混流式水泵水轮机全特性曲线的预测模型

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1、中国水利水电科学研究院第13届青年学术交流会论文文章编号：混流式水泵水轮机全特性曲线的预测模型1,2112311黄伟，杨开林，郭新蕾，马吉明，许要武，郭永鑫，李甲振(1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水利水电工程系清华大学，北京100084；3.国网新源控股有限公司技术中心，北京100161)摘要：为了解决在抽水蓄能电站初步设计阶段，缺乏水泵水轮机全特性曲线或套用相近比转速的全特性曲线误差较大等问题，提出一种水泵水轮机全特性曲线的预测模型。依据多

2、套不同比转速的混流式水泵水轮机的实测全特性曲线，利用最小二乘法建立了各特征工况点集的单位参数与比转速及导叶开度的显性函数关系，结合修正的内特性解析理论，实现了无需插值即可理论预测任意比转速水泵水轮机的全特性曲线。基于算例表明，理论预测与实测绘制的机组全特性曲线吻合程度较高，且在小开度时也保持了较高的一致性；在已知各特征点单位参数的情况下，理论预测与实测的最优等开度线基本吻合，单位流量最大相对误差不超过6%，单位转矩最大相对误差不超过9%，验证了该理论预测机组全特性曲线的实用性与准确性。该预测模型

3、可有效提高初步设计阶段机组还未选定前水力过渡过程的计算精度，为抽水蓄能电站的初步设计提供重要参考。关键词：比转速；混流式水泵水轮机；水力过渡过程；全特性曲线；内特性中图分类号：文献标识码：A1研究背景[1-4]抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频调相、旋转备用及黑启动等功能，在保障电网安全稳定、提高供电质量及优化电源结构等方面的作用无可替代。因而，受到世界各国的普遍重视。为了适应电力系统的负[5-6]载变化，往往需要抽水蓄能电站频繁地转换工况，由此引发一系列的水力过渡过程，严重时将给电站的安全与稳定带

4、来不利影响。故应在电站设计之初即充分考虑过渡过程对系统安全的影响。水泵水轮机全特性曲线是进行水力过渡过程数值模拟的关键要素，但在电站可行性研究及初步设计阶段，由于模型试验未开展或真机未选定，往往缺乏相应的全特性曲线，而套用比转速相近机组的全特性曲[7-8]线，误差较大。因此，如何在机组选定前较准确地预测全特性曲线成为了重要的研究方向。混流式水泵水轮机由于其适用水头范围广，已成为现代应用最广泛的一种水泵水轮机[9-10]。针对其[11]全特性曲线的预测研究已取得了一些成果。克里夫琴科研究将试验测量

5、的水轮机和水泵最优工况区部分特性曲线补画成全特性曲线，并统计分析了最优工况点对应的等开度线（以下简称为“最优等开度线”）[12上特征点参数间的关系。格连柯等]研究了混流式可逆机组水轮机最优工况单位参数与比转速的关系。[13-14]Martin给出了部分特殊工况下机组全特性曲线的变换型式及部分特征工况点的相对参数与导叶相对开度的统计关系。刘洁颖[15]和曾威等[16]分别统计了不同比转速水泵水轮机全特性曲线上特征工况点的[17][18][19]单位参数，给出了最优工况比转速与特征点单位参数间的拟合

6、关系。刘光临、朱满林和胡晓阳研究[20-21]利用BP神经网络技术预测水泵的全特性曲线。纪兴英提出了一种基于CFD的水泵水轮机“S”形特性区[22][23]的预测方法。Giovanna和LIJ.W.等通过实验研究了全特性曲线中的“S”形特性区对过渡过程的影响。然而，上述研究多针对全特性曲线上的最优工况或部分运行区域下的特征工况点参数之间的关系，并不能[24-25]完整预测水泵水轮机的全特性曲线。常近时从水泵水轮机的内在特性出发，建立了描述水泵水轮机全[26]特性曲线的数学表达式，为预测全特性曲线

7、提供了理论基础。朱艳萍等根据统计的综合特性曲线数据，分析内特性解析方程中的基本参数在特性曲线上收稿日期：2016.09.28论文未公开发表过。基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0401800）；国家自然科学基金项目（51109230，51609265）作者简介：黄伟（1990-），男，江西高安，博士生，主要从事瞬变流方面研究。E_mail:hwmy0214@163.com[27-28]的规律。ZengW等将特性曲线分区进行空间变换，通过三元插值及逆变换实现构造任意比转速机组的50全特性曲

8、线，但空间变换型式复杂，对于某一类全特性曲线无法给出变换后边界线的构造函数。为此，本文以多套不同比转速水泵水轮机的全特性曲线为研究对象，机组额定水头在100m～700m之间，涵盖高、中、低落差，建立各特征工况点集的单位参数与比转速及导叶开度的显性函数关系，继而利用修正的内特性解析理论，实现理论预测水泵水轮机的全特性曲线，以模拟分析抽水蓄能电站中的各种水力过渡过程，为管道参数的确定、输水系统的初步设计等提供重要的技术参考。2数学模型根据动量矩定理，可推得水泵水轮机在水轮机工况稳定运转时的力矩MT和