抽水蓄能机组水轮机工况启动过程内部流场分析

杨小龙,王焕茂,林 恺,靳发业,雷兴春,毕慧丽,罗永要

(1.南方电网储能股份有限公司,广州 510630;2.水力发电设备全国重点实验室(哈尔滨电机厂有限责任公司),哈尔滨 150040;3.哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040;4.哈尔滨大电机研究所,哈尔滨 150040;5.水圈科学与水利工程全国重点实验室(清华大学),北京 100084;6.清华大学能源与动力工程系,北京 100084)

0 前言

根据《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》的要求,到2025年,抽水蓄能投产总规模6200 万千瓦以上;到2030年,投产总规模1.2 亿千瓦左右;到2035年,形成满足新能源高比例大规模发展需求的,技术先进、管理优质、国际竞争力强的抽水蓄能现代化产业。由此可见,抽水蓄能电站在保障国家电网系统安全稳定运行方面起到关键性作用[1-2]。

蓄能机组是现代抽水蓄能电站中广泛使用的一种能量转换装置,具有调峰填谷、调频、调相和黑启动等多种功能[3-4]。还具有4 个主象限的可逆能力,有正负流速、轴扭矩和旋转方向的不同组合。主要有8 种典型模式,包括泵模式、水轮机模式、反转泵模式、反转水轮机模式和4 种制动模式[5-8]。其中,该机组的水轮机工况启动过程最为复杂多变[9-13]。据报道,蓄能机组一天之内的启停次数多达数十次以上[14-15]。近两年,抽水、发电更是由原来的“一抽两发” 变为了“两抽两发或三发”,机组启动次数和辅助服务次数逐年增多。在水轮机启动过程中,影响因素多,容易产生强烈的振动、压力脉动和水锤等现象[16]。对于启动过程的研究,国内外学者主要集中在模型试验方面[17]。而近些年,随着CFD 技术的飞速发展,运用数值模拟的方式来研究水泵水轮机机组内部的流动特性正成为重要的研究手段[18-19]。而对于边界条件的设置,将直接决定模拟结果的合理性和准确性。本文将采用一维管路和三维机组计算相结合的方式来更为准确地设置机组的边界条件[20-21],从而得到机组内部流动特征和外特性曲线。

本文对于研究抽水蓄能机组水轮机工况下启动过程中内部流态和流动特征具有参考价值,同时对于提高水轮机工况的启动稳定性具有重要的工程实践意义。

1 研究对象

机组全流道三维模型如图1所示,除蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管外,建模过程中还考虑了机组静止部件与转轮间的间隙流动,以及用于平衡间隙内压力的均压管。本文考虑间隙和均压管的结构,有利于更加准确地捕捉叶轮进口处和尾水管进口处的压力分布特征。该机组的主要几何参数见表1。

表1 蓄能机组主要参数

图1 原型水泵水轮机流域示意图

2 网格划分及边界条件设置

2.1 网格划分

本研究采用商业软件ANSYS CFX 进行数值模拟计算,把整体机组的全流道划分为以下几个部分计算域进行网格划分:蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管、间隙和均压管。通过网格无关性验证,可以发现,当机组的整体网格数量超过300 万后,机组的效率η逐渐变得稳定,并且相对误差小于0.05%,如图2所示。因此,在本文中选择310 万的网格数量作为最终网格方案。对近壁网格进行了细化处理,以确保壁面函数的y+值小于30。其中,转轮采用四面体网格,蜗壳、尾水管、间隙、固定导叶、活动导叶及均压管采用六面体网格。转轮、固定导叶及活动导叶区域的近壁面均采用边界层加密处理,如图3所示。

图2 网格无关性分析

图3 水泵水轮机网格离散化

图4 管路系统示意图

2.2 边界条件设置

本研究的计算采用SSTk-ω湍流模型,它是标准k-ω模型的变形,使用混合函数将标准k-ε模型与k-ω模型结合起来,能够更加有效地模拟旋转均匀剪切流、强逆压梯度的边界层流动和二次流等复杂流态特征。采用多参考系(MRF)模型模拟转轮旋转。转轮为旋转域,而其他域是静止的。模拟的参考压力设置为1Atm(101325Pa)。所有壁面均为无滑移壁面,壁面函数用于计算近壁流态。对于离散格式,扩散项采用中心差分格式,对流项采用二阶迎风格式,收敛残差值设置为1 ×10-4。对于抽水蓄能机组中的管路等部件,采用一维建模的形式得到三维模型机组的进出口边界条件。一维管路系统如4所示,根据管路的直径、糙率、壁厚、两端约束条件、管壁材料等参数的不同,该管路系统共分为35 个管段。在一维管路计算中,使最短管道分段数为3,可求得一维计算的时间步长Δt1d如公式(1)所示:

其中,a为波速,本文中取a=1200m/s;Lmin为最短的管道长度。确定时间步长后,可进一步确定其他管段的分段数。得到蓄能机组的进出口压力随时间的变化如图5所示。

图5 进出口压力随时间变化

3 数值计算结果分析

3.1 机组外特性变化

图6所示为机组水轮机工况启动过程中外特性变化,其计算的数据均用相对数值来表示(例如,相对转速为当前转速与额定转速的比值)。根据导叶的开启过程,可以将机组的启动过程分为以下若干个阶段:第一阶段(0～22.5s),随着导叶开度的增大,机组流量上升,越来越多的水对叶片做功,导致转轮扭矩增大,转轮转速逐渐上升,该过程中机组水头变化不大。第二阶段(22.5～27.6s),导叶的相对开度从0.25 关闭到0.15(导叶角度由6.0°到3.6°),这时的机组流量及水力矩下降,转速缓慢上升,最终达到额定转速,转轮扭矩基本降为零,同时造成了机组水头大幅增加,25s 后,机组快要到达空载状态时,水头达到额定水头的1.1 倍左右。第三阶段(27.6～100s),这一阶段转轮保持在空载状态,转轮扭矩基本为零,同时转速保持在额定转速附近,机组等待进一步指令,完成并网。第四阶段(100～200s),这一阶段开始并网,增加导叶开度的同时增加负荷,流量开始大幅增加,转轮的扭矩逐渐上升,机组开始发电。第五阶段(200s 之后),机组完成启动,开始正常工作。

图6 机组水轮机工况启动过程中外特性变化

3.2 内部流场压力分布变化

为了强调与出口边界条件的相对关系,将压力系数Cp归一化,以替换模拟计算得到压力值,它的定义如式(2)所示:

式中,pref为水轮机工况下的参考压力,1 ×106Pa;Hr为水轮机工况下的额定水头。

图7 和图8 分别为机组水轮机工况启动过程中整体压力变化和活动导叶处压力变化的局部放大图。可以发现,水轮机启动过程中,活动导叶按照启动规律逐步打开,水流的过流面积也随之不断增大。t=0.43s,活动导叶开度较小,水流主要沿着活动导叶的高压面做圆周运动,转轮区域的压力非常小。水流对转轮叶片做功小,因此转轮的扭矩也较小。当活动导叶开度逐渐增加,高压区逐步向转轮的进口侧移动,并且不断向转轮中心延伸,如图7(b)～(e)所示。在t=22.5～27.6s 时,导叶角度由6.0°到3.6°,关闭了2.4°,转轮域进口处的流体压力逐渐上升。但因为导叶角度变化较小,流域的压力分布变化并不明显。从t=27.60～100s,转轮处于空载状态,其内部压力分布基本保持不变。在t=100～200s 的并网阶段,导叶角度逐渐增加,转轮内高压区进一步向中心延伸,叶轮的转速轻微下降后回到额定转速。同时,导叶进口处附近的流线变得更加光滑。并网完成后,机组内部的压力分布保持不变,如图7(p)所示。

图7 机组水轮机工况启动过程中压力变化

3.3 各部件水力损失变化

水轮机工况启动过程中,机组的各个部件水力损失变化如图9所示,其中,Hsp、Hsv、Hgv、Hrn和Hdt分别表示蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等5 个主要部件的水力损失。t=0.43s 时,活动导叶开度较小,水力损失主要集中在活动导叶。t=0.43～22.5s,由于活动导叶开度逐渐增大,活动导叶的相对水力损失由0.99 迅速下降至0.02 左右。t=22.5～27.6s,由于导叶正在快速关闭,活动导叶的水力损失又逐渐上升到0.41。在t=100s 之前,转轮一直处于空载的状态。其中,在t=0.43～27.6s 内,转轮受到水流作用,使得转速一直上升。当t=100s 时开始并网,活动导叶的水力损失迅速下降,转轮开始出力,对外发电。在t=100～220s 内,转轮的水力损失出现小幅度上升,而后下降,最后达到平稳状态。到t=220s 时,水轮机工况启动过程完成,机组开始运行。此时,蜗壳的相对水力损失约为0.007,固定导叶的相对水力损失约为0.008,活动导叶的相对水力损失约为0.007,叶轮的相对水力损失约为0.046,尾水管的相对水力损失约为0.034。

图9 机组水轮机工况启动过程中各部件水力损失变化

4 结论

针对蓄能机组的水轮机工况启动过程,利用ANSYS CFX 软件进行了数值模拟计算,依次进行了三维建模、划分网格、设置边界条件和结果分析,得出了如下结论:

(1)水轮机工况同步启动加速过程,活动导叶的开启规律可以大体分为五个阶段。活动导叶的开启规律是先缓慢开启,然后以较快的速度关闭,最后再保持到空载的开度,从第四阶段,导叶再逐渐打开直到额定开度。这个过程中,转轮扭矩和机组流量呈现出先增大后减小的趋势,当导叶逐渐打开时,转轮扭矩和机组流量再逐渐上升。机组水头在导叶开度增大的过程中基本保持不变,在导叶快速关闭时,迅速上升至1.1 倍额定水头处。当导叶再次逐步打开时,机组水头会有轻微下降,然后保持稳定。

(2)蓄能机组的水轮机启动过程内部流动复杂多变,传统的试验测试难以捕捉流动细节及流动规律。本研究结合CFD 数值模拟计算,得到了该过程的压力分布和流场分布,捕捉到了压力分布特征及压力变化规律。

(3)通过对各部件水力损失的变化分析,发现蜗壳和固定导叶的水力损失均很小。而活动导叶呈现出先减小后增大,并网后导叶开度增大,活动导叶的水力损失又再次下降,直到平稳运行。同时,在并网后,转轮的水力损失会出现小幅度上升,而后下降。