抽水蓄能機組的水動力學與穩定性

隨著全球對氣候變化的關注不斷增加，許多國家紛紛采取行動，以減少碳排放并轉向更可持續的能源。目前，在我國的電力系統結構中，火電的比重偏高十分明顯，主要依賴煤炭等不可再生能源，這導致碳排放量大幅增加，并對環境造成了嚴重污染。在這一背景下，我國也提出了實施雙碳目標的承諾，即到2030 年實現碳達峰，到2060 年后實現碳中和。為實現這一目標，中國需要進行能源利用方式的轉換，其中抽水蓄能機組的重要性逐漸凸顯。

抽水蓄能技術作為一種重要的能源存儲技術，具有高效能源轉換和儲存能力，以及強大的調節能力，為可再生能源的集成和電力系統的穩定性提供重要的解決方案。隨著我國近年來經濟的快速發展，抽水蓄能電站以其獨特的靜態效益和動態效益得到了大力發展，近年來，中國加大了抽水蓄能機組的規模擴建力度，推動了多個大型抽水蓄能電站的建設。然而，運行穩定性問題是抽水蓄能項目建設面臨的最大挑戰。抽水蓄能機組運行時有多種工況，在其運行過程中工況之間時常發生轉換，轉輪內部會出現復雜的水力現象，特別是在偏工況運行條件下，水力不穩定現象突出。比如水泵水輪機經歷泵工況下的啟動或者停機時，經常進入小流量區域運行，但是在泵工況小流量區域內運行時，水泵水輪機的流量-揚程曲線存在嚴重的不穩定性。可逆式水泵水輪機是現代抽水蓄能電站中應用最為廣泛的機組類型，可以實現轉輪正轉抽水，反轉發電的雙重功能。然而，在水泵水輪機運行時，轉輪高速旋轉與靜止部件之間會產生強烈的動靜干涉現象，進而導致機組產生強烈的壓力脈動，與蝸殼中的壓力波干涉、反射、疊加而出現了某種程度的重合，產生相位共振，這些現象的最直接的表現為異常的水力噪聲和振動，產生的壓力脈動信號會在流道及蝸殼中進一步傳播，這種脈動特性是水泵水輪機機組產生振動的重要原因之一。在復雜的水壓力荷載作用下，水泵水輪機組會產生一定程度的振動，尤其是轉輪結構體與流體會產生復雜的流固耦合現象，當激勵模態與轉輪結構的固有模態相對應時，可能引發強烈的共振，進而破壞機組的安全穩定運行。

綜上所述，隨著我國雙碳目標的提出和能源利用方式的轉換，抽水蓄能機組作為能源系統的關鍵組成部分變得越來越重要。通過使用先進的數值模擬和實驗驗證方法，加大對水泵水輪機內部流動復雜性和水動力學特性的研究，分析水泵水輪機在不同工況下的內部流動特征，深入了解水泵水輪機組的內部水力特性，振動產生的條件和傳播規律，對改善抽水蓄能機組運行的穩定性至關重要。這將為優化設計、智能化控制和實時監測提供科學依據，促進抽水蓄能機組的可靠運行和有效利用。