抽水蓄能电站进出水口水力性能优化

帅涛 刘伟

安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司， 安徽省六安市  237335

摘要：当工程设计师首次设计用于抽水蓄能的进出水口体型时，如何在指定值内尽可能地优化体型以获得更好的水力性能。通常需要使用三维数值模拟方法来优化抽水蓄能电站进出水口的水力性能。通过模拟进出水口处的双向流动，k-e模型用于减小松弛系数，并从流动分布和流动中获得流场。考虑到分布和流量分配，通过计算，比较和分析进出水口流速不均匀系数，孔口流量分配系数和水头损失系数，最终获得具有良好水力性能的体型，为类似优化设计问题的参考。

关键词：抽水蓄能电站;进出水口;水力性能优化

与常规水力发电厂不同，抽水蓄能电站在进出水口一体化的两个方向上运行。 进出水口的水力特性复杂，入水时容易产生旋涡，各通道的流速分布和灌溉分布不均匀。进出水口的水头损失的大小与发电厂的经济效益直接相关，设计人员一直在研究进出水口的水力性能。计算流体动力学的进步以及计算机硬件性能的不断提高，使得三维数值模拟越来越准确，并广泛用于水力发电厂的设计和优化中。。

一、抽水蓄能电站概述

抽水蓄能电站利用电能在低功率负荷期间将水输送到上部水库，然后在高峰功率负荷期间将水排放到下部水库以发电，也称为蓄水电站。电网负载较低时，多余的电能可以在电网峰值处转换为高价值电能，还适用于频率和相位调制，可稳定电力系统的周期和电压，并适用于事故备用。还可以改善系统中的火力发电厂以及核电站的效率。我国抽水蓄能电站的建设起步较晚，但起点较高，近年来兴建的一些大型抽水蓄能电站的技术处于世界最高水平。

二、体型优化设计

抽水蓄能电站的初步布局如下：三孔六机布局，在发电条件下额定单机流量为57.8m/s，泵模式下单机最小扬程泵流量为4876m'/。上层库的给水口和给水口采用岸边型，三个给水口和给水口以相同的形状平行布置。每个入口和出口反涡旋光束部分的长度为10 m，总共有5个反涡旋光束。横截面尺寸为1.0mx1.5m，光束间距为1.0m。设置两个分离器对等体，将进口和出口分成三个孔。孔口的尺寸为5.5mx9.0m，发散墩的宽度为1.5m，每个孔的网状物为5.5m。发散墩的前部是弧形曲线。扩散段的长度为0.5m，平面为双向对称扩散，总扩散角为24.212“，高度为单向扩散，顶板扩散角为4.965°。在每个扩散段内，起始净空为3x55× 9.0m，末端净空4.7x6.0m，侧墩，底板，支墩厚度1.5m，顶板厚度1.0m。3个支墩分为3个通道，各流路的扩散角小于10°，即使满足规格要求和推荐的设定范围，在设计上述主体形状时，流速分布也不均匀，流场分布也不均匀。由于缺乏光滑度，我们计划采用三维数值模拟方法，减少工程调整量，局部优化出入口的形状，经过局部调整后，优化形状将比较并分析液压性能是否更好。要优化的体型为：首先体型1，中间孔减少到5 m。其次体型2，中间孔的分流比从0.32增加到0.34，墩距尾部的距离为1.598 m。最后体型3，有三种类型将分支墩的尾部向上存储，移动0.5d = 2.35m。

三、数值模拟

（一）控制方程

絮流代表粘性流体运动的Nsier-S1，因为它是在某些条件下的粘性流体运动的一种模式。该公式可应用于主要流量，由于絮流运动的复杂性，在经济上不可能尝试求解整个流场的所有流场细节，只有絮流的统计平均值才有意义。根据雷诺的时间平均方法，简要介绍了絮流的连续性方程和动力学方程，不可压缩流体的连续性方程下面公式。

该计算使用Launder Spalding提出的standard-c模型，这是基于求解絮动能k和絮流扩散率e的输运方程建立的半经验絮流模型，絮动能k的输运方程是从一个精确的方程式导出的，但是絮流扩散率e的输运方程具有特定的近似值。在推导标准k-s模型的过程中，认为絮流被充分发展并且分子的粘度被忽略。

（二）边界条件

在数值模拟计算过程中，仅当各种絮流模型的控制方程确定合理的边界条件时，才能计算流场解，该计算使用单向流动来模拟入口和出口处的双向流动。在正常的蓄水水平下，发电条件设置为速度入口和自定义的梯度压力出口。抽水条件是速度入口和水库部分的自由流出计算。防滑壁没有相应的粗糙度。使用ke模型来减小松弛因子并反复获得流场。自由液面采用刚性覆盖假设，并设置使水面近似于波动较小的光滑自由面的对称边界条件，并将其他壁边界设置为防滑固体壁边界条件。

四、计算结果对比分析

（一）流速不均匀系数

通过测量进出水口的流速分布，可以判断流速分布的均匀性。流速分布的非均匀性系数是截面中最大流速与平均流速之比，表示截面中流速分布的均匀性。通常，拦污栅门槽的流速分布应满足以下条件：油和水的流速分布的不均匀系数不超过1.5，发电的流速分布的不均匀系数不超过20。第1、2和3部分分别位于拦污栅的侧孔、中间孔和侧保持槽中。经过比较和计算，每种体型的进出水口的流量不均匀性。当与原始体型相比改善体型时，中孔显示出流速增加。其中，与其他两种体型相比，改进的体型1中孔的平均流速最大，不均匀系数最小，而体型3中孔的平均流速的增加幅度最小，但不均匀系数更高。是最大的，与缩短码头的方形横截面相同。尾部与無法更好地引导水流通过收缩部分有关。

（二）水头损失及水头损失系数

进出水口的损失压头主要是部分损失的压头损失，损失头的大小是用于测量入口和出口的流量条件的指示器。根据计算，体型2的水头损失系数最小，受水流湍流的影响，但在扩散部分附近有局部回流，但水流模式明显大于其他主体类型。

结语：综上所述，本文使用三维数值模拟来优化抽水蓄能电站进出水口体型的设计，分析各种体型的优化水力性能，并流出不均匀性。使用孔口流量分布和压头损失等指标分析流场，以评估各种形状的水力特性。通过与原始体型的计算结果进行比较，可以得出结论，通过适当增加导流墩尾部中心孔之间的距离，可以使流速分布更加均匀，并使水流扩散更加稳定。当工程设计人员首先执行抽水蓄能的进出水口体型设计，然后考虑如何在指定的值范围内优化体型时，这种优化设计思想和方法就是，可以在发生类似问题时为水电工程设计人员提供一些参考。

参考文献

[1]徐准，吴时强.抽水蓄能电站侧式进/出水口隔墩布置对水力特性的影响[J].水利水电科技进展，2020，40（03）：21-27+67.