可逆式水泵水輪機(jī)內(nèi)流研究綜述

毛秀麗，陸家豪，劉寶熙，王 博

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710000)

國家“十三五”規(guī)劃中，在能源和電力規(guī)劃方面強(qiáng)調(diào)加快抽水蓄能電站建設(shè)，到2020年我國抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模將超過7 000萬kW[1-2]。當(dāng)前階段，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定為主要功能，同時發(fā)揮調(diào)峰填谷、提供消納新能源儲能等綜合功能[3-4]?；谀壳八盟啓C(jī)向大容量、高水頭、高轉(zhuǎn)速發(fā)展，國內(nèi)外抽水蓄能電站普遍采用可逆式水泵水輪機(jī)[5-6](見圖1)，據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)有抽水蓄能電站配置可逆式機(jī)組承擔(dān)電力超過740萬kW[7]。

可逆式機(jī)組包含水泵水輪機(jī)和電動發(fā)電機(jī)，其中水泵水輪機(jī)需要根據(jù)電網(wǎng)需求工作在抽水工況和發(fā)電工況(水泵和水輪機(jī)工況下轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向正好相反)。水泵水輪機(jī)常見的型式有混流式、斜流式和貫流式，各自適用水頭/揚(yáng)程范圍有所不同?；炝魇阶鳛閼?yīng)用最為廣泛的水泵水輪機(jī)機(jī)型，其與斜流式常用于大中型抽水蓄能電站[8-9]，而貫流式在潮汐能電站中常見。除設(shè)計型水泵水輪機(jī)外，實際工程中部分泵站機(jī)組諸如離心泵、軸流泵等反轉(zhuǎn)運行，這類水泵水輪機(jī)應(yīng)用并不廣泛，但卻有重要的科學(xué)研究意義[10-11]。

1-上水庫，2-引水道，3-上游調(diào)壓室，4-壓力管道，5-蝸殼，6-水泵水輪機(jī)，7-尾水管，8-尾水調(diào)壓室，9-尾水道，10-下水庫

水泵水輪機(jī)系統(tǒng)由于啟停機(jī)頻繁，諸如大幅度增減負(fù)荷、事故甩負(fù)荷、以及發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相等工況轉(zhuǎn)換過程多變復(fù)雜[12-13]，當(dāng)下幾乎投運的所有抽水蓄能電站機(jī)組均存在不同程度的噪聲、振動、部件使用壽命達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等各類動力學(xué)問題[14-15]?，F(xiàn)有水泵水輪機(jī)在典型工況及過渡過程階段運行時，出現(xiàn)壓力脈動、振動異常、擺度超標(biāo)、抬機(jī)、掃膛等現(xiàn)象屢見不鮮，主要原因可歸結(jié)于機(jī)組內(nèi)流場的瞬態(tài)特性[16-17]。為了滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)度的支配，水泵水輪機(jī)需要能夠在四象限的全特性范圍瞬態(tài)過程運行并頻繁切換。系統(tǒng)在瞬態(tài)工況切換過渡過程極易出現(xiàn)以多重耦合方式傳輸和轉(zhuǎn)換瞬態(tài)能量，引起系統(tǒng)出力和轉(zhuǎn)速的強(qiáng)烈擺動，觸發(fā)水、機(jī)和電的強(qiáng)烈耦合，導(dǎo)致機(jī)組不能及時并網(wǎng)運行[12-13]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

抽水蓄能技術(shù)的發(fā)展響應(yīng)世界各國能源戰(zhàn)略，特別是為傳統(tǒng)能源與新能源的協(xié)調(diào)與智能發(fā)展保駕護(hù)航[7,18-19]。國內(nèi)外學(xué)者針對抽水蓄能電站穩(wěn)定運行開展了一系列的相關(guān)研究[20-22]，主要目的在于針對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及危險工況能夠進(jìn)行預(yù)測，從而為管道結(jié)構(gòu)布置、機(jī)組設(shè)計參數(shù)選擇，機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)選擇，減弱觸發(fā)水、機(jī)和電強(qiáng)烈耦合影響的措施，以及應(yīng)對系統(tǒng)出力和轉(zhuǎn)速強(qiáng)烈擺動等提供一定的依據(jù)[23-24]。對于抽水蓄能電站水力過渡過程數(shù)值仿真計算主要是一維特征線法為基礎(chǔ)的研究，其基本理論是水擊基本連續(xù)方程與運動方程以及特征線法，結(jié)合引水發(fā)電系統(tǒng)的各部件數(shù)學(xué)模型及邊界條件，對大波動過渡過程、小波動過渡過程以及水力干擾過渡過程進(jìn)行分析與計算。這一計算理論能夠從一定程度上滿足常規(guī)電站水力機(jī)械過渡過程的需要，并得到各調(diào)保參數(shù)，以及驗證過渡過程能否安全和平穩(wěn)地進(jìn)行[12,25]。此外，由于特性曲線難以用數(shù)學(xué)方程精確地表達(dá)且方程個數(shù)較多，常用的求解方法是假定待求工況點在特性曲線上某一段折線內(nèi)，將折線段方程代入機(jī)組其它方程中[26]。目前對水泵水輪機(jī)內(nèi)流場穩(wěn)定性研究主要方向可大致分為以下兩類:

1.1 水泵水輪機(jī)內(nèi)流場演變研究

(1) 求解方法：水泵水輪機(jī)內(nèi)流場求解常用SA、k-ε和k-ω兩方程模型、SST、LES及DES等湍流模型，上述模型基于各自優(yōu)缺點適用范圍不同[27-29]。DES 模型能夠?qū)τ?LES計算足夠精細(xì)的區(qū)域切換到亞格子尺度公式，而對于靠近邊界區(qū)域與湍流長度尺度小于最大網(wǎng)格尺寸的區(qū)域，均和RANS模型處理方式相同，從而DES模型被廣泛的用于求解水力機(jī)械復(fù)雜流場[29-31]?；谒盟啓C(jī)實況研究問題對CFD流場求解湍流模型進(jìn)行改進(jìn)，形象描繪流體流動特征及發(fā)展規(guī)律是水力機(jī)械行業(yè)的重點研究方向[32-33]。此外，針對流體水質(zhì)引入多相流模型、可壓縮流體模型、空化模型、轉(zhuǎn)捩模型等對流道內(nèi)空腔生成、發(fā)展、潰滅以及反水擊等現(xiàn)象探討，得到運用上述綜合模型數(shù)值模擬誤差小于純粹性流場求解計算結(jié)果誤差，從而更好的反映內(nèi)流道結(jié)構(gòu)[4,15]。同時諸如動網(wǎng)格技術(shù)、遺傳算法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了數(shù)值模擬的真實性[34-35]，其中圖2為網(wǎng)格壁面滑行技術(shù)在某水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程中的應(yīng)用。

(2)工況研究：水泵水輪機(jī)穩(wěn)態(tài)工況包含抽水工況及發(fā)電工況，其相當(dāng)于常規(guī)水泵、水輪機(jī)運行，機(jī)組穩(wěn)態(tài)內(nèi)流場不會引起系統(tǒng)的外部不穩(wěn)定現(xiàn)象。然而，對于單機(jī)組諸如啟停機(jī)、甩負(fù)荷、增減負(fù)荷、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相、水泵突然斷電等暫態(tài)工況則極易導(dǎo)致系統(tǒng)運行安全問題[36-38]。水泵水輪機(jī)在典型工況過渡過程區(qū)運行時，內(nèi)部瞬態(tài)流場是導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象的直接原因[39-40]?；跀?shù)值模擬、實驗輔助及理論分析相結(jié)合的研究方式，探索水泵水輪機(jī)“S”特性區(qū)、駝峰區(qū)內(nèi)流瞬態(tài)特性廣受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[41-42]。提取諸如湍流強(qiáng)度、渦流尺度、壓力、流量、出力等特征信號，并結(jié)合流動分離、動靜干涉、工況變遷回流、葉間旋流等流場現(xiàn)象，以表征水泵水輪機(jī)內(nèi)流運動特征和演變規(guī)律[43],圖3所示即為某水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程出水管道流態(tài)變化歷程[44]。上述成果不僅對流體動力學(xué)應(yīng)用型研究意義重大，而且具有較高的理論價值和實踐指導(dǎo)意義。

圖2 網(wǎng)格壁面滑移技術(shù)在某水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程應(yīng)用中網(wǎng)格質(zhì)量[35]

圖3 某水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程出水管道流態(tài)變化歷程[44](黑色大箭頭表示流向，A區(qū)間為相反流向水流形成的空流區(qū)域)

1.2 水泵水輪機(jī)內(nèi)流對系統(tǒng)外特性的影響

水泵水輪機(jī)非穩(wěn)態(tài)流場對系統(tǒng)外特性的影響主要表現(xiàn)為振動和噪聲兩個方面，由于條件限制，該方面研究相對較少。

(1) 振動方面。研究方法主要為數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)或現(xiàn)場實測結(jié)果相結(jié)合，運用自適應(yīng)濾波函數(shù)等方法處理諸如軸承、軸振動類采集信號，從而分析內(nèi)流變化對機(jī)組結(jié)構(gòu)的影響,并以此為依據(jù)優(yōu)化水泵水輪機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)以改善系統(tǒng)不穩(wěn)定性[45-47]?；谒畡恿W(xué)理論與結(jié)構(gòu)振動理論，經(jīng)由時、頻域提煉分析特征參量，探討流場參量脈動主頻與各過流部件固有頻率的關(guān)聯(lián)性，盡可能避免出現(xiàn)抬機(jī)、掃膛等事故[13,24]?；煦缋碚摰囊虢⒘讼盗锌刂颇Ｐ?，機(jī)組與軸系，水錘影響與電機(jī)非線性特征，全局敏感性分析及結(jié)構(gòu)振動不確定因素影響[48-50]，上述非線性模型為工況切換過渡過程引起的水、機(jī)電強(qiáng)烈耦合效應(yīng)全局性研究奠定了基礎(chǔ)，然而其實際應(yīng)用性及普適性有待進(jìn)一步研究。此外，結(jié)合預(yù)開導(dǎo)葉方式、變速控制模式、機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)優(yōu)化等的研究，從工程角度不同程度的提高了水泵水輪機(jī)運行穩(wěn)定性，然而該方面的研究深度有待加強(qiáng)，需要進(jìn)一步探索[51-53]。尤其對于工況切換過渡過程引起的水、機(jī)電強(qiáng)烈耦合激振，暫時未有較好的全局應(yīng)對措施。

(2) 噪聲方面。目前對于水力機(jī)械噪聲方面的探討較為罕見，主要原因是實際電站噪聲影響因素繁多且無法定性計算[54]?，F(xiàn)有噪聲研究集中于流動誘導(dǎo)噪聲，且主要研究方法為假設(shè)邊界封閉前提的聲場模擬[55-56]。相關(guān)學(xué)者針對水力機(jī)械流動誘導(dǎo)噪聲開展了系列性研究，均在定導(dǎo)葉工況下分析給出了聲場與流場相關(guān)參量之間初步關(guān)聯(lián)性[57-59]。對于水泵水輪機(jī)瞬態(tài)過程流動誘導(dǎo)噪聲目前鮮見相關(guān)成果發(fā)表，先前階段作者對比分析某水泵水輪機(jī)持續(xù)甩負(fù)荷過程與各定導(dǎo)葉工況流動誘導(dǎo)噪聲特性，圖4為其在一階二階葉頻下噪聲指向性分布[44]。上述局限于流動誘導(dǎo)噪聲的研究工作為后續(xù)機(jī)組噪聲相關(guān)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

綜上所述，近年來水泵水輪機(jī)工況切換過渡過程及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性研究已成為國際上研究的熱點。但是由于機(jī)組內(nèi)流場瞬態(tài)特性和水、機(jī)與電之間相互干擾的復(fù)雜性，目前對水泵水輪機(jī)有效的分析方法和機(jī)理研究有一些初步成果，但未形成內(nèi)流演變特征與機(jī)架振動、軸承擺度及水壓脈動等系統(tǒng)不穩(wěn)定性之間的理論機(jī)制。由于條件與現(xiàn)有技術(shù)的限制，相關(guān)試驗研究較少。主要存在的不足可概括為以下兩個方面：

(1) 針對抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值計算，但注重于機(jī)組段，少有對從上水庫至下水庫包含機(jī)組段的全流道水動力學(xué)問題進(jìn)行分析，機(jī)組運行在瞬態(tài)過程不穩(wěn)定流場演變機(jī)理亟待深入研究。

(2) 針對水泵水輪機(jī)運行穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，但側(cè)重于某些典型工況，對于工況切換過程引起的系統(tǒng)外特性研究偏少，且未形成指導(dǎo)方案設(shè)計理論，以及內(nèi)流場和系統(tǒng)協(xié)同性之間的明確關(guān)系。

圖4 一階二階葉頻下某水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程噪聲指向性分布[44]

2 展 望

對水泵水輪機(jī)典型工況切換過程內(nèi)流瞬態(tài)特性進(jìn)行研究，不僅能夠提高電站運行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，而且有助于提升電力系統(tǒng)安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)運行水平，更是高效利用清潔能源和電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)智能發(fā)展的需要。然而對于水泵水輪機(jī)瞬態(tài)過程誘發(fā)穩(wěn)定性問題少有相關(guān)理論方面的研究，難以從理論上對事故、故障現(xiàn)象做出解釋[23,60]。同時由于缺乏理論上的指導(dǎo)，對待抽水蓄能電站發(fā)生事故、故障現(xiàn)象全憑經(jīng)驗處置，一方面盲目性大，另一方面也會誘發(fā)人為的二次故障或事故[61-62]。因此，對水泵水輪機(jī)典型工況切換過程內(nèi)流不穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行研究，不僅是學(xué)科發(fā)展的需要，亦對解決工程實際問題具有重要的指導(dǎo)意義。

基于工程實況需求與學(xué)科發(fā)展需要，針對水泵水輪機(jī)典型工況切換過渡過程，綜合水力動力學(xué)和機(jī)組多工況運行設(shè)計等理論，需要進(jìn)一步深入研究機(jī)組內(nèi)流發(fā)展。諸如: (1) 探究流場特征參數(shù)間的本質(zhì)規(guī)律和相互聯(lián)系以描述內(nèi)流演變規(guī)律，并揭示機(jī)組瞬態(tài)過程不穩(wěn)定性動力學(xué)機(jī)理；(2) 分析內(nèi)流場湍流結(jié)構(gòu)特征對機(jī)組外特性產(chǎn)生的影響，嘗試建立流場特征與系統(tǒng)外部運行指標(biāo)之間非線性混雜概率模型；(3) 實現(xiàn)抽水蓄能電站出力和轉(zhuǎn)速擺動，水、機(jī)和電耦合等不良現(xiàn)象的預(yù)防和預(yù)測計算等研究，不僅具有重要理論價值的科學(xué)探索，并具有重大的工程實際意義。