抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程內(nèi)部流場(chǎng)分析

楊小龍,王煥茂,林 愷,靳發(fā)業(yè),雷興春,畢慧麗,羅永要

(1.南方電網(wǎng)儲(chǔ)能股份有限公司,廣州 510630;2.水力發(fā)電設(shè)備全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司),哈爾濱 150040;3.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040;4.哈爾濱大電機(jī)研究所,哈爾濱 150040;5.水圈科學(xué)與水利工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)),北京 100084;6.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系,北京 100084)

0 前言

根據(jù)《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》的要求,到2025年,抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模6200 萬千瓦以上;到2030年,投產(chǎn)總規(guī)模1.2 億千瓦左右;到2035年,形成滿足新能源高比例大規(guī)模發(fā)展需求的,技術(shù)先進(jìn)、管理優(yōu)質(zhì)、國際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的抽水蓄能現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)。由此可見,抽水蓄能電站在保障國家電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面起到關(guān)鍵性作用[1-2]。

蓄能機(jī)組是現(xiàn)代抽水蓄能電站中廣泛使用的一種能量轉(zhuǎn)換裝置,具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和黑啟動(dòng)等多種功能[3-4]。還具有4 個(gè)主象限的可逆能力,有正負(fù)流速、軸扭矩和旋轉(zhuǎn)方向的不同組合。主要有8 種典型模式,包括泵模式、水輪機(jī)模式、反轉(zhuǎn)泵模式、反轉(zhuǎn)水輪機(jī)模式和4 種制動(dòng)模式[5-8]。其中,該機(jī)組的水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程最為復(fù)雜多變[9-13]。據(jù)報(bào)道,蓄能機(jī)組一天之內(nèi)的啟停次數(shù)多達(dá)數(shù)十次以上[14-15]。近兩年,抽水、發(fā)電更是由原來的“一抽兩發(fā)” 變?yōu)榱恕皟沙閮砂l(fā)或三發(fā)”,機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)和輔助服務(wù)次數(shù)逐年增多。在水輪機(jī)啟動(dòng)過程中,影響因素多,容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)、壓力脈動(dòng)和水錘等現(xiàn)象[16]。對(duì)于啟動(dòng)過程的研究,國內(nèi)外學(xué)者主要集中在模型試驗(yàn)方面[17]。而近些年,隨著CFD 技術(shù)的飛速發(fā)展,運(yùn)用數(shù)值模擬的方式來研究水泵水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)部的流動(dòng)特性正成為重要的研究手段[18-19]。而對(duì)于邊界條件的設(shè)置,將直接決定模擬結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性。本文將采用一維管路和三維機(jī)組計(jì)算相結(jié)合的方式來更為準(zhǔn)確地設(shè)置機(jī)組的邊界條件[20-21],從而得到機(jī)組內(nèi)部流動(dòng)特征和外特性曲線。

本文對(duì)于研究抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況下啟動(dòng)過程中內(nèi)部流態(tài)和流動(dòng)特征具有參考價(jià)值,同時(shí)對(duì)于提高水輪機(jī)工況的啟動(dòng)穩(wěn)定性具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 研究對(duì)象

機(jī)組全流道三維模型如圖1所示,除蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管外,建模過程中還考慮了機(jī)組靜止部件與轉(zhuǎn)輪間的間隙流動(dòng),以及用于平衡間隙內(nèi)壓力的均壓管。本文考慮間隙和均壓管的結(jié)構(gòu),有利于更加準(zhǔn)確地捕捉葉輪進(jìn)口處和尾水管進(jìn)口處的壓力分布特征。該機(jī)組的主要幾何參數(shù)見表1。

表1 蓄能機(jī)組主要參數(shù)

圖1 原型水泵水輪機(jī)流域示意圖

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

本研究采用商業(yè)軟件ANSYS CFX 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,把整體機(jī)組的全流道劃分為以下幾個(gè)部分計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分:蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管、間隙和均壓管。通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)機(jī)組的整體網(wǎng)格數(shù)量超過300 萬后,機(jī)組的效率η逐漸變得穩(wěn)定,并且相對(duì)誤差小于0.05%,如圖2所示。因此,在本文中選擇310 萬的網(wǎng)格數(shù)量作為最終網(wǎng)格方案。對(duì)近壁網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理,以確保壁面函數(shù)的y+值小于30。其中,轉(zhuǎn)輪采用四面體網(wǎng)格,蝸殼、尾水管、間隙、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉及均壓管采用六面體網(wǎng)格。轉(zhuǎn)輪、固定導(dǎo)葉及活動(dòng)導(dǎo)葉區(qū)域的近壁面均采用邊界層加密處理,如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性分析

圖3 水泵水輪機(jī)網(wǎng)格離散化

圖4 管路系統(tǒng)示意圖

2.2 邊界條件設(shè)置

本研究的計(jì)算采用SSTk-ω湍流模型,它是標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的變形,使用混合函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與k-ω模型結(jié)合起來,能夠更加有效地模擬旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)和二次流等復(fù)雜流態(tài)特征。采用多參考系(MRF)模型模擬轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪為旋轉(zhuǎn)域,而其他域是靜止的。模擬的參考?jí)毫υO(shè)置為1Atm(101325Pa)。所有壁面均為無滑移壁面,壁面函數(shù)用于計(jì)算近壁流態(tài)。對(duì)于離散格式,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式,收斂殘差值設(shè)置為1 ×10-4。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組中的管路等部件,采用一維建模的形式得到三維模型機(jī)組的進(jìn)出口邊界條件。一維管路系統(tǒng)如4所示,根據(jù)管路的直徑、糙率、壁厚、兩端約束條件、管壁材料等參數(shù)的不同,該管路系統(tǒng)共分為35 個(gè)管段。在一維管路計(jì)算中,使最短管道分段數(shù)為3,可求得一維計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)Δt1d如公式(1)所示:

其中,a為波速,本文中取a=1200m/s;Lmin為最短的管道長(zhǎng)度。確定時(shí)間步長(zhǎng)后,可進(jìn)一步確定其他管段的分段數(shù)。得到蓄能機(jī)組的進(jìn)出口壓力隨時(shí)間的變化如圖5所示。

圖5 進(jìn)出口壓力隨時(shí)間變化

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 機(jī)組外特性變化

圖6所示為機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中外特性變化,其計(jì)算的數(shù)據(jù)均用相對(duì)數(shù)值來表示(例如,相對(duì)轉(zhuǎn)速為當(dāng)前轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值)。根據(jù)導(dǎo)葉的開啟過程,可以將機(jī)組的啟動(dòng)過程分為以下若干個(gè)階段:第一階段(0～22.5s),隨著導(dǎo)葉開度的增大,機(jī)組流量上升,越來越多的水對(duì)葉片做功,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪扭矩增大,轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速逐漸上升,該過程中機(jī)組水頭變化不大。第二階段(22.5～27.6s),導(dǎo)葉的相對(duì)開度從0.25 關(guān)閉到0.15(導(dǎo)葉角度由6.0°到3.6°),這時(shí)的機(jī)組流量及水力矩下降,轉(zhuǎn)速緩慢上升,最終達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)輪扭矩基本降為零,同時(shí)造成了機(jī)組水頭大幅增加,25s 后,機(jī)組快要到達(dá)空載狀態(tài)時(shí),水頭達(dá)到額定水頭的1.1 倍左右。第三階段(27.6～100s),這一階段轉(zhuǎn)輪保持在空載狀態(tài),轉(zhuǎn)輪扭矩基本為零,同時(shí)轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速附近,機(jī)組等待進(jìn)一步指令,完成并網(wǎng)。第四階段(100～200s),這一階段開始并網(wǎng),增加導(dǎo)葉開度的同時(shí)增加負(fù)荷,流量開始大幅增加,轉(zhuǎn)輪的扭矩逐漸上升,機(jī)組開始發(fā)電。第五階段(200s 之后),機(jī)組完成啟動(dòng),開始正常工作。

圖6 機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中外特性變化

3.2 內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布變化

為了強(qiáng)調(diào)與出口邊界條件的相對(duì)關(guān)系,將壓力系數(shù)Cp歸一化,以替換模擬計(jì)算得到壓力值,它的定義如式(2)所示:

式中,pref為水輪機(jī)工況下的參考?jí)毫?1 ×106Pa;Hr為水輪機(jī)工況下的額定水頭。

圖7 和圖8 分別為機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中整體壓力變化和活動(dòng)導(dǎo)葉處壓力變化的局部放大圖。可以發(fā)現(xiàn),水輪機(jī)啟動(dòng)過程中,活動(dòng)導(dǎo)葉按照啟動(dòng)規(guī)律逐步打開,水流的過流面積也隨之不斷增大。t=0.43s,活動(dòng)導(dǎo)葉開度較小,水流主要沿著活動(dòng)導(dǎo)葉的高壓面做圓周運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)輪區(qū)域的壓力非常小。水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片做功小,因此轉(zhuǎn)輪的扭矩也較小。當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉開度逐漸增加,高壓區(qū)逐步向轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口側(cè)移動(dòng),并且不斷向轉(zhuǎn)輪中心延伸,如圖7(b)～(e)所示。在t=22.5～27.6s 時(shí),導(dǎo)葉角度由6.0°到3.6°,關(guān)閉了2.4°,轉(zhuǎn)輪域進(jìn)口處的流體壓力逐漸上升。但因?yàn)閷?dǎo)葉角度變化較小,流域的壓力分布變化并不明顯。從t=27.60～100s,轉(zhuǎn)輪處于空載狀態(tài),其內(nèi)部壓力分布基本保持不變。在t=100～200s 的并網(wǎng)階段,導(dǎo)葉角度逐漸增加,轉(zhuǎn)輪內(nèi)高壓區(qū)進(jìn)一步向中心延伸,葉輪的轉(zhuǎn)速輕微下降后回到額定轉(zhuǎn)速。同時(shí),導(dǎo)葉進(jìn)口處附近的流線變得更加光滑。并網(wǎng)完成后,機(jī)組內(nèi)部的壓力分布保持不變,如圖7(p)所示。

圖7 機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中壓力變化

3.3 各部件水力損失變化

水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中,機(jī)組的各個(gè)部件水力損失變化如圖9所示,其中,Hsp、Hsv、Hgv、Hrn和Hdt分別表示蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管等5 個(gè)主要部件的水力損失。t=0.43s 時(shí),活動(dòng)導(dǎo)葉開度較小,水力損失主要集中在活動(dòng)導(dǎo)葉。t=0.43～22.5s,由于活動(dòng)導(dǎo)葉開度逐漸增大,活動(dòng)導(dǎo)葉的相對(duì)水力損失由0.99 迅速下降至0.02 左右。t=22.5～27.6s,由于導(dǎo)葉正在快速關(guān)閉,活動(dòng)導(dǎo)葉的水力損失又逐漸上升到0.41。在t=100s 之前,轉(zhuǎn)輪一直處于空載的狀態(tài)。其中,在t=0.43～27.6s 內(nèi),轉(zhuǎn)輪受到水流作用,使得轉(zhuǎn)速一直上升。當(dāng)t=100s 時(shí)開始并網(wǎng),活動(dòng)導(dǎo)葉的水力損失迅速下降,轉(zhuǎn)輪開始出力,對(duì)外發(fā)電。在t=100～220s 內(nèi),轉(zhuǎn)輪的水力損失出現(xiàn)小幅度上升,而后下降,最后達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。到t=220s 時(shí),水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程完成,機(jī)組開始運(yùn)行。此時(shí),蝸殼的相對(duì)水力損失約為0.007,固定導(dǎo)葉的相對(duì)水力損失約為0.008,活動(dòng)導(dǎo)葉的相對(duì)水力損失約為0.007,葉輪的相對(duì)水力損失約為0.046,尾水管的相對(duì)水力損失約為0.034。

圖9 機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程中各部件水力損失變化

4 結(jié)論

針對(duì)蓄能機(jī)組的水輪機(jī)工況啟動(dòng)過程,利用ANSYS CFX 軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,依次進(jìn)行了三維建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件和結(jié)果分析,得出了如下結(jié)論:

(1)水輪機(jī)工況同步啟動(dòng)加速過程,活動(dòng)導(dǎo)葉的開啟規(guī)律可以大體分為五個(gè)階段?；顒?dòng)導(dǎo)葉的開啟規(guī)律是先緩慢開啟,然后以較快的速度關(guān)閉,最后再保持到空載的開度,從第四階段,導(dǎo)葉再逐漸打開直到額定開度。這個(gè)過程中,轉(zhuǎn)輪扭矩和機(jī)組流量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)導(dǎo)葉逐漸打開時(shí),轉(zhuǎn)輪扭矩和機(jī)組流量再逐漸上升。機(jī)組水頭在導(dǎo)葉開度增大的過程中基本保持不變,在導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí),迅速上升至1.1 倍額定水頭處。當(dāng)導(dǎo)葉再次逐步打開時(shí),機(jī)組水頭會(huì)有輕微下降,然后保持穩(wěn)定。

(2)蓄能機(jī)組的水輪機(jī)啟動(dòng)過程內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜多變,傳統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試難以捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)及流動(dòng)規(guī)律。本研究結(jié)合CFD 數(shù)值模擬計(jì)算,得到了該過程的壓力分布和流場(chǎng)分布,捕捉到了壓力分布特征及壓力變化規(guī)律。

(3)通過對(duì)各部件水力損失的變化分析,發(fā)現(xiàn)蝸殼和固定導(dǎo)葉的水力損失均很小。而活動(dòng)導(dǎo)葉呈現(xiàn)出先減小后增大,并網(wǎng)后導(dǎo)葉開度增大,活動(dòng)導(dǎo)葉的水力損失又再次下降,直到平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí),在并網(wǎng)后,轉(zhuǎn)輪的水力損失會(huì)出現(xiàn)小幅度上升,而后下降。