抽水蓄能電站進出水口水力性能優化

帥濤 劉偉

安徽省響洪甸蓄能發電有限責任公司， 安徽省六安市 ?237335

摘要：當工程設計師首次設計用于抽水蓄能的進出水口體型時，如何在指定值內盡可能地優化體型以獲得更好的水力性能。通常需要使用三維數值模擬方法來優化抽水蓄能電站進出水口的水力性能。通過模擬進出水口處的雙向流動，k-e模型用于減小松弛系數，并從流動分布和流動中獲得流場。考慮到分布和流量分配，通過計算，比較和分析進出水口流速不均勻系數，孔口流量分配系數和水頭損失系數，最終獲得具有良好水力性能的體型，為類似優化設計問題的參考。

關鍵詞：抽水蓄能電站;進出水口;水力性能優化

與常規水力發電廠不同，抽水蓄能電站在進出水口一體化的兩個方向上運行。 進出水口的水力特性復雜，入水時容易產生旋渦，各通道的流速分布和灌溉分布不均勻。進出水口的水頭損失的大小與發電廠的經濟效益直接相關，設計人員一直在研究進出水口的水力性能。計算流體動力學的進步以及計算機硬件性能的不斷提高，使得三維數值模擬越來越準確，并廣泛用于水力發電廠的設計和優化中。。

一、抽水蓄能電站概述

抽水蓄能電站利用電能在低功率負荷期間將水輸送到上部水庫，然后在高峰功率負荷期間將水排放到下部水庫以發電，也稱為蓄水電站。電網負載較低時，多余的電能可以在電網峰值處轉換為高價值電能，還適用于頻率和相位調制，可穩定電力系統的周期和電壓，并適用于事故備用。還可以改善系統中的火力發電廠以及核電站的效率。我國抽水蓄能電站的建設起步較晚，但起點較高，近年來興建的一些大型抽水蓄能電站的技術處于世界最高水平。

二、體型優化設計

抽水蓄能電站的初步布局如下：三孔六機布局，在發電條件下額定單機流量為57.8m/s，泵模式下單機最小揚程泵流量為4876m'/。上層庫的給水口和給水口采用岸邊型，三個給水口和給水口以相同的形狀平行布置。每個入口和出口反渦旋光束部分的長度為10 m，總共有5個反渦旋光束。橫截面尺寸為1.0mx1.5m，光束間距為1.0m。設置兩個分離器對等體，將進口和出口分成三個孔。孔口的尺寸為5.5mx9.0m，發散墩的寬度為1.5m，每個孔的網狀物為5.5m。發散墩的前部是弧形曲線。擴散段的長度為0.5m，平面為雙向對稱擴散，總擴散角為24.212“，高度為單向擴散，頂板擴散角為4.965°。在每個擴散段內，起始凈空為3x55× 9.0m，末端凈空4.7x6.0m，側墩，底板，支墩厚度1.5m，頂板厚度1.0m。3個支墩分為3個通道，各流路的擴散角小于10°，即使滿足規格要求和推薦的設定范圍，在設計上述主體形狀時，流速分布也不均勻，流場分布也不均勻。由于缺乏光滑度，我們計劃采用三維數值模擬方法，減少工程調整量，局部優化出入口的形狀，經過局部調整后，優化形狀將比較并分析液壓性能是否更好。要優化的體型為：首先體型1，中間孔減少到5 m。其次體型2，中間孔的分流比從0.32增加到0.34，墩距尾部的距離為1.598 m。最后體型3，有三種類型將分支墩的尾部向上存儲，移動0.5d = 2.35m。

三、數值模擬

（一）控制方程

絮流代表粘性流體運動的Nsier-S1，因為它是在某些條件下的粘性流體運動的一種模式。該公式可應用于主要流量，由于絮流運動的復雜性，在經濟上不可能嘗試求解整個流場的所有流場細節，只有絮流的統計平均值才有意義。根據雷諾的時間平均方法，簡要介紹了絮流的連續性方程和動力學方程，不可壓縮流體的連續性方程下面公式。

該計算使用Launder Spalding提出的standard-c模型，這是基于求解絮動能k和絮流擴散率e的輸運方程建立的半經驗絮流模型，絮動能k的輸運方程是從一個精確的方程式導出的，但是絮流擴散率e的輸運方程具有特定的近似值。在推導標準k-s模型的過程中，認為絮流被充分發展并且分子的粘度被忽略。

（二）邊界條件

在數值模擬計算過程中，僅當各種絮流模型的控制方程確定合理的邊界條件時，才能計算流場解，該計算使用單向流動來模擬入口和出口處的雙向流動。在正常的蓄水水平下，發電條件設置為速度入口和自定義的梯度壓力出口。抽水條件是速度入口和水庫部分的自由流出計算。防滑壁沒有相應的粗糙度。使用ke模型來減小松弛因子并反復獲得流場。自由液面采用剛性覆蓋假設，并設置使水面近似于波動較小的光滑自由面的對稱邊界條件，并將其他壁邊界設置為防滑固體壁邊界條件。

四、計算結果對比分析

（一）流速不均勻系數

通過測量進出水口的流速分布，可以判斷流速分布的均勻性。流速分布的非均勻性系數是截面中最大流速與平均流速之比，表示截面中流速分布的均勻性。通常，攔污柵門槽的流速分布應滿足以下條件：油和水的流速分布的不均勻系數不超過1.5，發電的流速分布的不均勻系數不超過20。第1、2和3部分分別位于攔污柵的側孔、中間孔和側保持槽中。經過比較和計算，每種體型的進出水口的流量不均勻性。當與原始體型相比改善體型時，中孔顯示出流速增加。其中，與其他兩種體型相比，改進的體型1中孔的平均流速最大，不均勻系數最小，而體型3中孔的平均流速的增加幅度最小，但不均勻系數更高。是最大的，與縮短碼頭的方形橫截面相同。尾部與無法更好地引導水流通過收縮部分有關。

（二）水頭損失及水頭損失系數

進出水口的損失壓頭主要是部分損失的壓頭損失，損失頭的大小是用于測量入口和出口的流量條件的指示器。根據計算，體型2的水頭損失系數最小，受水流湍流的影響，但在擴散部分附近有局部回流，但水流模式明顯大于其他主體類型。

結語：綜上所述，本文使用三維數值模擬來優化抽水蓄能電站進出水口體型的設計，分析各種體型的優化水力性能，并流出不均勻性。使用孔口流量分布和壓頭損失等指標分析流場，以評估各種形狀的水力特性。通過與原始體型的計算結果進行比較，可以得出結論，通過適當增加導流墩尾部中心孔之間的距離，可以使流速分布更加均勻，并使水流擴散更加穩定。當工程設計人員首先執行抽水蓄能的進出水口體型設計，然后考慮如何在指定的值范圍內優化體型時，這種優化設計思想和方法就是，可以在發生類似問題時為水電工程設計人員提供一些參考。

參考文獻

[1]徐準，吳時強.抽水蓄能電站側式進/出水口隔墩布置對水力特性的影響[J].水利水電科技進展，2020，40（03）：21-27+67.