低水头永磁同步发电机磁极结构的优化设计

文章基于低水头流水发电的工况特点和并网原理,建立了永磁同步发电机的数学模型,并提出了相应的解析算法。采取场路结合的方法,分析不同磁极结构对凸极率、磁阻转矩、电感和波形畸变率等参数的影响。利用上述设计分析方法,对一台30 kW的小型低水头永磁同步发电机进行了优化设计,试验结果表明,该优化设计方案具有可行性和正确性。

低水头长距离输水隧洞进出水口水力特性研究

输水隧洞工程作为水资源配置的重要手段,其工程运行安全至关重要。在平原地区,引调水工程进/出水口水头差低,水头损失对干线输水能力影响较大。对低水头长距离输水隧洞特点进行了总结,以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例,通过1∶18正态物理模型试验研究了低水头长距离输水隧洞进/出水口水力特性。在多种运行工况下对进/出水口流态、压力、水头损失、门井波动、流速等参数进行了观测分析,对出水口闸门局开综合水头损失系数进行了试验,试验手段及相关参数可为类似工程提供参考。

低水头混流式水轮机空化研究综述

随着全球节能减排和可再生能源需求的日益增加,低水头水轮机发挥着重要作用。低水头混流式水轮机的空化空蚀现象将导致过流部件表面材料损坏,影响发电安全与效率。通过查阅国内外相关文献可知,造成水轮机空化空蚀的关键因素分为内因与外因,内因为水轮机的材料硬度、塑性及材料的抗空蚀性能,外因为水轮机过流部件的表面粗糙度、水轮机淹没深度、水体温度和水体中的气体含量。针对两方面原因,国内外学者讨论了改善措施以及数值模拟在研究水轮机空化空蚀的应用,认为多相瞬态流动的CFD分析对于了解水轮机流动特性和性能非常有帮助。基于满足工程实况与学科发展的需要,本文提出了未来研究混流式空化空蚀的部分参考方向,为低水头混流式水轮机空化空蚀的研究提供了一定的借鉴。

基于数值模拟的低水头闸坝工程下游冲刷动力研究

针对低水头闸坝工程长期面临下游河床冲刷问题,通过不同工况参数分析,构建闸室断面水工模型。同时,基于Fluent平台构建数值模型,采用边界设置以及动网格宏函数控制流体突变,从而改进模型。结果表明,粒径与冲刷流量对冲刷坑深度以及范围有直接影响;对下游冲刷坑流速进行分布数值模拟,二次开发模型能准确反映实际冲刷情况,相对误差0.092%,优于原有模型。研究成果可为水利工程的建设与维护提供技术参考。

低水头拦河坝(堰)生态性设计研究

在中小河流治理工程中,低水头拦河坝(堰)普遍存在强拦、社会功能为主、生态性不足的问题,引发河流演变新的矛盾。结合透水坝、柔性沙棘坝运行生态效果,提出生态设计弱作用理念,建立了河流与坝(堰)工程社会功能和生态功能协调的非线性多目标函数。依此理念和方法,研究改变传统坝(堰)结构,由实体型设计为开放型,有半拦河式、开孔式、梳齿式、网桩坝等多种布置型式。尤其是黄土高原小型淤地坝的新结构型式,能较好地维持沟壑环境,破解阶梯场地筑坝约束。弱作用及相关结构对其他水工建筑物的生态设计有借鉴价值。

低水头水电站库水位调控及经济运行的探索与实践

一、前言水电是绿色、低碳、清洁的可再生能源,为国家实现绿色低碳、安全高效的能源转型升级发展战略及助力实现“双碳”目标发挥重要作用。水电站机组发电出力与其运行的净水头成正比(机组出力P=9.81QHɳ),因此,水电站的发电量与水库运行水位及机组净水头关系密切,特别是低水头大流量、小库容的径流式水电站的运行水位对电站的发电效益影响更为突出。本文以丰海水电站为例,在充分研究电站前期设计成果及分析总结水库调度运行实践经验的基础上,借助水文气象预报信息技术高速发展,发挥上游季调节水库的联调作用,在确保电站水库防洪安全、不降低水库防洪标准的前提下,近年来通过探索电站汛期库水位动态管控模式,努力提高库水位和改善机组运行工况,强化管理降低水头损失,挖掘发电潜能提效益,取得了显著的成效。

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明:机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡带转为螺旋状涡带,之后又转变为幕布状涡带的过程。涡带的持续存在和动态变化不仅诱导了压力径向分布不均,也是导致压力波动剧烈的主要原因。研究成果可为提高抽蓄电站机组低水头起动并网成功率提供参考。

低水头大型水利枢纽汛期运行水位动态控制方法研究与应用--以长洲水利枢纽为例

水库汛期运行水位动态控制是促进雨洪资源利用、缓解水库防洪与兴利之间矛盾、提高水电站综合效益的重要手段。本文以长洲水利枢纽为例,针对低水头大型水利枢纽调度过程中面临库区上游淹没制约、下游尾水顶托、机组出力受限等多约束问题,构建了适用于此类工程的防洪与发电多目标联合优化调度模型,提出基于淹没临界控制线的调洪演算方法和发电流量逐次分配优化求解方法。通过长系列模拟演算和多方案对比分析发现,与常规方案相比,采用运行水位动态控制方案可以使枢纽汛期平均发电水头提升6.88%、平均发电量增加8.75%,经济效益显著。研究方法对低水头大型水利枢纽防洪与发电联合优化调度具有借鉴意义。

基于精细化建模的抽水蓄能机组低水头背靠背启动多目标优化

为解决低水头工况下抽水蓄能机组背靠背启动因调速与励磁参数配合不当而失败的问题,提出一种基于精细化建模的多目标优化策略。首先,充分考虑液压执行机构、水泵水轮机及过水系统、同步电机等环节的非线性,建立能仿真抽水蓄能机组水轮机、水泵、发电机、电动机运行状态的水–机–电耦合精细化模型。重点分析水头因素对于背靠背启动过程的影响,得出启动过程的有关物理规律。针对拖动机转速稳定时间和被拖动机转速超调量双目标,利用多目标优化算法对4种典型启动规律进行多目标优化,并引入熵权法对最优解集进行排序。仿真结果表明,提出的背靠背启动多目标优化策略能有效地抑制拖动机深入反S特性区运行,优化结果可为大型抽水蓄能机组的背靠背启动控制策略制定提供决策支持。

水泵水轮机低水头起动过程水力特性分析

抽水蓄能机组在低水头并网发电过程中常会由于水力不稳定性和其自身的反“S”特性导致并网失败,严重影响电力系统的调节品质。为探究水泵水轮机低水头起动过程的水力特性,基于力矩平衡方程控制转轮实时转速,采用增量式比例–积分–微分(proportion integration differentiation,PID)算法对活动导叶开度进行实时控制,借助动网格技术和计算流体动力学方法开展考虑PID控制的水泵水轮机低水头起动过程数值模拟,建立水泵水轮机内部流动演变与外特性变化的关联机制。研究表明:转轮所受压力在起动过程初始阶段最高,叶片表面压力系数为1.22,经过PID调节后减小至1.08。起动过程中转轮力矩的变化主要受叶道涡及驻点位置改变的影响,驻点在叶道内沿逆时针方向移动。水头的变化与转速和回流形态的演变密切相关,表现为转速主导影响了水头的变化频率,而回流的具体形态则影响了压力场的分布,进而决定了机组段水头的数值大小。研究成果可为提高水泵水轮机在低水头起动并网成功率提供参考。

现货市场环境下低水头梯级水电群精细化建模出清方法

梯级水电站间存在水力时空耦合关系,低水头电站调节性能较弱,在日尺度范围内水头变化较大,耗水率也随之变化,因此,在日前现货出清模型中不宜通过全天固定耗水率对低水头电站进行梯级水电约束简化处理。结合广西电网电力市场需求,以全社会购电成本最小及优先消纳清洁能源为优化目标,充分考虑低水头电站的水力特性曲线等复杂约束并对其进行线性化处理,构建基于梯级水电群精细化建模的日前出清模型,并调用商业优化求解器对模型进行求解。将广西电网34座水电站、101座新能源电站和47台火电机组的真实日发电计划边界数据作为参考,仿真结果表明所建模型能适应低水头电站的水头波动特性,反映梯级水电站之间出力和库容的联动关系,提升低水头梯级水电群的可发电能力。

低水头航电枢纽施工期河床变形数值模拟研究

文章采用二维水沙数学模型研究手段对依托工程施工期河段河床变形进行了研究,发现在枢纽施工期间,束窄段河床冲刷变形剧烈,冲刷泥沙在下游堆积,冲刷的泥沙主要在横向围堰下游回流区及坝轴线下1000~1800 m附近的河床淤积。得到如下结论:上游至横向围堰进口处泥沙主要在围堰束窄段出现冲刷,冲刷泥沙主要在下游横向围堰出口以下淤积;泥沙冲淤量随流量的增长而增长,随过水断面的增长而减小。

低水头水电站技术供水几个问题的探讨

就低水头水电厂技术供水经常出现的技术供水系统水源的问题、技术供水系统的排污问题、技术供水系统的多精度供水问题和技术供水系统的运行故障诊断问题进行一些初步的探讨,提出了十分有效的处理办法。

低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究

对于具有低水头、大单宽流量、低佛氏数、深尾水以及下游水位落差变幅大等特点的泄洪消能问题,其过流特点是:由于闸下跃前水流的佛汝德数较低,消力池内水垫较深,水流下泄后下游水位对闸室水流和消力池内水流流态影响较大。通过水工模型试验研究,提出了采用淹没式宽尾墩消力池联合消能方式。在闸室末端采用宽尾墩后,水舌沿纵向拉伸扩散,消除和抵消了常规的等宽闸墩情况下出现水跃的来回震荡现象,水流经宽尾墩收缩后,以淹没射流形式进入消力池,池内水流具有三维射流特性,消力池内产生横、纵向扩散和剪切、掺混,加强了消能效果,达到了稳定水跃、分散水流、加强紊动剪切和掺混的目的,较好地解决了下游河床的消能防冲问题。

低水头拦河闸下游一、二级消力池的布置

为了解决低水头拦河闸下游河床下切、河道水位下降造成下游消能工无法正常运行的问题,需要对拦河闸工程下游消能工进行除险改造或重建。基于广东省3座拦河闸除险改造和重建工程的水力模型试验研究成果,对低水头拦河闸下游两级消力池的布置进行研究,提出加高一级消力池尾坎顶及在下游陡坡段设置外凸型阶梯跌坎等优化措施。试验结果表明,采取上述措施可大幅度提高消力池水流消能率,简化消能工设施,节省工程投资。

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m3/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.

低水头水利枢纽泄水闸闸前冲刷研究

针对低水头水利枢纽坝前附近的冲刷问题,建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理及数学模型,利用动床物理模型观测了闸前冲坑发展过程,然后采用定床物理模型和三维数学模型研究了闸前冲刷初始时刻、中期时刻及稳定时刻的三维流场。结果表明:冲刷初期水流受挡水闸阻水作用,在闸前近壁区水流下潜形成漩涡,闸前呈现复杂的三元流流态,从而造成闸前床面泥沙大量启动,迅速形成冲坑。在冲刷中后期,下潜水流流速在冲坑内部沿水深方向逐渐减弱,漩涡现象不明显,冲坑发展变缓,最终达到平衡。

低水头水电站凸岸取水防沙工程措施研究

针对金子滩、川王宫、乐英3个低水头水电站,通过模型试验,对取水口前的导水墙和拦沙坎(墙)的高程、型式、布置方式、冲沙闸前束水导墙的高程、布置型式、以及水电站的运行方式和泄冲闸前淤沙情况等进行了研究。结果表明:只要采取合理的工程措施,就能保证凸岸取水口取到表层清水,保证水电站的良好运行。几年的电站运行实践也证明了研究结论的正确性。

低水头条件下常用底流消力池的对比研究

低水头消能工常常存在水流佛氏数小、消能效率低等问题,为此常在底流消力池中添加辅助消能工以求达到良好的消能效果。国内外常用的低佛氏底流消力池有USBR-Ⅳ型、ISI型、SAF型和T型等4种型式。文章采用k-ε方程紊流模型并结合VOF追踪自由水面法,通过数值模拟对上述池型各自的消能效果、流态分布、工程造价等方面进行对比研究,以期为工程设计提供科学有效的理论支撑和参考。

低水头水闸下游消力池长度优化研究

低水头水闸下游消力池的水流条件较复杂,水闸出流条件(自由出流、淹没出流)对闸下游的流态和水跃长度影响较大。通过水力模型试验研究,提出了水闸闸门全开敞泄、宣泄最大流量运行条件的下游消力池长度的计算方法:水闸出流为自由出流时,可按现有的水闸设计规范的方法计算消力池长度;水闸出流为淹没出流时,闸下游水跃长度较短或呈无水跃状态,此时,可采用水闸上游为正常蓄水位、闸门控制下泄最大开度泄量计算消力池长度。研究成果可合理地计算和选取低水头水闸下游消力池长度,在确保工程安全运行的前提下,大大节省工程投资。