抽水蓄能電站進出水口水力性能優(yōu)化

帥濤 劉偉

安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司， 安徽省六安市 ?237335

摘要：當(dāng)工程設(shè)計師首次設(shè)計用于抽水蓄能的進出水口體型時，如何在指定值內(nèi)盡可能地優(yōu)化體型以獲得更好的水力性能。通常需要使用三維數(shù)值模擬方法來優(yōu)化抽水蓄能電站進出水口的水力性能。通過模擬進出水口處的雙向流動，k-e模型用于減小松弛系數(shù)，并從流動分布和流動中獲得流場?？紤]到分布和流量分配，通過計算，比較和分析進出水口流速不均勻系數(shù)，孔口流量分配系數(shù)和水頭損失系數(shù)，最終獲得具有良好水力性能的體型，為類似優(yōu)化設(shè)計問題的參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;進出水口;水力性能優(yōu)化

與常規(guī)水力發(fā)電廠不同，抽水蓄能電站在進出水口一體化的兩個方向上運行。 進出水口的水力特性復(fù)雜，入水時容易產(chǎn)生旋渦，各通道的流速分布和灌溉分布不均勻。進出水口的水頭損失的大小與發(fā)電廠的經(jīng)濟效益直接相關(guān)，設(shè)計人員一直在研究進出水口的水力性能。計算流體動力學(xué)的進步以及計算機硬件性能的不斷提高，使得三維數(shù)值模擬越來越準(zhǔn)確，并廣泛用于水力發(fā)電廠的設(shè)計和優(yōu)化中。。

一、抽水蓄能電站概述

抽水蓄能電站利用電能在低功率負荷期間將水輸送到上部水庫，然后在高峰功率負荷期間將水排放到下部水庫以發(fā)電，也稱為蓄水電站。電網(wǎng)負載較低時，多余的電能可以在電網(wǎng)峰值處轉(zhuǎn)換為高價值電能，還適用于頻率和相位調(diào)制，可穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周期和電壓，并適用于事故備用。還可以改善系統(tǒng)中的火力發(fā)電廠以及核電站的效率。我國抽水蓄能電站的建設(shè)起步較晚，但起點較高，近年來興建的一些大型抽水蓄能電站的技術(shù)處于世界最高水平。

二、體型優(yōu)化設(shè)計

抽水蓄能電站的初步布局如下：三孔六機布局，在發(fā)電條件下額定單機流量為57.8m/s，泵模式下單機最小揚程泵流量為4876m'/。上層庫的給水口和給水口采用岸邊型，三個給水口和給水口以相同的形狀平行布置。每個入口和出口反渦旋光束部分的長度為10 m，總共有5個反渦旋光束。橫截面尺寸為1.0mx1.5m，光束間距為1.0m。設(shè)置兩個分離器對等體，將進口和出口分成三個孔?？卓诘某叽鐬?.5mx9.0m，發(fā)散墩的寬度為1.5m，每個孔的網(wǎng)狀物為5.5m。發(fā)散墩的前部是弧形曲線。擴散段的長度為0.5m，平面為雙向?qū)ΨQ擴散，總擴散角為24.212“，高度為單向擴散，頂板擴散角為4.965°。在每個擴散段內(nèi)，起始凈空為3x55× 9.0m，末端凈空4.7x6.0m，側(cè)墩，底板，支墩厚度1.5m，頂板厚度1.0m。3個支墩分為3個通道，各流路的擴散角小于10°，即使?jié)M足規(guī)格要求和推薦的設(shè)定范圍，在設(shè)計上述主體形狀時，流速分布也不均勻，流場分布也不均勻。由于缺乏光滑度，我們計劃采用三維數(shù)值模擬方法，減少工程調(diào)整量，局部優(yōu)化出入口的形狀，經(jīng)過局部調(diào)整后，優(yōu)化形狀將比較并分析液壓性能是否更好。要優(yōu)化的體型為：首先體型1，中間孔減少到5 m。其次體型2，中間孔的分流比從0.32增加到0.34，墩距尾部的距離為1.598 m。最后體型3，有三種類型將分支墩的尾部向上存儲，移動0.5d = 2.35m。

三、數(shù)值模擬

（一）控制方程

絮流代表粘性流體運動的Nsier-S1，因為它是在某些條件下的粘性流體運動的一種模式。該公式可應(yīng)用于主要流量，由于絮流運動的復(fù)雜性，在經(jīng)濟上不可能嘗試求解整個流場的所有流場細節(jié)，只有絮流的統(tǒng)計平均值才有意義。根據(jù)雷諾的時間平均方法，簡要介紹了絮流的連續(xù)性方程和動力學(xué)方程，不可壓縮流體的連續(xù)性方程下面公式。

該計算使用Launder Spalding提出的standard-c模型，這是基于求解絮動能k和絮流擴散率e的輸運方程建立的半經(jīng)驗絮流模型，絮動能k的輸運方程是從一個精確的方程式導(dǎo)出的，但是絮流擴散率e的輸運方程具有特定的近似值。在推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)k-s模型的過程中，認(rèn)為絮流被充分發(fā)展并且分子的粘度被忽略。

（二）邊界條件

在數(shù)值模擬計算過程中，僅當(dāng)各種絮流模型的控制方程確定合理的邊界條件時，才能計算流場解，該計算使用單向流動來模擬入口和出口處的雙向流動。在正常的蓄水水平下，發(fā)電條件設(shè)置為速度入口和自定義的梯度壓力出口。抽水條件是速度入口和水庫部分的自由流出計算。防滑壁沒有相應(yīng)的粗糙度。使用ke模型來減小松弛因子并反復(fù)獲得流場。自由液面采用剛性覆蓋假設(shè)，并設(shè)置使水面近似于波動較小的光滑自由面的對稱邊界條件，并將其他壁邊界設(shè)置為防滑固體壁邊界條件。

四、計算結(jié)果對比分析

（一）流速不均勻系數(shù)

通過測量進出水口的流速分布，可以判斷流速分布的均勻性。流速分布的非均勻性系數(shù)是截面中最大流速與平均流速之比，表示截面中流速分布的均勻性。通常，攔污柵門槽的流速分布應(yīng)滿足以下條件：油和水的流速分布的不均勻系數(shù)不超過1.5，發(fā)電的流速分布的不均勻系數(shù)不超過20。第1、2和3部分分別位于攔污柵的側(cè)孔、中間孔和側(cè)保持槽中。經(jīng)過比較和計算，每種體型的進出水口的流量不均勻性。當(dāng)與原始體型相比改善體型時，中孔顯示出流速增加。其中，與其他兩種體型相比，改進的體型1中孔的平均流速最大，不均勻系數(shù)最小，而體型3中孔的平均流速的增加幅度最小，但不均勻系數(shù)更高。是最大的，與縮短碼頭的方形橫截面相同。尾部與無法更好地引導(dǎo)水流通過收縮部分有關(guān)。

（二）水頭損失及水頭損失系數(shù)

進出水口的損失壓頭主要是部分損失的壓頭損失，損失頭的大小是用于測量入口和出口的流量條件的指示器。根據(jù)計算，體型2的水頭損失系數(shù)最小，受水流湍流的影響，但在擴散部分附近有局部回流，但水流模式明顯大于其他主體類型。

結(jié)語：綜上所述，本文使用三維數(shù)值模擬來優(yōu)化抽水蓄能電站進出水口體型的設(shè)計，分析各種體型的優(yōu)化水力性能，并流出不均勻性。使用孔口流量分布和壓頭損失等指標(biāo)分析流場，以評估各種形狀的水力特性。通過與原始體型的計算結(jié)果進行比較，可以得出結(jié)論，通過適當(dāng)增加導(dǎo)流墩尾部中心孔之間的距離，可以使流速分布更加均勻，并使水流擴散更加穩(wěn)定。當(dāng)工程設(shè)計人員首先執(zhí)行抽水蓄能的進出水口體型設(shè)計，然后考慮如何在指定的值范圍內(nèi)優(yōu)化體型時，這種優(yōu)化設(shè)計思想和方法就是，可以在發(fā)生類似問題時為水電工程設(shè)計人員提供一些參考。

參考文獻

[1]徐準(zhǔn)，吳時強.抽水蓄能電站側(cè)式進/出水口隔墩布置對水力特性的影響[J].水利水電科技進展，2020，40（03）：21-27+67.