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基于空间曲面的水泵水轮机全特性及过渡过程的研究

杨桀彬  
【摘要】:抽水蓄能电站是现代电网的必然产物,在电力系统中起着不可替代的作用,尤其在绿色能源大发展的背景下,更需要发挥抽水蓄能电站调峰填谷、调频调相、旋转备用等快速响应的作用,以提高电网供电质量和电网灵活性及可靠性。抽水蓄能调节保证分析是抽水蓄能电站设计与运行中所面临的关键问题之一,但其目前仍然至少存在着如下七大问题:1)水泵水轮机全特性曲线平面表达方式存在的多值性和对应性问题可能导致插值和迭代计算无法进行;2)套用机组特性曲线与真机特性曲线反S特性的差别导致调节保证计算结果差异显著;3)复杂的机组边界条件因求解方法不当可能导致无解或错解;4)缺少合适方法计入过渡过程中巨大的压力脉动;5)抽水蓄能电站导叶关闭规律优化缺乏明确的理论依据;6)常规水电站调压室设计理论不适用于抽水蓄能电站;7)输水系统布置形式及尺寸对调节保证计算结果的影响尚不明确等。本文在分析总结前人工作的基础上,对于问题一、问题三、问题四和问题五进行了深入的研究。论文的主要内容包括以下几个方面: 1.水泵水轮机全特性的空间曲面构建 将全特性表征为空间坐标系On1'Q1'M1'下的参数曲面,以B样条曲线曲面造型技术为理论基础,建立全特性B样条空间曲面的数学模型,并编制了相应的计算程序;证明了空间曲面表达方式对平面表达方式中现存问题的解决;对五套分别适用于不同水头段的全特性曲线进行曲面重构,并通过改变沿开度线方向(u向)的网格数目和u向参数分布分析了重构曲面对原始数据点以及开度线的逼近精度。 2.基于空间曲面的水泵水轮机机组边界数学模型及求解方法的研究建立了基于全特性空间曲面方程水泵水轮机机组边界的数学模型;提出了转速误差函数Ω的概念以及以Ω=0作为根的判别条件的机组边界条件的求解方法;对Ω取沿等开度线的方向导数,并将全特性曲线分为若干区域,分区域讨论组成该方向导数各项的符号变化及绝对值的大小,进而探讨Ω的单调性及在搜索边界的符号,并以此作为方程组具有唯一解以及寻根方向的理论依据。 3.水泵水轮机甩负荷过渡过程中脉动压力简化模拟方法的研究 提出了利用水泵水轮机模型试验脉动压力等值线图并结合甩负荷工况轨迹线的脉动压力幅值的模拟方法。由于该模拟方法的关键在于根据每一时刻工况点所在的位置准确度量该处的压力脉动幅值,难点在于如何将仅包含水轮机运行区的脉动压力模型试验数据向过渡过程中工况点可能经过的整个区域进行延伸以及对形状复杂的脉动压力幅值等值线进行数学建模并进行曲线间内插,为此论文采用如下两种手段予以解决:其一,采用经验模态分解法对实测压力波动信号进行分解,并根据脉动压力幅值等值线的趋势,将模型试验数据向水轮机制动区和反水泵区进行延伸;其二,借助于地图编辑中等高线的处理方法对两相邻脉动压力幅值等值线进行了三角网格的划分,判别工况点与三角网格的相对位置,并对三角形网格点进行线性插值,得到落入三角网格内或三角网某一边上的工况点的压力脉动幅值。 4.水泵水轮机开度特性分析与导叶关闭规律优化研究 由机组边界方程出发,借助于转速误差函数为单调函数这一思想,提出普遍适用的时间步长内水头平方根X变化规律(即ΔX的符号)的分析方法;根据时间步长内工况点在流量特性曲线上移动轨迹的△n1.△Q1'的符号、工况点的移动方向、转速误差函数α的单调性对轨迹线进行情况分类并从理论上探讨其存在性;应用时间步长内X变化规律的分析方法讨论了每种情况的ΔX的符号,再通过改变每种情况的轨迹线夹角,分析其对ΔX的影响;以实例验证了上述分析方法准确性,并分析了由开度线形状以及导叶关闭速率的不同而导致的轨迹线形状的改变对ΔX的影响;最后整合上述研究成果,提出了基于开度特性导叶关闭规律的优化思路。


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