抽水蓄能机组的水动力学与稳定性

随着全球对气候变化的关注不断增加，许多国家纷纷采取行动，以减少碳排放并转向更可持续的能源。目前，在我国的电力系统结构中，火电的比重偏高十分明显，主要依赖煤炭等不可再生能源，这导致碳排放量大幅增加，并对环境造成了严重污染。在这一背景下，我国也提出了实施双碳目标的承诺，即到2030 年实现碳达峰，到2060 年后实现碳中和。为实现这一目标，中国需要进行能源利用方式的转换，其中抽水蓄能机组的重要性逐渐凸显。

抽水蓄能技术作为一种重要的能源存储技术，具有高效能源转换和储存能力，以及强大的调节能力，为可再生能源的集成和电力系统的稳定性提供重要的解决方案。随着我国近年来经济的快速发展，抽水蓄能电站以其独特的静态效益和动态效益得到了大力发展，近年来，中国加大了抽水蓄能机组的规模扩建力度，推动了多个大型抽水蓄能电站的建设。然而，运行稳定性问题是抽水蓄能项目建设面临的最大挑战。抽水蓄能机组运行时有多种工况，在其运行过程中工况之间时常发生转换，转轮内部会出现复杂的水力现象，特别是在偏工况运行条件下，水力不稳定现象突出。比如水泵水轮机经历泵工况下的启动或者停机时，经常进入小流量区域运行，但是在泵工况小流量区域内运行时，水泵水轮机的流量-扬程曲线存在严重的不稳定性。可逆式水泵水轮机是现代抽水蓄能电站中应用最为广泛的机组类型，可以实现转轮正转抽水，反转发电的双重功能。然而，在水泵水轮机运行时，转轮高速旋转与静止部件之间会产生强烈的动静干涉现象，进而导致机组产生强烈的压力脉动，与蜗壳中的压力波干涉、反射、叠加而出现了某种程度的重合，产生相位共振，这些现象的最直接的表现为异常的水力噪声和振动，产生的压力脉动信号会在流道及蜗壳中进一步传播，这种脉动特性是水泵水轮机机组产生振动的重要原因之一。在复杂的水压力荷载作用下，水泵水轮机组会产生一定程度的振动，尤其是转轮结构体与流体会产生复杂的流固耦合现象，当激励模态与转轮结构的固有模态相对应时，可能引发强烈的共振，进而破坏机组的安全稳定运行。

综上所述，随着我国双碳目标的提出和能源利用方式的转换，抽水蓄能机组作为能源系统的关键组成部分变得越来越重要。通过使用先进的数值模拟和实验验证方法，加大对水泵水轮机内部流动复杂性和水动力学特性的研究，分析水泵水轮机在不同工况下的内部流动特征，深入了解水泵水轮机组的内部水力特性，振动产生的条件和传播规律，对改善抽水蓄能机组运行的稳定性至关重要。这将为优化设计、智能化控制和实时监测提供科学依据，促进抽水蓄能机组的可靠运行和有效利用。