,在所计算的小开度工况下,活动导叶出口处的流动沿活动导叶高度方向是不均匀的,活动导叶下半部分区域靠近底环处存在漩涡,导致水流从活动导叶的上半部分流出到转轮室。傅立叶分析表明,在此漩涡区域附近,流体单元的速度脉动和压力脉动的主频均为1.359Hz,正好与真机试验测得的异常振动频率一致。进一步的分析表明,漩涡区域的1.359Hz的脉动是计算域内其他位置出现的相同频率的脉动的源头。     

水泵水轮机“S”特性对机组水头低时发电影响及对策分析

介绍了水泵水轮机“S”特性并从理论上分析了其形成的原因。由于活动导叶与固定导叶的共同作用，抽水蓄能机组水头低时发电，导叶异步开启时，进入转轮前部分水流的流速得到了提高，并高于导叶同步开启时进入转轮前水流的流速。从而有效地改善了对应空载工况点处的“S”特性，解决了水泵水轮机“S”特性此时对机组运行的不利影响。并结合实例进行了分析。     

基于动网格技术的混流式水轮机转轮内部瞬态流动数值模拟

水电站过渡过程常常引起水力机组压力脉动、振动和水锤等现象,严重影响电站的安全稳定运行。为了准确捕捉水轮机在过渡过程中的动态特性,本文区别于常规的稳态分析方法,采用CFD计算软件Fluent14.0,利用基于有限体积法的动网格技术对某混流式水轮机的活动导叶和转轮组成的单流道进行了三维瞬态流动数值模拟。真实模拟了在大波动过渡过程中转轮内部流态的变化,分析了导叶关闭过程中转轮内部压力场和速度场的变化过程。计算结果表明:动网格技术能够较好地模拟水轮机转轮内部流场的动态变化,其计算结果为三维过渡过程的研究提供了理论依据。     

多泥沙电站高水头低出力水轮机水力设计策略

在多泥沙河流运行的水轮机,经常受到严重的泥沙磨损危害,机组的检修周期及运行寿命普遍较低。特别是对于高水头低出力要求的水轮机,机组磨损情况往往更为严重。为提高机组的抗磨损性能,水力设计阶段需专门考虑降低流道流速进而提高抗磨损性能的方法。本文以木扎提河三级水电站小水轮机的设计为例,综合考虑易磨损部位的相对流速及机组水力性能,确定了适用于高水头小流量多泥沙电站的水轮机水力设计策略。研究表明常规降低转速的方法对转轮及导叶出口流速、密封间隙内流动均有显著影响,转速降低的程度应通过流场对比分析合理确定。在高水头电站导叶尾部磨损更为严重,通过采取增大分度圆、优化导叶翼型及相对位置等可有效降低导叶后相对流速。采用长短叶片转轮,可大大降低转轮内部流速,提高在高含沙条件下机组的抗磨损性能,提升水轮机的运行稳定性及安全使用寿命。本文的研究可为多泥沙电站的水轮机设计策略提供有效参考。     

核主泵内部流动干涉的瞬态效应研究

为了揭示核主泵叶轮和导叶的流动干涉效应,采用相似换算法和多参数匹配法,基于RNG k-ε湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5的模型泵进行非定常数值模拟。结果表明:扬程脉动幅值与运行工况有关,额定工况时扬程脉动的幅值最小,偏离最优工况时,扬程脉动幅值逐渐增大。导叶内部流道产生不稳定的流量脉动效应,大于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动瞬态效应不明显;小于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动趋于不稳定。考虑到机组的水力稳定性,运行工况应大于0.8Qd。动静干涉使导叶内静压分布呈现周期性脉动,导叶压力面平均脉动幅值最大,吸力面平均脉动幅值最小,压力脉动的周期与叶轮叶片数有关;导叶内静压分布与叶轮尾缘和导叶前缘相对位置有关,叶轮尾缘对导叶入口流动的阻塞效应,是诱发导叶内静压脉动的主要原因。     

轴流泵偏工况压力脉动和内流特性分析

轴流泵在偏离设计工况特别是小流量工况马鞍区附近运行时,流道内部强烈涡旋会造成剧烈的压力脉动,影响了泵组的安全稳定运行。本文以高比转速轴流泵为研究对象,对轴流泵5个流量工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨该轴流泵运行时的非定常流动特性。数值计算采用RNG k-ε湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与轴流泵性能特点研究结果一致。对0.2Q_d和1.0Q_d工况进行非定常计算,结果显示,相同位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,0.2Q_d工况下相同位置测点间的压力脉动峰峰值最大超过1.0Q_d工况下4倍,说明此时流道内的流态分布很不均匀。测点离叶轮和导叶越近,低频脉动的主频受动静干涉引起的3fn和5fn脉动幅值就会明显增强,0.2Q_d工况下流道内测点受动静干涉作用的影响更强,脉动幅值为1.0Q_d工况下相同位置测点的3～5倍,且在转轮和导叶流道内影响的范围更广。结果表明,0.2Q_d小流量工况运行时压力脉动比1.0Q_d     

间隙空化对贯流式水轮机压力脉动特性的影响

许多贯流式水电站机组振动严重、噪声大,部分电站难以正常运行。目前的贯流式水轮机稳定性研究多侧重于转速频率和涡带频率,对高倍转速频率压力脉动危害性及其成因关注较少。本文将空腔危害水力机械稳定性理论应用于灯泡贯流式水轮机间隙空化研究,采用理论分析和原、模型试验验证相结合的方法,论证分析了间隙空化和高倍转速频率压力脉动的联系。本文介绍了贯流式水轮机原、模型尾水管压力脉动和真机振动的频率特性及工况条件,指出其产生原因是转轮叶片或导叶端面间隙空化,证明1倍、2倍或3倍叶片通过频率压力脉动产生于叶片内、外侧端面间隙空化,导叶通过频率压力脉动来自于导叶端面间隙空化。     

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动研究

基于Realizable k-ε湍流模型,对某蓄能电站模型水泵水轮机进行几何建模,设定压力脉动监测点,进行三维全流道水轮机工况非定常数值计算,分析导叶开度为29mm,33mm,37mm和41mm四个工况下各监测点的压力变化,并与模型试验结果进行对比,研究水泵水轮机在低水头下的压力脉动特性。结果表明:Realizable k-ε湍流模型对低水头下水泵水轮机压力脉动的数值模拟可行,在大开度工况时更加精确;导叶开度为29mm时水泵水轮机内部监测点压力脉动最强,随着导叶开度的增加压力脉动在逐渐的减弱;转轮旋转形成的"活动导叶-转轮-尾水管"两级动静干涉,使活动导叶与转轮之间无叶区内监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律,对应主频为叶频,尾水管锥管段时域图也呈现周期性变化,并在其频域图叶频处出现一个峰值;肘管内监测点压力脉动由于尾水涡带的影响主频为0.17~0.56倍转频的低频分量。     

混流式水轮机减压管对密封间隙及其周围流场的影响

混流式水轮机转轮上冠和顶盖间的压力腔中所产生的压力脉动会影响机组运行的稳定性。本文以某电站机组为例,通过含减压管的原型水轮机三维全流道湍流计算,分析了压力腔及转轮密封间隙中的压力脉动的形成过程,以及减压管数目对其影响,并且分析了减压管与转轮密封间隙泄漏量的关系。     

甩负荷过程水泵水轮机流激振动数值模拟研究

抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中机组振动剧烈,有导致转轮疲劳破坏风险。为探究转轮流激振动特性,对水泵水轮机在甩负荷中的典型工况（时刻）进行CFD-FEM数值模拟,分析了压力脉动、转轮动应力和振动模态。结果表明：转速是影响转轮压力脉动和动应力的最重要因素,最大转速工况最危险,转轮内压力脉动最剧烈,叶片动应力值和振幅均大于其他工况;压力脉动导致转轮动应力波动,两者频谱特征一致;转轮最大动应力出现在叶片进口与上冠“T型”连接处,过渡过程中最大值均超过材料许用应力;水力激励力频率与转轮固有频率相差较大,转轮在计算工况发生共振的可能性较小。     

混流式水轮机功率异常波动成因分析

石门坎水电站混流式水轮机组在部分负荷下运行时,机组有功功率波动过大导致该电站无法并网发电。采用SST湍流模型对该电站水轮机在偏工况下的三维不稳定流动进行了仿真计算,重点分析了尾水内部压力脉动特性,研究发现:尾水管空腔涡带振动频率与发电机自振频率发生共振是引起机组有功功率摆动过大的主要原因。     

轴流泵装置泵模式及反向发电模式压力脉动分析

为研究某立式轴流泵装置泵模式和反向发电模式的稳定特性，对该装置的泵模式和反向发电模式进行了全流道多工况数值模拟计算。通过数值模拟研究不同模式下的压力脉动分布规律，最终结果表明：泵模式下，最大压力脉动幅值出现在转轮进口前，约为转轮出口处的2倍。反向发电模式下，在轴向上转轮出口的压力脉动幅值最大，约为转轮进口处的2倍。两种模式下，转轮进口、转轮出口和导叶出口的压力脉动整体呈周期性，且主要受到转轮转动的影响。在频域方面，压力脉动主频为叶频，次频为主频的整数倍；与泵模式相比，反向发电模式下的压力脉动幅值整体更高，设计工况下反向发电工况压力脉动幅值高出约25%。研究结果可为泵站机组在泵模式和反向发电模式下保障其运行稳定以及改善压力脉动特性提供理论参考。     

抽水蓄能机组调速器双微分通道的PID控制算法

抽水蓄能机组在低水头下启动运行时,受水泵水轮机"S"形特性的影响,空载工况下机组的单位转速相对较大,很容易进入反水泵工况区,导致不稳定运行。为了提高低水头下抽水蓄能机组的空载运行稳定性,在现有PID调节器的结构上增加了一个微分通道,研究了采用双微分通道的PID调速器控制算法。仿真计算证明,采用双微分通道进行调节,调速器微分环节在较宽的调节范围内都起作用,有效减小了抽水蓄能机组"S"形特性的影响,提高了机组在低水头空载时的稳定性。     

混流式水泵水轮机小开度S特性区内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,严重影响蓄能机组的安全稳定运行,其产生的内在原因和解决方法是目前研究重点。本文以模型水泵水轮机为研究对象,对小导叶开度下的水轮机及反水泵运行的多个工况进行了整体流道的三维数值计算,探讨小导叶开度下S特性区机组内部的三维流动特性。选取了性能曲线在S形区域的不同运行工况点进行内流特性分析,发现在飞逸附近工况导叶和转轮内主要表现为漩涡流;在制动工况活动导叶和转轮间的无叶区内表现为明显的"水环"状流态,仅有少部分水流能流入转轮;反水泵工况的流动则更加复杂,整个流道中均有大量的漩涡流存在。综合S特性区的三维流动特性发现,当机组运行在小流量制动工况时,无叶区内的回流会堵塞通道,造成转轮不能在更高的转速下维持该小流量状态的运行,表现为在特性曲线飞逸点附近开始发生S形的弯折。     

基于弱可压缩的水泵水轮机S区压力脉动分析

高水头水泵水轮机S特性会导致其在水轮机工况并网困难,严重时会引起机组的振动,对电站的安全稳定运行产生不利影响。为了研究水泵水轮机S特性工作区域的压力脉动情况,本文以国内某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,对水泵水轮机内部流动进行了全流道定常和非定常数值模拟,并分析了其稳定工况、小转矩工况、小流量工况以及反水泵工况无叶区和尾水管内的压力脉动特性。结果表明:S特性区静压波动比较大;在活动导叶与转轮之间的无叶区,考虑可压缩性的主频均为叶片通过频率,而不考虑可压缩性时,小转矩工况的主频为2倍频;考虑可压缩性的幅值稍大,但无论是否考虑可压缩性,特征幅值都是随着单位流量的减小先增大后减小,同时该区域14fn和21fn等高频压力脉动的幅值较小;尾水管内压力脉动的主频为fn、3fn和4fn,稳定工况的幅值最小,弯肘段和出口段其他工况的幅值为稳定工况的十几倍,与回流涡结构有关。     

后置导叶对潮汐双向贯流式机组性能的影响

潮汐双向贯流式水轮机与常规贯流式水轮机的重要区别在于其需要兼顾正向和反向来流工况。为了均衡提升双向贯流式水轮机正反向运行条件下的性能,针对某潮汐双向贯流式水轮机,本文采用商业软件ANSYS CFX,研究了不同后置导叶位置和数量对双向贯流式水轮机性能及内部流动特性的影响。对比结果可知,后置导叶位置和后置导叶数量对机组反向发电时的性能影响较大,后置导叶安放位置系数为0.5和后置导叶数量为8时,机组总体性能较好。随着后置导叶数量增加,正向工况时尾水管水力损失减小,后置导叶通道水力损失反而增大;反向工况时转轮水力损失不断减小,转轮效率逐渐增大。研究成果为潮汐双向贯流式水轮机关键过流部件的优化设计提供技术参考。     

水泵水轮机开机过程水力特性研究

抽水蓄能电站水泵水轮机组在开机过程中产生剧烈的压力波动,转轮内复杂流动和压力脉动是引起固定部件强烈振动的主要原因之一。因此,需要对水泵水轮机开机过程的物理机理进行深入研究。本文同时建立了厦门抽水蓄能电站管路系统的一维特征线水力模型及水泵水轮机组过水流道的三维流场计算模型,开展了机组发电开机过程一维三维耦合的数值计算,重点分析了机组开机过程瞬时流动特点,以及转轮径向力和轴向力变化与外特性的内在关联性。研究发现,机组开机至空载状态时,由于导叶开度小、转速上升快,在无叶区形成了速率很高的水环,同时转轮流道内充斥着大量复杂的漩涡结构,导致了流量与转矩的突降。导叶动作、转速对径向力、轴向力的变化规律有直接的影响,开机过程中转轮径向力的变化趋势与活动导叶动作过程基本一致。轴向力的变化趋势与机组转速变化基本一致,转速和轴向水推力数值总体上为逐渐增大的趋势。本文研究结论为抽水蓄能机组和高水头混流式水轮机的开机过程物理机理和规律提供了有价值的参考。     

灯泡贯流式水轮机全流道压力脉动数值模拟

采用大涡模拟方法对灯泡贯流式水轮机全流道非定常湍流进行数值模拟,分析了额定工况和小流量工况下的压力脉动特征。计算结果表明:额定工况下,导叶前后、转轮出口的压力脉动主频为叶片频率,振幅最大值出现在转轮出口,尾水管内的压力脉动主频为转轮的转动频率,幅值相对较小;小流量工况下转轮出口产生偏心涡带,涡带旋转导致尾水管内产生低频压力脉动,低频压力脉动由尾水管向上游传递,幅值逐渐减小;额定工况下叶片上监测点的压力脉动频率为转轮转动频率的整数倍,幅值较小;小流量工况下,叶片上监测的点压力脉动幅值显著增大,脉动主频与次主频之和约为转轮的转动频率。