抽水蓄能機組水輪機工況啟動過程內部流場分析

楊小龍,王煥茂,林 愷,靳發業,雷興春,畢慧麗,羅永要

(1.南方電網儲能股份有限公司,廣州 510630;2.水力發電設備全國重點實驗室(哈爾濱電機廠有限責任公司),哈爾濱 150040;3.哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040;4.哈爾濱大電機研究所,哈爾濱 150040;5.水圈科學與水利工程全國重點實驗室(清華大學),北京 100084;6.清華大學能源與動力工程系,北京 100084)

0 前言

根據《抽水蓄能中長期發展規劃(2021-2035年)》的要求,到2025年,抽水蓄能投產總規模6200 萬千瓦以上;到2030年,投產總規模1.2 億千瓦左右;到2035年,形成滿足新能源高比例大規模發展需求的,技術先進、管理優質、國際競爭力強的抽水蓄能現代化產業。由此可見,抽水蓄能電站在保障國家電網系統安全穩定運行方面起到關鍵性作用[1-2]。

蓄能機組是現代抽水蓄能電站中廣泛使用的一種能量轉換裝置,具有調峰填谷、調頻、調相和黑啟動等多種功能[3-4]。還具有4 個主象限的可逆能力,有正負流速、軸扭矩和旋轉方向的不同組合。主要有8 種典型模式,包括泵模式、水輪機模式、反轉泵模式、反轉水輪機模式和4 種制動模式[5-8]。其中,該機組的水輪機工況啟動過程最為復雜多變[9-13]。據報道,蓄能機組一天之內的啟停次數多達數十次以上[14-15]。近兩年,抽水、發電更是由原來的“一抽兩發” 變為了“兩抽兩發或三發”,機組啟動次數和輔助服務次數逐年增多。在水輪機啟動過程中,影響因素多,容易產生強烈的振動、壓力脈動和水錘等現象[16]。對于啟動過程的研究,國內外學者主要集中在模型試驗方面[17]。而近些年,隨著CFD 技術的飛速發展,運用數值模擬的方式來研究水泵水輪機機組內部的流動特性正成為重要的研究手段[18-19]。而對于邊界條件的設置,將直接決定模擬結果的合理性和準確性。本文將采用一維管路和三維機組計算相結合的方式來更為準確地設置機組的邊界條件[20-21],從而得到機組內部流動特征和外特性曲線。

本文對于研究抽水蓄能機組水輪機工況下啟動過程中內部流態和流動特征具有參考價值,同時對于提高水輪機工況的啟動穩定性具有重要的工程實踐意義。

1 研究對象

機組全流道三維模型如圖1所示,除蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪及尾水管外,建模過程中還考慮了機組靜止部件與轉輪間的間隙流動,以及用于平衡間隙內壓力的均壓管。本文考慮間隙和均壓管的結構,有利于更加準確地捕捉葉輪進口處和尾水管進口處的壓力分布特征。該機組的主要幾何參數見表1。

表1 蓄能機組主要參數

圖1 原型水泵水輪機流域示意圖

2 網格劃分及邊界條件設置

2.1 網格劃分

本研究采用商業軟件ANSYS CFX 進行數值模擬計算,把整體機組的全流道劃分為以下幾個部分計算域進行網格劃分:蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪、尾水管、間隙和均壓管。通過網格無關性驗證,可以發現,當機組的整體網格數量超過300 萬后,機組的效率η逐漸變得穩定,并且相對誤差小于0.05%,如圖2所示。因此,在本文中選擇310 萬的網格數量作為最終網格方案。對近壁網格進行了細化處理,以確保壁面函數的y+值小于30。其中,轉輪采用四面體網格,蝸殼、尾水管、間隙、固定導葉、活動導葉及均壓管采用六面體網格。轉輪、固定導葉及活動導葉區域的近壁面均采用邊界層加密處理,如圖3所示。

圖2 網格無關性分析

圖3 水泵水輪機網格離散化

圖4 管路系統示意圖

2.2 邊界條件設置

本研究的計算采用SSTk-ω湍流模型,它是標準k-ω模型的變形,使用混合函數將標準k-ε模型與k-ω模型結合起來,能夠更加有效地模擬旋轉均勻剪切流、強逆壓梯度的邊界層流動和二次流等復雜流態特征。采用多參考系(MRF)模型模擬轉輪旋轉。轉輪為旋轉域,而其他域是靜止的。模擬的參考壓力設置為1Atm(101325Pa)。所有壁面均為無滑移壁面,壁面函數用于計算近壁流態。對于離散格式,擴散項采用中心差分格式,對流項采用二階迎風格式,收斂殘差值設置為1 ×10-4。對于抽水蓄能機組中的管路等部件,采用一維建模的形式得到三維模型機組的進出口邊界條件。一維管路系統如4所示,根據管路的直徑、糙率、壁厚、兩端約束條件、管壁材料等參數的不同,該管路系統共分為35 個管段。在一維管路計算中,使最短管道分段數為3,可求得一維計算的時間步長Δt1d如公式(1)所示:

其中,a為波速,本文中取a=1200m/s;Lmin為最短的管道長度。確定時間步長后,可進一步確定其他管段的分段數。得到蓄能機組的進出口壓力隨時間的變化如圖5所示。

圖5 進出口壓力隨時間變化

3 數值計算結果分析

3.1 機組外特性變化

圖6所示為機組水輪機工況啟動過程中外特性變化,其計算的數據均用相對數值來表示(例如,相對轉速為當前轉速與額定轉速的比值)。根據導葉的開啟過程,可以將機組的啟動過程分為以下若干個階段:第一階段(0～22.5s),隨著導葉開度的增大,機組流量上升,越來越多的水對葉片做功,導致轉輪扭矩增大,轉輪轉速逐漸上升,該過程中機組水頭變化不大。第二階段(22.5～27.6s),導葉的相對開度從0.25 關閉到0.15(導葉角度由6.0°到3.6°),這時的機組流量及水力矩下降,轉速緩慢上升,最終達到額定轉速,轉輪扭矩基本降為零,同時造成了機組水頭大幅增加,25s 后,機組快要到達空載狀態時,水頭達到額定水頭的1.1 倍左右。第三階段(27.6～100s),這一階段轉輪保持在空載狀態,轉輪扭矩基本為零,同時轉速保持在額定轉速附近,機組等待進一步指令,完成并網。第四階段(100～200s),這一階段開始并網,增加導葉開度的同時增加負荷,流量開始大幅增加,轉輪的扭矩逐漸上升,機組開始發電。第五階段(200s 之后),機組完成啟動,開始正常工作。

圖6 機組水輪機工況啟動過程中外特性變化

3.2 內部流場壓力分布變化

為了強調與出口邊界條件的相對關系,將壓力系數Cp歸一化,以替換模擬計算得到壓力值,它的定義如式(2)所示:

式中,pref為水輪機工況下的參考壓力,1 ×106Pa;Hr為水輪機工況下的額定水頭。

圖7 和圖8 分別為機組水輪機工況啟動過程中整體壓力變化和活動導葉處壓力變化的局部放大圖?？梢园l現,水輪機啟動過程中,活動導葉按照啟動規律逐步打開,水流的過流面積也隨之不斷增大。t=0.43s,活動導葉開度較小,水流主要沿著活動導葉的高壓面做圓周運動,轉輪區域的壓力非常小。水流對轉輪葉片做功小,因此轉輪的扭矩也較小。當活動導葉開度逐漸增加,高壓區逐步向轉輪的進口側移動,并且不斷向轉輪中心延伸,如圖7(b)～(e)所示。在t=22.5～27.6s 時,導葉角度由6.0°到3.6°,關閉了2.4°,轉輪域進口處的流體壓力逐漸上升。但因為導葉角度變化較小,流域的壓力分布變化并不明顯。從t=27.60～100s,轉輪處于空載狀態,其內部壓力分布基本保持不變。在t=100～200s 的并網階段,導葉角度逐漸增加,轉輪內高壓區進一步向中心延伸,葉輪的轉速輕微下降后回到額定轉速。同時,導葉進口處附近的流線變得更加光滑。并網完成后,機組內部的壓力分布保持不變,如圖7(p)所示。

圖7 機組水輪機工況啟動過程中壓力變化

3.3 各部件水力損失變化

水輪機工況啟動過程中,機組的各個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、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管等5 個主要部件的水力損失。t=0.43s 時,活動導葉開度較小,水力損失主要集中在活動導葉。t=0.43～22.5s,由于活動導葉開度逐漸增大,活動導葉的相對水力損失由0.99 迅速下降至0.02 左右。t=22.5～27.6s,由于導葉正在快速關閉,活動導葉的水力損失又逐漸上升到0.41。在t=100s 之前,轉輪一直處于空載的狀態。其中,在t=0.43～27.6s 內,轉輪受到水流作用,使得轉速一直上升。當t=100s 時開始并網,活動導葉的水力損失迅速下降,轉輪開始出力,對外發電。在t=100～220s 內,轉輪的水力損失出現小幅度上升,而后下降,最后達到平穩狀態。到t=220s 時,水輪機工況啟動過程完成,機組開始運行。此時,蝸殼的相對水力損失約為0.007,固定導葉的相對水力損失約為0.008,活動導葉的相對水力損失約為0.007,葉輪的相對水力損失約為0.046,尾水管的相對水力損失約為0.034。

圖9 機組水輪機工況啟動過程中各部件水力損失變化

4 結論

針對蓄能機組的水輪機工況啟動過程,利用ANSYS CFX 軟件進行了數值模擬計算,依次進行了三維建模、劃分網格、設置邊界條件和結果分析,得出了如下結論:

(1)水輪機工況同步啟動加速過程,活動導葉的開啟規律可以大體分為五個階段?；顒訉~的開啟規律是先緩慢開啟,然后以較快的速度關閉,最后再保持到空載的開度,從第四階段,導葉再逐漸打開直到額定開度。這個過程中,轉輪扭矩和機組流量呈現出先增大后減小的趨勢,當導葉逐漸打開時,轉輪扭矩和機組流量再逐漸上升。機組水頭在導葉開度增大的過程中基本保持不變,在導葉快速關閉時,迅速上升至1.1 倍額定水頭處。當導葉再次逐步打開時,機組水頭會有輕微下降,然后保持穩定。

(2)蓄能機組的水輪機啟動過程內部流動復雜多變,傳統的試驗測試難以捕捉流動細節及流動規律。本研究結合CFD 數值模擬計算,得到了該過程的壓力分布和流場分布,捕捉到了壓力分布特征及壓力變化規律。

(3)通過對各部件水力損失的變化分析,發現蝸殼和固定導葉的水力損失均很小。而活動導葉呈現出先減小后增大,并網后導葉開度增大,活動導葉的水力損失又再次下降,直到平穩運行。同時,在并網后,轉輪的水力損失會出現小幅度上升,而后下降。