混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求。该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外特性数据辨识水轮机结构参数,计算边界条件;然后针对不同区域的特点,提出不同拟合方法得到各区的特性曲线;最后对分区界线两侧拟合结果进行平滑连接,形成完整的可用于仿真分析的混流式水轮机特性曲线。对某水轮机进行实例分析,与典型外特性法和内特性法的对比表明,本文方法既保证了外特性试验数据处的拟合精度,又能反映水轮机的水力特性;与典型外特性法进行过渡过程实测反演对比可知,本文所提方法将最大蜗壳压力的相对误差从2.03%降至1.69%,小开度工况下区域平均蜗壳压力的相对误差从3.48%降至1.47%,动态过程时域响应更接近实测结果。本文特性曲线处理方法有利于提高过渡过程计算精度,也可为类似叶片式农业机械的设计及特性曲线处理提供参考。     

水轮机调速器功率调节模式下负荷调节过渡过程稳定性研究

作为电力系统中调峰调频的骨干电源,水电机组负荷调节过渡过程稳定性对电网安全运行及源网协调意义重大。该文采用理论分析及数值仿真的方法对水轮机调速器功率模式下负荷调节过渡过程的稳定性进行了深入分析,得出了以调速器参数为变量的机组运行稳定域,并推导出满足稳定性的判别式。分析了水流惯性、接力器响应特性以及水轮机特性对稳定域的影响,得出水流惯性不利于系统的稳定,而接力器响应特性对系统稳定性有利,及水轮机特性最不利工况为水轮机综合特性系数与水轮机传递系数ey乘积值最大处。该文的研究成果能够准确地找到负荷调节稳定性的最不利工况,有效的指导水轮机调速器功率模式下参数整定,保障水电机组的稳定运行。     

混流式水轮机内特性模型改进及在外特性曲线拓展中的应用

混流式水轮机综合特性曲线反映了水轮机高效率区域的特性,但不满足水轮机大范围内过渡过程仿真需求,在仿真前需要对水轮机低效率及负效率区域的特性进行拓展。目前常用的拓展方法其原理均是根据水轮机综合特性曲线中各参数的变化趋势并结合飞逸特性曲线等约束进行的拓展,没能充分考虑水轮机内在规律,拓展结果过度依赖个人经验,具有较大的随意性。该文通过分析水轮机各部件的能量损失建立了水轮机能量平衡关系式,结合流量调节方程对水轮机内特性模型进行了改进。针对改进后的内特性模型特点设计了一种遗传算法与最小二乘法相结合的参数辨识方法,采用水轮机综合特性曲线及飞逸特性曲线对模型参数进行了辨识,采用辨识后的水轮机模型绘制了较大范围的水轮机特性曲线并与实测特性曲线进行了比对,并结合实测结果对误差来源及误差对过渡过程影响进行了分析。结果表明改进后的混流式水轮机内特性模型能够正确描述水轮机特性,采用最小二乘法与遗传算法相结合的方法能够辨识模型中的参数,将该模型应用在水轮机外特性曲线拓展及过渡过程仿真中,机组过渡过程中最大转速上升率相对误差从2.11%降低到0.54%,最大压力上升率相对误差从10.70%降低到9.52%,说明该模型能够减小仿真误差、减小传统方法中对个人经验的依赖,对过渡过程计算提供了参考。     

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡...     

可逆式水泵水轮机“S”形区域内部流场特性分析

抽水蓄能电站在现代社会中发挥着越来越重要的作用,也是衡量一个国家能源利用效率和清洁能源使用率的重要指标,但其装设的可逆式水泵水轮机全特性曲线上的"S"形区域,给机组的稳定运行带来了巨大的挑战,会出现启动成功率低、工况转换和并网困难等一系列问题,致使难以最大程度的发挥抽水蓄能电站的作用。该文以宝泉抽水蓄能电站的1#水泵水轮机为研究对象,通过"S"形曲线的试验值和计算值的对比,证明了通过CFD计算确能反映机组"S"特性的基本特征;通过对2个开度下4个工况的数值计算,分析了蜗壳与固定导叶、活动导叶与转轮以及尾水管内的流线分布情况;通过对10个导叶开度下飞逸工况的数值计算,对比分析了水头变化与"S"特性之间的关系;基本掌握了机组内部流道流态的变化趋势和规律,指出了涡流造成的流道拥塞是形成"S"特性的重要原因;说明了可通过后期干预和改善水力设计来消除或减小"S"特性的影响,并分析了两者各自的特点;提出了当前可行的运行建议,为机组的稳定运行和"S"特性的深入研究提供了技术支持。     

基于转轮进口水流角的贯流水轮机最优工况应用

贯流式水轮机是农村小水电电网中的重要组成部分,其低水头、大流量的特点,易导致电站机组效率低下、出力降低。而贯流式水轮机运行中的最优运行问题很少引起学者关注,目前最优工况的研究仅仅局限于某点或线。该文从转轮水力损失的角度,理论上分析了影响贯流式水轮机效率的翼型阻力损失、端部损失与撞击损失,依据现场实际导叶与桨叶翼型,在定水头、定桨叶方式下,通过改变转轮进口水流角,对转轮进、出口速度三角形进行计算,从能量角度,进行工况优化,得到转轮10°工况下导叶在53.9°~58.8°的最优特性区域,效率可提高约3%~8%。利用数值仿真技术,对其工况做相应的数值仿真,并进行流场分析,在此基础上,进行真机试验,结果与理论分析相符,与数值仿真计算的误差小于2%,采用此方法对电站机组的全工况进行了计算,全工况范围内进行区域工况优化,得到转轮在7°~42°,导叶在0~78°的最优特性曲线,通过一段时间运行,数据显示机组的能量特性与稳定性效果比较理想。     

水泵水轮机甩负荷过程流动诱导噪声数值模拟

为研究水泵水轮机甩负荷过程压力脉动特性及其流动诱导噪声,该文基于网格壁面滑行技术和DES湍流模型,对水泵水轮机发电工况下导叶关闭过程进行连续性模拟,并将流场叶片表面压力脉动信号作为声场流动诱导噪声计算声源,通过对压力脉动特性和流动诱导噪声分析得到：导叶进出口处2个无叶区内压力脉动主频位置均在叶频为斯特劳哈尔数等于0.051与1处,导叶出口处频谱值是进口处10倍之上,说明动动干涉对流态的影响强于动静干涉;当尾水管内出现2个反向旋壁涡带时,压力脉动最强烈且其幅值最大。声场分析结果表明外场噪声的主频由压力脉动主频与壳体固有频率综合决定,声压分布具有"∞"形式的指向形态,且各阶叶频处声压分布呈现出明显的对称性,说明叶片噪声辐射具有明显的偶极子特性;在一阶、二阶叶频处,导叶关闭前一半阶段,流量对于外场噪声辐射能力的影响表现为大流量工况下最强,小流量工况下最弱,导叶关闭后一半阶段正好相反。     

灯泡贯流式水轮机增减负荷动态特性分析

水轮机频繁经历变负荷工况转换过程,使得机组在较短时间内工作参数急剧变化,严重影响电站稳定运行。该研究以某贯流式水轮机为研究对象,在考虑自由液面和水体重力的情况下,采用动网格技术对贯流式水轮机相同出力范围下的减、增负荷过渡过程的动态特性进行分析。研究结果表明：由于增负荷和减负荷过渡过程的起始工况导致起始流动状态不同,因此在相同出力时,机组内的流动分布不同,减负荷过程尾水管内的涡流面积及强度明显小于增负荷工况,且尾水管涡带尺度也明显小于增负荷过程;相比于增负荷过程,减负荷过程中转轮叶片大范围的低压区极易引发空化;机组内的水压力脉动主要以尾水管涡带引起的0.1fn(fn为转频)低频压力脉动和转轮的旋转引起3fn的高频压力脉动为主,增负荷过程的压力脉动幅值明显大于减负荷过程,两种压力脉动共同作用,使得贯流式水轮机主要振动区域集中于转轮。研究结果对贯流式水轮机的设计与运行具有一定的指导意义。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

抽水蓄能机组甩负荷试验时尾水锥管压力

抽水蓄能机组水力调节过渡过程计算控制核心要求之一是尾水锥管压力不超过设计值。设计值是根据水力过渡过程理论的一维数值模拟"计算值"加上一定"压力脉动修正"量和 "计算误差"后计算获得。长期以来，尾水锥管压力计算值与尾水锥管压力测量值之间仍存在一定偏差，导致采用实测数据对计算结果进行评判时不能得到合理的解释与评价。为解决调节保证计算与试验验证之间的分歧，该研究对调节保证计算时尾水锥管压力最小值含义进行了阐释，梳理了调节保证计算与试验中涉及尾水锥管压力的相关国内标准。在此基础上，以洪屏抽水蓄能电站调试阶段四台机组甩额定负荷时的实测尾水锥管压力为研究对象，首先分析了压力测点的测量条件，采用短时傅里叶变换进行频率特性分析，验证了测试数据的有效性；其次采用Savitzky-Golay滤波器分离出了表征一维数值模拟断面平均压力计算值的压力趋势与表征流动复杂性的压力脉动，针对压力脉动项研究了峰峰值与时长的关系并获得了压力脉动项最大峰峰值，验证了趋势项与一维数值模拟之间的一致性；随后采用压力脉动项最大峰峰值对数值模拟和实测压力趋势项极值进行修正；最后总结形成了尾水锥管压力调节保证设计值的修正流程。案例研究表明：采用截止频率为0.1～0.2倍转频的低通滤波器可以有效分离出与一维数值模拟一致的尾水锥管压力趋势项；采用3～4个旋转周期数对应的压力脉动数据进行分析可以获得压力脉动项的最大峰峰值；利用压力脉动最大峰峰值对一维数值模拟极值进行修正能够实现调节保证的有效设计与验证。该研究为抽水蓄能机组调节保证设计与验证提供了有效支撑。     

孤网下水轮机PID调速器抗速度饱和研究

水轮机调节系统稳定性对电网安全稳定运行具有重要意义,当电网容量较小或因事故处于孤网运行时,水轮机调节系统的作用显得尤为突出,但国内外多个水电站均出现了随负载扰动幅值增加系统调节品质迅速下降甚至发生频率发散振荡的现象。该文考虑调速器接力器速度限制等非线性因素,建立了水轮机调节系统仿真模型,在5%负载扰动下整定了调速器参数,当负载扰动幅值从5%增加至10%时衰减度从2.52%增加至8.84%,当负载扰动幅值增加至15%时系统调节过程发散,重现了孤网下水电机组随负载扰动幅值增加系统稳定性下降的现象,经过分析发现引起这一问题的主要原因是PID调速器的速度饱和,主要体现为接力器速度限制引起的比例项和积分项速度饱和。针对此问题,提出了1种抗速度饱和的微分优先型PID调节器,经改进后,负载扰动幅值分别为5%、10%以及15%时,衰减度分别为2.52%、2.19%以及1.79%,随负载扰动幅值增加系统稳定性无明显变化,表明改进调节器能够有效抑制调速器的速度饱和,大大降低了调节品质对负载扰动幅值的敏感性,并将该调节器应用在多布水电站的中,得到了满意的效果,该方法进一步完善了水轮机调速器的控制算法,具有重要的理论指导意义和工程应用价值。     

水轮机槽道内导叶动态绕流水力特性大涡模拟分析

为进一步探索水轮机导叶在调节过程中产生强瞬变流时水流和导叶间的非线性流固耦合机理,该文基于大涡模拟和二维瞬态N-S方程,应用ANSYS FLUENT软件中的任意拉格朗日-欧拉动网格技术和非迭代时间推进格式对槽道内导叶的关闭运动过程进行数值模拟,研究导叶绕流后的流场动态变化水力特性及涡激振动特性。结果表明:导叶关闭过程中槽道内的压力场、速度场、涡量场呈现出明显的非定常特征;卡门涡频率约为水轮机转轮转频的0.3倍,极易诱发低频压力脉动,随着关闭时刻的结束导叶后尾迹涡形态呈现出明显的卡门涡脱落过程;关闭过程中转动导叶的升、阻力系数随时间表现出非线性动力响应特征。揭示了低频压力振荡的产生与导叶调节关闭动作后导叶尾部的卡门涡列有关,卡门涡列诱发的非线性流激振动是影响水轮机水力稳定性和上游管道系统水力共振的主要因素。该方法可为有效模拟水力机械瞬态非线性流固耦合问题提供参考。     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

柴油机瞬态VNT开度优化研究

瞬态工况下,可变喷嘴涡轮增压器(Variable Nozzle Turbocharger,VNT)开度的调节对柴油机增压压力、扭矩响应及污染物排放具有较大影响。为优化瞬态工况下VNT开度,实现瞬态工况下柴油机与VNT的协调控制,该研究以配备VNT的高压共轨柴油机为对象,通过台架试验研究了不同转速下负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%和100%时,不同VNT开度对柴油机瞬态性能及排放的影响。结果表明:2 000 r/min下,负荷1、3和5 s从0瞬变至50%、75%、100%的过程中,VNT开度对负荷1 s瞬变工况的影响比3和5 s明显;随着VNT开度减小,增压压力响应时间逐渐缩短,扭矩响应时间先减小后增大。1 600、2 000和2 600 r/min下,负荷1 s从0瞬变至75%的过程中,NOx体积分数先增大后减小,然后再逐渐增大趋于稳定;颗粒物数量(PN)峰值随VNT开度的减小而增大。综合考虑柴油机瞬态响应和排放,对全工况范围下柴油机的VNT开度控制进行优化,获得了柴油机瞬态工况下的优化VNT开度协调控制方案,并进行WHTC循环试验,结果表明:与原机相比,冷、热态下WHTC循环扭矩回归线的截距分别下降0.03和0.37,标准偏差分别下降0.11和1.07;WHTC冷、热态循环NOx比排放与原机相比分别下降7.59%和2.21%;颗粒物排放量(PM)下降8.64%和25.28%;PN下降6.74%和12.4%。研究结果可为柴油机瞬态工况下VNT的协调控制提供参考。