水泵水轮机全特性曲线处理的研究进展

第31卷第12期2014年12月长江科学院院报JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVol_31No．12Dee．2014DOI：10．3969／j．issn．1001～5485．2014．12．024水泵水轮机全特性曲线处理的研究进展潘熙和，程远楚。，王杰飞(1．长江科学院长江控制设备研究所，武汉430010；2．武汉大学动力与机械学院，武汉430072)摘要：水泵水轮机的全特性曲线在曲线两端存在较为严重的交叉、聚集和卷曲现象，以及极不稳定的“S”型区域，为水泵水轮机过渡过程的精确仿真带来了极大的困难。针对这些现象和“S”型区域存在的问题，国内外学者进行了深入地研究，通过对全特性曲线预处理数学变换方法和拟合手段的探讨，最终得到一系列研究成果。综述了现有的全特性曲线研究成果，将研究成果按照表述方法分为二维曲线数学变换和三维曲面拟合2大类，依次对各个研究成果进行简要介绍和深入分析，指出各研究成果取得的突破和不足，提出了进一步深入研究的方向和研究的建议。关键词：水泵水轮机；全特性曲线；数学变换；曲面拟合中图分类号：TK730．2文献标志码：A文章编号：1001—5485(2014)12—0l17—071研究背景抽水蓄能电站在电网中削峰填谷的运行方式使它成为保障电力系统安全、稳定运行的重要组成部分，大大提高了电力系统的经济性。目前我国抽水蓄能电站装机总量在电力系统装机总量中所占的比重偏低，不能满足我国以火电为主的电力系统安全、稳定、经济运行的需要，也不能满足电力系统节能减排、清洁能源大规模运输等智能化电网建设的需要¨J。因而，在以后一段时问内我国抽水蓄能电站将会得到长远的发展。与常规电站相比抽水蓄能电站工况繁多、复杂、启停频繁。对于水泵水轮机，它的全特性曲线依次存在水泵、水泵制动、水轮机、水轮机制动、反水泵共5个工况区，且在全特性曲线的两端存在2个“s”型区域。在右端的“s”区域，全特性曲线存在严重的交叉、聚集、卷曲和多值的现象。在“s”型区域水泵水轮机运行水力条件极端恶劣，“s”型曲线的变化对流场压力和机组转速的极值有着决定性影响J。因而，正确认识和处理水泵水轮机的全特性曲线是提高抽水蓄能电站过渡过程计算精度的先决条件，也是保证抽水蓄能电站的安全稳定运行的关键。针对可逆式水泵水轮机全特性曲线存在的严重交叉、聚集、卷曲和多值现象，解决这些现象为抽水蓄能电站过渡过程准确计算带来的障碍，以往国内外学者提出了多种全特性曲线处理方法，例如：Sut．er变换，改进Suter变换，等开度线长度描述法，对数投影描述法，基于最小二乘法、曲线拟合、神经网络的全特性空间曲面描述法等。本文介绍了各种全特性曲线处理方法的基本原理，对它们的研究成果进行深入的分析和总结，并基于以上过程提出全特性曲线处理研究方向的基本趋势和亟待解决的问题，以期为进一步的深入研究和发展奠定基础。2“S型区域的基本机理水泵水轮机全特性曲线中拥有2个“S”型区域，其中一个处于水泵、水泵制动工况区；另外一个处在水轮机、水轮机制动和反水泵工况区J。在前一个“S”型区域，全特性曲线变化相对缓慢、无多值，且水泵水轮机在水泵状态下多采用单一导叶开度的运行方式，因而水泵水轮机在这个“S”型区域运行，运行状态相对较为稳定。在后一个“s”型区域，全特性曲线变化剧烈，单位转速的较小变化就会引起单位流量和单位力矩的急剧变化，多值现象突出，水泵水轮机在这个区域运行，水力条件恶劣，运行状态极不稳定，很容易造成机组低水头发电并网困难和水轮机工况甩负荷达不到空载状态，并对机组振动、转速上升、水锤压力上升和工况转换的稳定性，及压力管道压力脉动都有着显著影响，严重收稿日期：2014—04—02：修回日期：2014—04—24作者简介：潘熙和(1965一)，男，湖北阳新人，教授级高级工程师，主要从事电站自动化方向的研究，(电话)027—82604195(电子信箱)541194149@qq．tom。118长江科学院院报影响着抽水蓄能电站机组的安全稳定运行。因而对水泵水轮机全特性曲线的处理研究多集中在后一个“s”型区域，对它的研究和处理是当代抽水蓄能电站建设与发展亟待解决的技术问题之一【7J。对于水泵水轮机，转轮流道狭长，其转轮半径约为常规水轮机半径的1．4倍左右，相应的离心力也大，即使转轮在水轮机方向旋转也存在较大的水泵效应，阻止水流进入转轮J。水泵水轮机在“S”型区域运行时，转轮内部流场异常紊乱，转轮叶片人口流动分离，通道内流态严重恶化产生漩涡、回流，阻塞流道，进而引起双列叶栅内流态恶化，进一步加剧转轮叶片进口流动分离，如此往复恶性循环，造成巨大的水头损失。水头急剧变化引起单位转速的突变，进而导致单位流量和单位力矩变化剧烈，最终引起机组运行的不稳定。3现有全特