抽水蓄能電站岔管年效益損失模型

代 元

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000）

抽水蓄能電站在中國發(fā)展迅速,是一種穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)節(jié)工具,常與火電、水電配套使用。岔管連接發(fā)電機(jī)組,是抽水蓄能電站輸水建筑物中最重要的一部分,產(chǎn)生的水頭損失在輸水系統(tǒng)總水頭損失中占比較大,對(duì)岔管體型進(jìn)行優(yōu)化意義巨大,如何確定岔管體型的最優(yōu)解是一個(gè)關(guān)鍵問題。

Perez-Garcia[1]、Sanmiguel E[2]、Guohui Gan[3]和TANG Jinglin[4]提出以岔管部分水頭損失系數(shù)的大小來確定最優(yōu)體型。季奎等[5]對(duì)小浪底U 型尾水岔管進(jìn)行水工模型試驗(yàn),觀測(cè)岔管處水位變化情況,計(jì)算出岔管優(yōu)化后電站的年收入可增加超過百萬元。黃智敏等[6]對(duì)廣州抽水蓄能電站的多個(gè)岔管群模型進(jìn)行模型試驗(yàn),通過比較水頭損失和流場分布進(jìn)行岔管體型優(yōu)化。Abdulwahhab M[7]、夏慶福[8]、李玲[9]、王槐[10]等通過分析月牙肋岔管分岔角、肋寬比、分流比與水頭損失系數(shù)的關(guān)系曲線來進(jìn)行體型優(yōu)化。陳文兵等[11]則采用數(shù)值模擬方法,研究了岔管的水流流態(tài),認(rèn)為對(duì)稱流態(tài)最好,非對(duì)稱流態(tài)最差。

前人進(jìn)行岔管體型優(yōu)化時(shí)從水頭損失和水流流態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行考量,然而抽水蓄能電站不同于一般的引水式水電站,擁有兩種水流流態(tài),分別是正向的發(fā)電工況和逆向的抽水工況,各工況岔管的水頭損失最小值對(duì)應(yīng)的體型參數(shù)取值不一樣,無法統(tǒng)一。另外岔管體型優(yōu)化的本質(zhì)目的是為了減少電站損失,增加運(yùn)行效益,然而目前進(jìn)行岔管體型優(yōu)化時(shí)對(duì)于其經(jīng)濟(jì)效益從未考慮。本文針對(duì)以上問題,以抽水蓄能電站岔管為研究對(duì)象,將抽水蓄能電站的經(jīng)濟(jì)效益影響因素進(jìn)行分析量化,建立岔管年效益損失模型,最后將該模型應(yīng)用于某實(shí)際電站的岔管體型優(yōu)化研究中,更深入和具體地研究該模型的可行性。

1 岔管年效益損失模型

抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行時(shí),引水流量、抽水流量、運(yùn)行時(shí)間等因素存在差異性,一般情況下,發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)高于抽水電價(jià),因此僅依靠流速分析與水頭損失分析決定岔管最優(yōu)體型是不全面的,本文通過分析抽水蓄能電站運(yùn)行期的費(fèi)用構(gòu)成,建立岔管年效益損失模型。

抽水蓄能電站運(yùn)行費(fèi)用包括人員工資、抽水費(fèi)用、庫區(qū)維護(hù)費(fèi)等,運(yùn)行效益包括容量效益和發(fā)電效益等,與岔管體型有關(guān)的費(fèi)用類型為抽水費(fèi)用和發(fā)電效益,因此年效益損失簡化為發(fā)電效益損失與抽水電量損失之和,發(fā)電效益損失是發(fā)電工況岔管產(chǎn)生水頭損失而引起的效益損失,抽水電量損失是岔管抽水工況產(chǎn)生的水頭損失引起的抽水費(fèi)用的損耗。抽水蓄能電站岔管年效益損失模型以自然年內(nèi)水頭損失引起的效益損失值作為評(píng)估參數(shù),選擇年效益損失值最小的為優(yōu)化結(jié)果。

水輪機(jī)發(fā)電出力損失和水泵抽水入力損失見式（1）、式（2）[12]：

式中：f、c 分別代表發(fā)電工況和抽水工況條件；ΔNfi為i 號(hào)岔管造成的水輪機(jī)發(fā)電出力損失,kW；ΔNci為i 號(hào)岔管造成的水泵抽水入力損失,kW；η為機(jī)組總效率；Q 為流量,m3/s；H 為水頭損失,m。

抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)的機(jī)組出力、入力損失見式（3）、式（4）：

式中：Nf為輸水系統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電出力總損失,kW；Nc為輸水系統(tǒng)水泵抽水入力總損失,kW；n 為輸水系統(tǒng)岔管總數(shù)。

水頭損失引起的電站發(fā)電效益損失和抽水費(fèi)用損失分別為式（5）、式（6）：

式中：kf為電站上網(wǎng)電價(jià),元/（kW·h）；kc為電站抽水電價(jià),元/（kW·h）；h 為年運(yùn)行小時(shí),h；λ為運(yùn)行時(shí)間調(diào)整系數(shù)。

電站年效益損失為發(fā)電效益損失與抽水費(fèi)用損失之和,得到岔管年效益損失模型見式（7）：

抽水蓄能電站岔管體型優(yōu)化研究過程中,當(dāng)年效益損失模型求得最小值時(shí),該方案為最優(yōu)體型方案,即：

2 工程概況

2.1 抽水蓄能電站概況

本文選取的算例輸水系統(tǒng)為兩洞四機(jī),兩個(gè)引水岔管,兩個(gè)尾水岔管,均為對(duì)稱Y 型月牙肋岔管,輸水系統(tǒng)平面布置圖見圖1。

電站裝機(jī)容量1400 MW,岔管主管直徑4.8 m,支管直徑3.4 m,分岔角為70°,單機(jī)發(fā)電流量92 m3/s,抽水流量78.5 m3/s,岔管正常運(yùn)行工況靜水壓力為5.47 MPa[13]。機(jī)組總效率η為0.87,抽水電價(jià)kc取陜西省目前大工業(yè)生產(chǎn)用電低谷電價(jià)平均值0.212 元/（kW·h）,經(jīng)計(jì)算,電站的電量價(jià)格即上網(wǎng)電價(jià)kf為0.4362 元/（kW·h）。年發(fā)電利用小時(shí)1672 h,年抽水利用小時(shí)2230 h,運(yùn)行時(shí)間調(diào)整系數(shù)λ為0.8。經(jīng)計(jì)算該抽水蓄能電站岔管水頭損失引起的總效益損失F 見式（9）：

2.2 岔管導(dǎo)流板優(yōu)化體型

本文對(duì)岔管導(dǎo)流板進(jìn)行體型優(yōu)化,通過CATIA 建立模型,利用ICEM CFD 劃分網(wǎng)格,利用CFX 進(jìn)行模型設(shè)置及求解。導(dǎo)流板為加設(shè)在月牙肋兩邊的拋物柱面,三維模型見圖2。

圖2 岔管導(dǎo)流板三維模型

控制導(dǎo)流板體型的參數(shù)為導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角θ[14],是導(dǎo)流板脊母線與月牙肋的夾角,本文除了原岔管方案外,另設(shè)5 種導(dǎo)流板方案,見圖3,分別為導(dǎo)流板脊母線末端分別連接于支錐管1 的中點(diǎn)處（A）、支錐管1 與支錐管2 的交界處（B）、支錐管2 的中點(diǎn)處（C）、支錐管2 與支管的交界處（D）、支管上一點(diǎn)（E）。優(yōu)化方案與原方案共組成6個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。

圖3 岔管導(dǎo)流板體型優(yōu)化方案

2.3 網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置

本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)選用k-ε雙方程紊流模型,中等紊流強(qiáng)度。模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,對(duì)岔管原體型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析,網(wǎng)格數(shù)量超過500 萬時(shí),結(jié)果不再明顯變化[14]。岔管邊界條件為入口斷面給定質(zhì)量流,出口斷面給定靜壓。

3 結(jié)果分析

經(jīng)過 CFX 求解器求解的各方案水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化見圖4,加設(shè)導(dǎo)流板后,岔管發(fā)電工況水頭損失系數(shù)先減小后增大,抽水工況水頭損失系數(shù)一直減小。當(dāng)導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角θ為12.6°時(shí),發(fā)電工況水頭損失系數(shù)最小,由原岔管的0.330 減小到0.298；當(dāng)θ為30.8°時(shí),抽水工況水頭損失系數(shù)最小,由原岔管的0.47 減小到 0.266,減小44.46%。發(fā)電工況與抽水工況水頭損失系數(shù)的變化規(guī)律不一致,以發(fā)電工況為準(zhǔn),導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角應(yīng)取12.6°,而以抽水工況為準(zhǔn),導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角則應(yīng)取30.8°,無法得到唯一解。

圖4 水頭損失系數(shù)隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化

該抽水蓄能電站4 個(gè)岔管發(fā)電工況和抽水工況的水頭損失結(jié)果見表1。

表1 岔管水頭損失統(tǒng)計(jì)表 單位：m

水頭損失隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)與水頭損失系數(shù)的變化趨勢(shì)一致,發(fā)電工況先減小后增大,增減幅度較小,在9.72%以內(nèi)；抽水工況水頭損失從2.80 m 減小到1.55 m,以及從2.04 m 減小到1.13 m,隨著偏轉(zhuǎn)角越來越大,水頭損失不再明顯變化。

經(jīng)過計(jì)算得到岔管年效益損失隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化見圖5。

圖5 年效益損失隨導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的變化

圖5 顯示,隨著導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的增大,年效益損失先減小后增大。加設(shè)導(dǎo)流板后年效益損失急劇減小,當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為28°時(shí),年效益損失最小,為426.77 萬元,與原設(shè)計(jì)岔管相比減小了180.73 萬元,同比下降29.75%。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角大于28°時(shí),年效益損失有小幅度增加。通過岔管年效益損失模型,得到該抽水蓄能電站導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的最優(yōu)解為28°,此結(jié)果是綜合考慮發(fā)電工況與抽水工況下效益損失的唯一解。

4 結(jié)論

（1）本文提出了抽水蓄能電站岔管年效益損失模型,該模型綜合考慮抽水蓄能電站的建設(shè)運(yùn)營特點(diǎn),解決岔管體型優(yōu)化時(shí)發(fā)電工況和抽水工況變化規(guī)律不一致的問題。

（2）本文利用CFD 技術(shù),對(duì)抽水蓄能電站岔管進(jìn)行了導(dǎo)流板優(yōu)化,通過應(yīng)用岔管年效益損失模型得到導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角的最優(yōu)解,結(jié)果表明導(dǎo)流板偏轉(zhuǎn)角取28°時(shí)能夠減小該電站岔管29.75%的年效益損失。

（3）抽水蓄能電站岔管年效益損失模型可用于岔管體型優(yōu)化,優(yōu)于傳統(tǒng)的水頭損失系數(shù)判斷法及水流流態(tài)觀察法。