基于模拟退火算法的水轮机导叶分段关闭规律优化

为了解决水电站过渡过程中输水系统水锤压力和机组转速上升难以协调控制的问题,保证电站安全运行,建立了一种水轮机导叶关闭规律非线性优化模型,该优化模型可以调整各控制参数的重要程度并应用于多工况优化.基于水力瞬变计算的特征线法,应用模拟退火算法对该优化模型进行计算,寻找满足调节保证计算要求的较优关闭规律.结合工程实例,针对蜗壳末端最大压力和机组转速最大上升率2种控制工况,比较导叶一段直线关闭和二段折线关闭的数值计算结果,并应用模拟退火算法对折线关闭规律进行优化.使用优化后的关闭规律进行过渡过程计算,蜗壳末端最大压力、机组最大转速上升率和尾水管进口最小压力均满足调保计算要求,且安全裕量较大.结果表明,模拟退火算法可以快速优化导叶关闭规律,且算法稳定性较好,安全裕量分配合理,为类似工程的导叶关闭规律优化提供了新方法.     

抽水蓄能电站机组转动惯量GD~2敏感性分析

机组转动惯量GD2的不同取值对调节保证参数的影响较大。以某抽水蓄能电站为例,通过水力过渡过程仿真计算,对该水电站机组导叶关闭规律进行了优化处理,在最优导叶关闭规律的基础上研究不同机组GD2取值对机组最大转速上升率、蜗壳进口最大内水压力和尾水管进口最小内水压力的影响,得到了机组GD2与机组最大转速上升率、蜗壳进口最大内水压力和尾水管进口最小内水压力之间的关系,并进一步验证了该水电站机组GD2初步设计值的合理性。     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.     

轴流转桨式水轮机协联关闭规律选择及优化分析

合理的水轮机关闭规律对控制水电站水力过渡过程调保参数非常关键,由于桨叶-导叶双调节的存在,轴流转桨式水轮机的关闭规律的选择和优化较为复杂。基于对轴流转桨式机组协联飞逸曲线的特性分析,提出了一种新型导叶桨叶协联关闭规律:机组发生甩负荷时,导叶一段直线或折线关闭,桨叶一段直线开启,结合数值仿真计算分析,验证了该关闭规律能够显著降低蜗壳末端最大压力,而机组转速最大上升率略有升高。为了进一步优化所得协联关闭规律,建立了以蜗壳末端最大压力和机组转速最大上升率为控制指标的导叶关闭规律非线性优化模型,基于确定的桨叶开启动作方式,采用模拟退火智能算法优化导叶两段折线关闭规律,得到了能够满足调节保证计算要求的水轮机导叶桨叶协联关闭规律,且各指标的安全裕量分配较为合理。相关结论可为轴流转桨式水轮机的关闭规律选取和优化提供参考。     

导叶关闭规律非线性评价函数及多工况优化

基于多目标优化基本理论,建立了一种针对导叶关闭规律优化问题的非线性评价函数,并根据导叶关闭规律优化的特点,采用遗传算法建立了导叶关闭规律的多工况优化模型.运用建立的评价函数与优化模型,对某实际电站进行了导叶关闭规律优化计算,并与采用线性评价函数的优化结果进行了比较分析.采用线性评价函数优化的导叶关闭规律,机组最大速率上升值为49.4%,与控制值50%接近,安全余量仅为0.6%,但蜗壳末端最大压力头和尾水管进口最小压力头的安全余量分别为4.717和2.812 m,相对较大;采用非线性评价函数,不需要试算权系数,仅需要给定各优化目标的控制要求即可得到优化的导叶关闭规律,虽然蜗壳末端最大压力头和尾水管进口最小压力头的安全余量分别减小到2.501和1.765 m,但机组最大速率上升值为46.1%,安全余量提高到3.9%,各目标的安全余量分配比较平均.基于非线性评价函数的多工况导叶关闭规律优化得到的结果虽然对单个工况不一定是最优解,但能保证所有工况的各优化目标均能满足控制要求且安全余量分配比较平均,比单工况优化结果更符合实际控制要求.     

水泵水轮机泵工况非设计工况流态与压力脉动分析

水泵水轮机的运行稳定性对抽水蓄能机组产生极大影响,为研究不同工况下水泵水轮机内部流态及压力脉动的详细特征,针对某一模型水泵水轮机,分析2种不同导叶开度下从较小流量到较大流量的内部流动和压力脉动。结果表明,小流量下活动导叶开度小时和大流量下活动导叶开度大时压力脉动较小,瞬时扬程的波动变化也小,流动平稳;小流量下活动导叶开度大时和大流量下活动导叶开度小时受到许多低频的影响,频率成分比较复杂,压力脉动幅值较大,瞬时扬程的波动也大,内部流动紊乱。     

多能互补发电系统抽水蓄能模型及运行策略

根据多能互补发电系统的特点和作用,建立了系统中抽水蓄能的数学模型,提出了系统中抽水蓄能的运行策略,即按给定负荷运行,具体在本系统中即为按系统净负荷运行．由此提出系统中抽水蓄能的控制方式.当系统净负荷大于0时,抽水蓄能机组运行在水轮机工况,分3种情况:当系统净负荷小于水轮机工况的启动功率时,抽水蓄能机组不运行;当系统净负荷大于水轮机工况的启动功率而小于水轮机工况的额定功率时,抽水蓄能机组按净负荷功率运行在水轮机工况;当系统净负荷小于水轮机的额定功率时,抽水蓄能机组按水轮机工况的额定功率运行．当系统净负荷小于0时,抽水蓄能机组运行在水泵工况,分2种情况:当系统净负荷小于水泵工况的额定功率时,抽水蓄能机组不运行;当系统净负荷大于水泵工况的额定功率时,抽水蓄能机组按水泵工况的额定功率运行．     

超长引水隧洞上下游双调压室电站水力过渡过程计算研究

为研究长引水隧洞水电站的运行稳定性,结合巴基斯坦Neelum Jhelum水电站,建立了封闭管道不定常流动模型,给出了水轮发电机组以及阻抗式调压井的边界条件,优化了机组导叶关闭和启动规律,根据优化结果,进行了过渡过程计算分析,计算表明:选定的机组参数和导叶关闭规律既能满足引水系统在极端工况下甩负荷的要求,也能满足机组负荷调整时转速的稳定性要求,还能满足机组并网后负荷变化时对稳定性的要求,为电站引水系统的设计提供了参考依据,也为电站后期经济、安全优化运行提供了理论依据。     

多能互补发电系统的抽水蓄能机组启动过程

在以抽水蓄能为蓄能装置的多能互补发电系统中,抽水蓄能机组采用可逆式水泵水轮机机组.研究了机组在水轮机工况下和水泵工况下的启动过程特性对多能互补发电系统运行性能的影响,根据抽水蓄能过渡过程特性及可逆式水泵水轮机机组性能,建立了多能互补发电系统中抽水蓄能启动过程的数学模型.在水轮机工况下,其启动过程分为3个状态(0状态、空载状态、启动结束状态)、2个时段(从0状态到空载状态、从空载状态到启动结束状态);在水泵工况下,以关死功率为界限,分析了机组特性.由分析可知:抽水蓄能机组在水轮机工况下的空载开度及其所对应的流量可根据其飞逸特性曲线或水头特性曲线求取.在水泵工况下,当净负荷小于关死功率时机组不运行;当机组启动结束时,无论在何种工况下,如果净负荷值大于或等于额定功率,则机组均运行在额定工况下;如果净负荷值小于额定功率,则机组输出功率为净负荷值.     

考虑接力器特性的导叶关闭规律研究

为探究导叶关闭过程中接力器特性对蜗壳压力、尾水管压力及机组转速的极值与时程的影响,以国内某引水式水电站为研究对象,基于特征线法建立了水力过渡过程计算仿真模型,并在导叶关闭过程中考虑了迟滞与缓冲过程,结合真机甩负荷试验数据对模型进行验证,开展了考虑接力器特性的导叶关闭规律与未考虑接力器特性的导叶关闭规律对调保参数影响的对比分析,并对迟滞时间的敏感性进行分析.结果表明,迟滞过程主要影响机组的转速上升率,迟滞时间越长,转速上升率越大,但对蜗壳压力和尾水管压力的时程及极值影响较小;由于缓冲过程发生时间较晚,故对调保参数极值没有影响,但对导叶关闭末期后蜗壳压力与尾水管压力的时程影响较大.研究成果可为水力过渡过程导叶关闭规律的模拟仿真提供参考.     

可变速抽蓄机组运行转速对甩负荷过渡过程的影响

为了分析可变速抽水蓄能机组初始运行转速对甩负荷过渡过程调节保证参数的影响,针对可变速抽水蓄能机组的运行特点,基于一维瞬变流理论特征线法,建立了可变速抽水蓄能电站初始运行转速计算及过渡过程仿真模型,结合工程算例,分析了不同水头运行条件下机组运行转速对发电效率的影响,研究了可变速抽水蓄能机组起始运行转速变化对事故甩负荷工况水锤升压和转速上升率的影响,并解释了其原因.结果表明:可变速抽水蓄能机组在高水头和额定水头下额定出力运行时,随着初始运行转速的减小,事故甩负荷后转速最大上升率增大,水锤升压增大.其原因在于可变速抽水蓄能机组初始转速的改变造成甩负荷过程中力矩和流量变化率发生变化.研究成果可为类似工程的运行转速选取和甩负荷过渡过程调保参数优化提供参考.     

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构（固定导叶与活动导叶）及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明：转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。     

带MGV装置水泵水轮机无叶区压力脉动特性

为研究带非同步导叶(MGV)装置的水泵水轮机无叶区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流模型,针对水泵水轮机在低负荷工况下预开导叶对无叶区流动的影响,选取预开导叶分别为24,33 mm下的水轮机工况为研究对象, 并设计4种非同步导叶布置方案,通过全三维流道数值模拟分析得到机组在低负荷启动时振动的最优方案.结果表明:在预开导叶相对应位置的无叶区处,具有较大的压力脉动幅值;集中分布预开导叶对转轮振动的改善效果优于等间隔分布预开导叶方案;最终选择预开7#,8#和17#,18#这2对活动导叶组情况下对水泵水轮机机组振动的改善效果最为明显.     

改变导叶翼型对水泵水轮机“S”特性的影响

针对水泵水轮机“S”特性区域的不稳定性问题,提出使用改型活动导叶翼型进行性能提升．以某水泵水轮机模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型对水泵水轮机全流道进行三维数值计算,通过对活动导叶翼型的改型设计,得出流量-转速模拟曲线,分析水泵水轮机组“S”特性改善情况．将计算与试验结果进行对比,并对改型活动导叶翼型前后机组的无叶区进行压力脉动分析．结果表明：在保证整体效率依然保持在92%附近的前提下,新的活动导叶翼型对机组的“S”特性依旧具有改善效果;无叶区压力脉动主要是受到活动导叶叶栅区域的分流在此重新聚集影响,并且与转轮叶片的动静相互扰动引起的;改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,提升了水泵水轮机运行中的并网稳定性．     

连接引水管道的水轮机暂态过程计算

考虑水轮机工况变换过程中引水管道内瞬变流与机组内部暂态流动的相互影响,对管道瞬变流采用特征线法求解,机组内部暂态流动采用三维不可压缩流动的有限体积法求解,按照管道与机组连接处流量连续和水头平衡的原则,建立了管道瞬变流与机组内部三维暂态流动的耦合计算模型.并分别采用建立的耦合计算模型、电站常规过渡过程计算模型和常规三维流动计算模型对带有引水管道的水轮机甩负荷导叶关闭工况进行了仿真计算.结果表明:3种计算方法得到的机组压力、转速等宏观参数变化趋势一致,但采用耦合计算模型时,由于考虑了管道内水击压力的反射和叠加,导叶关闭过程中蜗壳进口的压力上升更高,机组内的压力脉动也更剧烈,能够更真实地反映动态过程中管道瞬变流与机组内部三维暂态流动的相互作用.     

水泵水轮机非同步导叶启动工况三维模拟研究

水泵水轮机低水头启动时,空载工况附近S特性明显,工况点进入后,机组宏观参数易发生振荡。为研究低水头启动工况机组快速稳定的内流机理,设置非同步导叶,引入调速器参数,通过三维模拟分析启动全过程宏观参数、压力脉动与流态的演变规律。结果表明,启动过程初期导叶同步开启,转速较小,转轮叶道内产生大范围失速涡,压力呈低频高幅值波动;转速上升过程中,流态逐渐平顺,压力脉动逐渐降低;进入调速器调节阶段后,工况点进入S区,压力脉动呈高频高幅值,而非同步导叶破坏了无叶区产生的高速水环,促使机组快速稳定。     

下迷宫压力脉动对抽水蓄能机组稳定性的影响分析

水泵水轮机组的运行稳定性对抽水蓄能电站的安全高效运行至关重要。对广蓄A厂抽水蓄能机组发电工况进行了稳定性试验,深入分析了各工况下迷宫压力脉动、顶盖振动和水导轴承摆度信号之间的关系。结果表明:转频、转轮叶片通过频率及尾水管内的低频旋转涡带是引起下迷宫压力脉动的关键频率;下迷宫压力脉动信号与顶盖振动、水导轴承摆度信号高度相干,对抽水蓄能机组水平和垂直两个方向的振摆都有重要影响。     

基于水头自适应的可逆机组导叶关闭规律研究

针对抽水蓄能电站过渡过程独特的水力特性。应用调速器的水位监控性能,实现水头的实时采集。以宁海抽水蓄能电站为例,研究了在最大水头、额定水头、最小水头下机组甩负荷后导叶关闭规律对抽水蓄能电站的过渡过程影响,通过对各水头下过渡过程分析计算。结果表明:当机组运行水头大于额定水头低于最大水头之间,宜采用延时直线关闭规律;水头低于额定水头时,宜采用简单20 s直线关闭规律,可有效改善蜗壳与尾水管压力,降低机组甩负荷时的运行风险。     

水泵水轮机泵工况轴向力特性分析与改善

水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件,水泵水轮机的轴向力特性对其运行稳定性与安全性具有主要影响。作为一种典型的立式机组,为防止抬机事故的发生,机组转轮部分需要具有向下的轴向力,但在泵工况下,该轴向力容易过大,并可能引起机组下沉。采用计算流体动力学方法,研究分析抽水蓄能水泵水轮机泵工况不同流量与活动导叶开度下的轴向力特性。研究结果表明,在泵小流量、小导叶开度、高扬程的工况下,向下的轴向力较大;采用对称布置的均压管路连接转轮上冠腔体与尾水管,轴向力变为轻微向上,扬程与水力效率无显著变化,有效解决了机组泵工况向下轴向力较大的问题,机组运行的安全性与稳定性得到了显著提高。     

水泵水轮机制动工况导叶区流动特性分析

为研究水泵水轮机在水轮机制动工况运行时导叶区域产生异常紊动的内流机理,在完成S区特性试验的基础上,基于SST k-ω湍流模型及SIMPLEC算法,对活动导叶小开度制动工况进行非定常数值计算,并与试验数据进行对比验证,对此工况下水泵水轮机导叶区域流场结构和压力脉动规律进行了全面分析.研究结果表明:固定导叶与活动导叶后均存在不同程度的尾迹结构,活动导叶后涡系结构的演变和能量转化是诱发导叶区流动不稳定的主要原因之一;活动导叶进口的复杂流动也增加了冲击损失,对导叶振动造成一定影响;对活动导叶区的压力脉动监测进一步佐证了导叶区流动的不稳定性;通过对时域特性和频域特性的分析发现其相对幅值达到了水轮机及水泵正常运行工况的3倍以上,其主频为叶频,幅值较大且属中频成分,可能引发共振效应.研究结果可为水泵水轮机设计优化提供指导意义.