基于双端耦合模拟的抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程调整方法与流程

本发明属于抽水蓄能电站，具体涉及一种基于双端耦合模拟的抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程调整方法。

背景技术：

1、目前，抽水蓄能电站是朝着高水头、大容量发展，但是高水头意味着更高的风险。因为，水泵水轮机机组启停、事故工况停机(甩负荷、飞逸)、正常停机等均可引起流量和压强的急剧变化。当压强降低到汽化压强并维持一段时间，液体汽化形成空化泡，空化泡随着液体流动，甚至可能发育、聚集长大到占据整个过流截面，液柱拉断，产生水柱分离，继而诱发强烈的反水击冲击。由于分离的水柱重新弥合会导致巨大的压力上升，这可能会引起机组旋转部件抬起(即抬机)，导致机组损坏。目前工程上为了防止水柱分离，采用经验公式方法，将一维过渡过程计算得到的尾水管进口水锤波压强与估算的脉动压强全部叠加作为尾水管水柱分离的控制条件，过于苛刻的水柱分离限制条件导致高水头水泵水轮机安装高程降低到–100m甚至更低，地下厂房也随之降低，这大大增加了施工难度和工程投资。因此，经验公式方法无法准确确定水泵水轮机机组的安装高程，需要进一步发展一种能够更为精确调整机组安装高程的方法。

2、计算流体动力学(computational fluid dynamic，cfd)模拟是解决上述问题常用的分析方法，但由于水柱分离现象包含液态水和汽态水两相，其中还涉及到液态水和汽态水之间的质量交换，对于带有调压室的高水头抽水蓄能电站，调压室内部的流动涉及空气和液态水两相，目前现有基于一维三维耦合的cfd数值模拟方法将水泵水轮机采用三维方法进行计算，管道、调压室等采用一维方法进行计算，调压室阻抗孔采用经验系数确定，无法同时精确模拟出尾水管水柱分离和尾水调压室的自由液面，进而不能为抽水蓄能电站设计时水泵水轮机机组安装高程的调整提供可靠意见。因此，需要改进cfd模拟方法，为抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程精确确定提供参考。

技术实现思路

1、本发明针对上述工程技术问题，提供基于双端耦合模拟的抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程调整方法，可以依据水泵水轮机甩负荷过程中尾水管内部的水蒸汽体积和转轮所受的向上轴向力，判定是否发生尾水管水柱分离，进而确定是否调整抽水蓄能电站中水泵水轮机的安装高程，为抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程设计提供参考。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于双端耦合模拟的抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程调整方法，包括以下步骤：

4、a、建立某一安装高程下抽水蓄能电站全流道三维模型，所述全流道三维模型包括上游输水系统、水泵水轮机和下游输水系统；

5、b、选取上游交界断面和下游交界断面，确定上游双端耦合段和下游双端耦合段；

6、c、分别对上游输水系统、上游双端耦合段、水泵水轮机、下游双端耦合段和下游输水系统划分网格单元，所述上游输水系统和水泵水轮机分别与上游双端耦合段的重叠部分、水泵水轮机和下游输水系统分别与下游双端耦合段的重叠部分均具有相同的网格单元，并分别导入cfd软件进行甩负荷过渡过程计算；

7、d、水泵水轮机采用k-epsilon湍流模型和mixture空化模型进行求解，设置流场边界条件，全区域求解收敛，得到甩负荷过渡过程中水泵水轮机区域内每个体网格单元的液态水和水蒸汽两相的流场信息以及两相之间的质量、动量交换情况；

8、e、上游输水系统和下游输水系统均采用k-epsilon湍流模型和vof自由液面模型进行求解，设置流场边界条件，全区域求解收敛，得到甩负荷过渡过程中上游输水系统和下游输水系统全区域中每个体网格单元的液态水和空气两相的流场信息以及两相之间的动量交换情况；

9、f、上游双端耦合段和下游双端耦合段采用k-epsilon湍流模型，将上游输水系统和上游双端耦合段、下游输水系统和下游双端耦合段分别重叠的体网格单元的计算结果作为输入条件，进行上游双端耦合段和下游双端耦合段的液态水单相流迭代求解，进而得到上游交界断面和下游交界断面的面网格单元的流场信息；

10、g、以50s为总时长、以0.001s为一个时间步长，重复步骤d～f，将步骤f中得到的上游交接断面和下游交接断面的面网格单元的流场信息分别作为下一个时间步长的水泵水轮机的流场边界条件、上游输水系统和下游输水系统的流场边界条件，并进行下一个时间步长的水泵水轮机区域内、上游输水系统和上游输水系统全区域、上游双端耦合段和下游双端耦合段的体网格单元的流场信息迭代计算，同时记录每次计算时得到的尾水管内部的水蒸汽体积和转轮所受的向上轴向力；

11、h、根据尾水管内部的水蒸汽体积和转轮所受的向上轴向力，判定是否发生尾水管水柱分离，进而确定是否调整抽水蓄能电站中水泵水轮机的安装高程。

12、在一个技术方案中，步骤b中所述上游交界断面为上游输水系统与水泵水轮机之间不发生空化的断面，所述下游交界断面为水泵水轮机与下游输水系统之间不发生空化的断面，选取上游交界断面前后若干倍管道直径长度的管道作为上游双端耦合段，选取下游交界断面前后若干倍管道直径长度的管道作为下游双端耦合段。

13、在一个技术方案中，选取上游交界断面前后五倍管道直径长度的管道作为上游双端耦合段，选取下游交界断面前后五倍管道直径长度的管道作为下游双端耦合段。

14、在一个技术方案中，所述网格单元为六面体或三棱柱，且网格单元的最大边长不超过断面直径的5％。

15、在一个技术方案中，步骤h具体包括以下步骤：

16、当尾水管内部的水蒸汽最大体积v>0.5m3，且最大向上轴向力fz>水泵水轮机组旋转部件重力g并持续0.2s以上，则判定发生尾水管水柱分离，且需要降低水泵水轮机组的安装高程；

17、当尾水管内部的水蒸汽最大体积v>0.5m3，且最大向上轴向力fz>水泵水轮机组旋转部件重力g并持续0.2s以内，则判定发生尾水管水柱分离，但不需要调整水泵水轮机组的安装高程；

18、当水蒸汽最大体积v<0.5m3，且最大向上轴向力fz<水泵水轮机组旋转部件重力g，则判定未发生尾水管水柱分离，且需要提升水泵水轮机组的安装高程。

19、在一个技术方案中，所述降低水泵水轮机组的安装高程按照以下公式进行：δh＝(p1–p2)/(t2–t1)×(t3–t2)/ρ/g，其中：ρ为液态水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；t1为水柱分离起始时刻；p1为水柱分离起始时刻t1尾水管进口断面压强，pa；t2为水柱分离完全形成时刻；p2为水柱分离完全形成时刻t2尾水管进口断面压强，pa；t3为水柱分离溃灭时刻。

20、在一个技术方案中，所述提升水泵水轮机组的安装高程按照以下公式进行：δh＝(pmin–pv)/ρ/g，其中：ρ为液态水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；pmin为水泵水轮机流道内最低压强，pa；pv为饱和水蒸汽压强，pa。

21、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

22、本发明采用双端耦合，充分考虑了水泵水轮机甩负荷过程中上游调压室和下游调压室内液态水和空气的两相问题，通过体网格单元向面网格单元再向体网格单元的数据传递，进行总时长内水泵水轮机区域内、上游输水系统和上游输水系统全区域、上游双端耦合段和下游双端耦合段的体网格单元的流场信息迭代计算，进而可以依据水泵水轮机甩负荷过渡过程中尾水管内部的水蒸汽体积和转轮所受的向上轴向力，判定是否发生尾水管水柱分离，进而确定是否调整抽水蓄能电站中水泵水轮机的安装高程，为抽水蓄能电站水泵水轮机机组安装高程设计提供参考。