灯泡贯流式水轮机甩负荷过渡过程仿真分析

我国较多的中小水电站都采用了灯泡贯流式机组的型式，这类机组具有水流惯性时间常数大、机组惯性时间常数小以及导桨叶双调节的特点，甩负荷过程中导桨叶处于非协联状态，特性更复杂，控制难度更大。特别是对于很多中小水电机组，汛期常因雷击造成机组甩负荷，需要较快的稳定带厂用电运行，给甩负荷过渡过程的控制提出了更高要求。建立了灯泡贯流式水轮机甩负荷过渡过程非线性模型，采用定桨特性曲线模拟水轮机特性，采用特征线法求解有压非恒定流方程，引入了调速器方程，实现了对甩负荷过渡过程的精确仿真。对实际灯泡贯流式机组甩负荷过渡过程进行了仿真计算：最大水头下机组最大转速上升值大于额定水头下机组最大转速上升值；最大水头下导叶前压力最大值大于额定水头下导叶前压力最大值；额定水头下尾水管进口最小压力值小于最大水头下尾水管进口最小压力值；额定水头下机组转速控制的超调量更大；各工况下在甩负荷初始阶段均出现明显的负水锤特征；甩75%额定负荷下机组转速最大值大于甩100%额定负荷下的值；甩75%额定负荷下导叶前最大压力值与甩100%额定负荷下的接近；甩100%额定负荷下尾水管进口最小压力值最小。通过本文的研究表明：对于灯泡贯流式水...     

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。     

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.     

基于ANN的抽水蓄能电站建模与过渡过程优化

对大型带长引水管道的抽水蓄能电站机组调节系统进行了建模与过渡过程调节参数优化的研究.依据某抽水蓄能电站的具体参数,利用Matlab/Simulink对其机组调节系统建模,其中长引水管道系统采用弹性水击模型以较准确地反映较长压力管道内的水力振动特性,然后利用BP和RBF神经网络训练水泵水轮机特性参数,以获取较精确的水轮机模型,从而避免用插值法处理密集、交叉现象严重的水泵水轮机“S”特性曲线带来的误差.基于所建立的仿真模型,引入改进正交试验法对其空载频率扰动、负荷扰动及甩负荷过渡过程进行调节参数优化.结果表明,所建立的调节系统仿真模型可以在一定程度上反映机组的实际特性,并且改进正交试验法在机组调节系统过渡过程仿真试验参数优化中取得了很好的效果.本研究对大型抽水蓄能机组调节系统建模仿真具有一定的指导意义,为实际运行中机组过渡过程优化控制提供了理论依据和技术参考.     

基于VMD的甩负荷试验尾水管压力分析及预测

目前应用于工程的抽水蓄能电站一维过渡过程计算做了近似处理,忽略了机组在过渡过程伴随的脉动压力。基于VMD算法分解现场甩负荷试验数据提取信号中的脉动项,结合一维计算对尾水管进口总压力进行了预测。结果表明:VMD算法分解出的尾水管进口压力趋势项表现为频率为零的水锤波动;脉动项集中在低频段,脉动幅值呈现与转速变化相近的趋势;结合脉动项的尾水管进口总压力预测比一维仿真预测更接近实测结果,为现场甩负荷试验分析预测提供参考依据。     

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．     

抽水蓄能机组水泵断电工况多目标优化调节

抽水蓄能机组在抽水工况遭遇断电时的水力瞬变过程对压力引水管道和电站安全稳定运行造成严重的威胁。为此,基于"一管-双机"式抽水蓄能机组数值计算模型,在满足各水力单元调保计算安全阈值和调速器油速等多重约束因素前提下,均衡考虑抽水蓄能机组运行时转速上升率和各水力单元特定节点压力上升值,建立了水泵断电工况下机组导叶关闭规律多目标优化模型。数值仿真试验与机组工程实际数据对比表明,该模型可合理优化导叶关闭方式、导叶关闭时间和拐点位置,使机组在发生水泵工况断电时转速上升率和水击压力上升值最小,且转速波动次数满足行业标准要求。     

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.     

溪洛渡水电站巨型混流式水轮机水力开发

针对溪洛渡水电站机组具有水头高、变幅大和单机容量为770 MW的巨型混流式水轮机水力开发的特殊问题展开研究.从水力稳定性控制的角度,讨论了水轮机水力开发条件,论证了额定转速、单位流量、单位转速、设计水头等4项关键水力参数和导叶相对高度、进出口转轮直径之比等2项关键几何参数的选择原则与匹配关系.并通过研究对比不同水力初设方案,分析不同设计参数可能引发的水力稳定性问题,结果表明:在巨型混流式机组的设计过程中应该选择较低的水力参数进行设计.研究结果显示,通过提高设计水头的水力优化措施既使得转轮叶片进水边背面初生空化远离了水轮机的运行范围,又改善了水轮机高水头部分负荷运行区转轮内的流道旋涡特性.最后根据模型验收试验证明了所采用的水力设计方法具有实际工程应用价值.     

大型抽水蓄能机组调节系统建模与仿真平台开发

抽水蓄能电站在电力系统中具有削峰填谷、调频调相等重要作用,水电站水力机械的事故多发生在其过渡过程中,为方便对过渡过程进行仿真分析,建立其调节系统数学模型并开发仿真平台具有重要的研究和应用价值.针对大型抽水蓄能机组调节系统建模过程中存在的困难,采用分段建模原理建立长引水系统模型,采用RBF神经网络建立水泵水轮机模型,并进行了空载频率扰动和增减负荷等试验分析.仿真结果表明,所建模型在一定程度上反映了实际机组特性.基于LabWindows/CVI虚拟仪器软件,应用ActiveX交互技术实现仿真平台与Matlab的通信,开发了所建模型相应的仿真平台,为研究人员和现场运行维护人员进行仿真测试提供了一个友好的人机交互仿真环境.     

基于正交设计的灯泡贯流式机组关闭规律优化

建立以转速升高、导叶前水压力以及轴向水推力组成的过渡过程目标函数,选取了相应的权重系数.采用适于多因素、多水平的正交设计计算法进行机组关闭规律寻优.给定导叶第一段关闭时间,以第二段关闭时间、分段点开度和桨叶关闭时间为因子,每个因子取4水平进行正交设计计算.研究表明:最佳导叶、桨叶关闭规律下,转速升高、导叶前水压力、轴向水推力以及尾水管进口压力等过渡过程品质较优化前有明显的改善.桨叶缓慢关闭能减小引水管中水击压力以及尾水管进口的真空度,可显著降低机组转速升高及轴向反推力.通过正交设计计算法可以寻求较佳的关闭规律,使灯泡贯流式机组在甩负荷时获得较好的过渡过程,对保障电站安全稳定运行具有指导意义.     

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.     

轻小型喷灌机组的运行速率与压力水头损失

为研究轻小型喷灌机组低压喷灌条件下运行速率的合理取值以及工作压力与喷灌机组压力水头损失的关系,以轻小型喷灌机组为研究对象,经过室内喷灌试验,研究了一定工作压力和流量条件下机组的运行速率、灌水定额之间的关系,并对机组的局部水头损失和沿程水头损失进行了分析.结果表明:灌水定额与轻小型喷灌机组的运行速率、工作压力有一定的关系,通过确定灌水定额,能够调制出相应的运行速率.轻小型喷灌机组卷盘车处入口压力增大,喷水车单喷头处的压力也随之增大,但是入口压力增大到一定程度后,单喷头压力的提高幅度减小,因此在机组正常工作范围内,可以通过适当降低机组的入口压力,以减少机组的压力水头损失,节省能耗,降低机组的运行成本.轻小型喷灌机组在中国有广泛的发展前景,该项研究对于中国轻小型喷灌机组的性能改良具有重要意义,为轻小型喷灌机组的发展提供参考依据.     

机组导叶关闭规律对相继甩工况的影响

针对“一洞两机”布置型式的抽水蓄能电站,基于瞬变流理论和特征线法,采用多种关闭规律对实际工程进行数值模拟;分析不同关闭规律对相继甩负荷工况时尾水进口最小压力产生影响的内在机理,得到针对尾水进口最小压力的最优关闭规律求解方法.结果表明不同关闭规律可决定尾水进口最小压力出现在先甩机组还是后甩机组工况.采取适当的先慢后快关闭规律可以使得2台机组在各自最不利时刻点的尾水进口最小压力近似相等,并优于其他关闭规律.求解该关闭规律步骤：初步选择一种两段折线关闭规律,若后甩机组尾水进口最小压力小于先甩机组的,则应将关闭规律做调整：将第1段折线斜率改小,将第2段折线斜率改大;若后甩机组尾水进口最小压力大于先甩机组的,则反之,直至2台机组尾水进口最小压力近似相等为止.     

长距离泵输水系统两阶段关闭蝶阀合理关阀程序研究

两阶段关闭蝶阀是水锤防护的重要措施之一,为了研究如何合理的确定两阶段关闭蝶阀的关阀程序,应用水锤基本理论和特征线法,结合某实际工程,对长距离有压输水管道系统在八种不同运行工况下的停泵水锤过程进行了计算,分别得到1080组两阶段关闭蝶阀的关阀程序在八种工况下管线的最小水锤压力、泵出口最大压力、倒转转速和超过额定转速的时间。计算结果表明:全部水泵停泵并不是最不利工况;不同工况下,两阶段关闭蝶阀的最优关阀程序不同,两阶段关闭蝶阀关阀程序的可行域不同且差异较大。通过对计算结果的对比分析,提出两阶段关闭蝶阀关阀程序合理的确定方法,该方法对同类工程在确定关阀程序时具有参考意义。     

并联泵站群日优化运行方案算法

提出了并联泵站群日优化运行数学模型,该模型以并联泵站群日提水费用最少为目标函数,以各时段机组叶片角或转速为决策变量.考虑站间不同工况调节方式,采用大系统二级分解-动态规划聚合法进行求解.首先以泵站日提水耗电费用最少为目标,泵站提水量的分配为协调变量,将该模型分解成若干个泵站多机组日优化运行一级子模型;再以单机组日提水耗电费用最少为目标,机组提水量的分配为协调变量,将一级子模型分解为若干个单机组日优化运行二级子模型.该二级子模型以机组叶片安放角或机组转速为决策变量,机组提水量的离散值为状态变量,采用动态规划方法求解.构造的聚合模型以各机组提水量为决策变量,并联泵站群提水量的离散值为状态变量,同样采用动态规划方法求解.该方法可以解决不同工况调节方式、不同时段划分及不同日均扬程下并联泵站群的日优化运行问题.以淮阴一、三站并联运行为例,作了日优化运行计算,结果表明：各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用,较定角恒速运行分别平均节约10.53%,26.54%,34.40%.     

基于DPSA方法的江都四站单机组优化运行

提出了考虑峰谷电价与水位变幅等因素的水泵叶片全调节与变频变速组合优化（以下简称组合优化）运行的动态规划数学模型,以日开机运行总耗电费用最小为目标函数,各时段水泵开机的叶片安放角和机组转速为决策变量,规定时段内抽水总量为约束条件,通过动态规划逐次逼近法（即DPSA）确定最优解.以江都四站为例,对单机组组合优化运行与定桨恒速运行进行了比较分析.结果表明,在典型潮位过程（12月至2月份平均潮位过程）,设计日均扬程（7.8~3.8 m）,机组以100%,80%和60%总水量（机组额定运行时的水量）作为约束时,组合运行优化结果与定桨恒速运行相比,考虑峰谷电价时可节省电费0.99%~35.00%,不考虑峰谷电价时可节省电费0.26%~17.23%.优化效果良好,为南水北调泵站优化运行提供了新的思路.     

高比转数离心泵空化状态下的压力脉动特性

通过相似变换得到高比转数离心泵缩小模型,并通过试验和数值模拟发现模型泵和设计泵的性能曲线相近,可代替设计泵进行试验研究.基于RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLEC方法求解不可压缩时均方程,通过对离心泵内部流场进行定常和非定常数值模拟,得到不同工况点的外特性、汽蚀及压力脉动特性.并通过模拟结果和试验结果的对比,验证了模拟的准确性.通过模拟发现,额定流量下隔舌处的压力脉动幅值最大;不同工况下各检测点的压力脉动主频均为叶频;隔舌压力脉动最大,进口压力脉动最小.额定工况下压力脉动幅值最小,非设计工况下压力脉动幅值明显增大;通过对空化不同阶段的瞬态数值模拟,发现从未空化到严重空化,不同工况下隔舌和出口处的压力脉动变换规律相同,随着空化发展压力脉动幅值降低,且脉动主频均为叶频;并且随着空化程度加剧,压力脉动高频成分增多,各监测点主频下降明显,并可将此作为判定空化初生的依据.