抽水蓄能电站岔管年效益损失模型

代 元

（陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000）

抽水蓄能电站在中国发展迅速,是一种稳定电网运行的调节工具,常与火电、水电配套使用。岔管连接发电机组,是抽水蓄能电站输水建筑物中最重要的一部分,产生的水头损失在输水系统总水头损失中占比较大,对岔管体型进行优化意义巨大,如何确定岔管体型的最优解是一个关键问题。

Perez-Garcia[1]、Sanmiguel E[2]、Guohui Gan[3]和TANG Jinglin[4]提出以岔管部分水头损失系数的大小来确定最优体型。季奎等[5]对小浪底U 型尾水岔管进行水工模型试验,观测岔管处水位变化情况,计算出岔管优化后电站的年收入可增加超过百万元。黄智敏等[6]对广州抽水蓄能电站的多个岔管群模型进行模型试验,通过比较水头损失和流场分布进行岔管体型优化。Abdulwahhab M[7]、夏庆福[8]、李玲[9]、王槐[10]等通过分析月牙肋岔管分岔角、肋宽比、分流比与水头损失系数的关系曲线来进行体型优化。陈文兵等[11]则采用数值模拟方法,研究了岔管的水流流态,认为对称流态最好,非对称流态最差。

前人进行岔管体型优化时从水头损失和水流流态两个方面进行考量,然而抽水蓄能电站不同于一般的引水式水电站,拥有两种水流流态,分别是正向的发电工况和逆向的抽水工况,各工况岔管的水头损失最小值对应的体型参数取值不一样,无法统一。另外岔管体型优化的本质目的是为了减少电站损失,增加运行效益,然而目前进行岔管体型优化时对于其经济效益从未考虑。本文针对以上问题,以抽水蓄能电站岔管为研究对象,将抽水蓄能电站的经济效益影响因素进行分析量化,建立岔管年效益损失模型,最后将该模型应用于某实际电站的岔管体型优化研究中,更深入和具体地研究该模型的可行性。

1 岔管年效益损失模型

抽水蓄能电站实际运行时,引水流量、抽水流量、运行时间等因素存在差异性,一般情况下,发电上网电价高于抽水电价,因此仅依靠流速分析与水头损失分析决定岔管最优体型是不全面的,本文通过分析抽水蓄能电站运行期的费用构成,建立岔管年效益损失模型。

抽水蓄能电站运行费用包括人员工资、抽水费用、库区维护费等,运行效益包括容量效益和发电效益等,与岔管体型有关的费用类型为抽水费用和发电效益,因此年效益损失简化为发电效益损失与抽水电量损失之和,发电效益损失是发电工况岔管产生水头损失而引起的效益损失,抽水电量损失是岔管抽水工况产生的水头损失引起的抽水费用的损耗。抽水蓄能电站岔管年效益损失模型以自然年内水头损失引起的效益损失值作为评估参数,选择年效益损失值最小的为优化结果。

水轮机发电出力损失和水泵抽水入力损失见式（1）、式（2）[12]：

式中：f、c 分别代表发电工况和抽水工况条件；ΔNfi为i 号岔管造成的水轮机发电出力损失,kW；ΔNci为i 号岔管造成的水泵抽水入力损失,kW；η为机组总效率；Q 为流量,m3/s；H 为水头损失,m。

抽水蓄能电站输水系统的机组出力、入力损失见式（3）、式（4）：

式中：Nf为输水系统水轮机发电出力总损失,kW；Nc为输水系统水泵抽水入力总损失,kW；n 为输水系统岔管总数。

水头损失引起的电站发电效益损失和抽水费用损失分别为式（5）、式（6）：

式中：kf为电站上网电价,元/（kW·h）；kc为电站抽水电价,元/（kW·h）；h 为年运行小时,h；λ为运行时间调整系数。

电站年效益损失为发电效益损失与抽水费用损失之和,得到岔管年效益损失模型见式（7）：

抽水蓄能电站岔管体型优化研究过程中,当年效益损失模型求得最小值时,该方案为最优体型方案,即：

2 工程概况

2.1 抽水蓄能电站概况

本文选取的算例输水系统为两洞四机,两个引水岔管,两个尾水岔管,均为对称Y 型月牙肋岔管,输水系统平面布置图见图1。

电站装机容量1400 MW,岔管主管直径4.8 m,支管直径3.4 m,分岔角为70°,单机发电流量92 m3/s,抽水流量78.5 m3/s,岔管正常运行工况静水压力为5.47 MPa[13]。机组总效率η为0.87,抽水电价kc取陕西省目前大工业生产用电低谷电价平均值0.212 元/（kW·h）,经计算,电站的电量价格即上网电价kf为0.4362 元/（kW·h）。年发电利用小时1672 h,年抽水利用小时2230 h,运行时间调整系数λ为0.8。经计算该抽水蓄能电站岔管水头损失引起的总效益损失F 见式（9）：

2.2 岔管导流板优化体型

本文对岔管导流板进行体型优化,通过CATIA 建立模型,利用ICEM CFD 划分网格,利用CFX 进行模型设置及求解。导流板为加设在月牙肋两边的抛物柱面,三维模型见图2。

图2 岔管导流板三维模型

控制导流板体型的参数为导流板偏转角θ[14],是导流板脊母线与月牙肋的夹角,本文除了原岔管方案外,另设5 种导流板方案,见图3,分别为导流板脊母线末端分别连接于支锥管1 的中点处（A）、支锥管1 与支锥管2 的交界处（B）、支锥管2 的中点处（C）、支锥管2 与支管的交界处（D）、支管上一点（E）。优化方案与原方案共组成6个实验方案。

图3 岔管导流板体型优化方案

2.3 网格划分及求解设置

本文进行数值模拟时选用k-ε双方程紊流模型,中等紊流强度。模型采用非结构化四面体网格,对岔管原体型进行网格无关性分析,网格数量超过500 万时,结果不再明显变化[14]。岔管边界条件为入口断面给定质量流,出口断面给定静压。

3 结果分析

经过 CFX 求解器求解的各方案水头损失系数随导流板偏转角的变化见图4,加设导流板后,岔管发电工况水头损失系数先减小后增大,抽水工况水头损失系数一直减小。当导流板偏转角θ为12.6°时,发电工况水头损失系数最小,由原岔管的0.330 减小到0.298；当θ为30.8°时,抽水工况水头损失系数最小,由原岔管的0.47 减小到 0.266,减小44.46%。发电工况与抽水工况水头损失系数的变化规律不一致,以发电工况为准,导流板偏转角应取12.6°,而以抽水工况为准,导流板偏转角则应取30.8°,无法得到唯一解。

图4 水头损失系数随导流板偏转角的变化

该抽水蓄能电站4 个岔管发电工况和抽水工况的水头损失结果见表1。

表1 岔管水头损失统计表 单位：m

水头损失随导流板偏转角的变化趋势与水头损失系数的变化趋势一致,发电工况先减小后增大,增减幅度较小,在9.72%以内；抽水工况水头损失从2.80 m 减小到1.55 m,以及从2.04 m 减小到1.13 m,随着偏转角越来越大,水头损失不再明显变化。

经过计算得到岔管年效益损失随导流板偏转角的变化见图5。

图5 年效益损失随导流板偏转角的变化

图5 显示,随着导流板偏转角的增大,年效益损失先减小后增大。加设导流板后年效益损失急剧减小,当偏转角为28°时,年效益损失最小,为426.77 万元,与原设计岔管相比减小了180.73 万元,同比下降29.75%。当偏转角大于28°时,年效益损失有小幅度增加。通过岔管年效益损失模型,得到该抽水蓄能电站导流板偏转角的最优解为28°,此结果是综合考虑发电工况与抽水工况下效益损失的唯一解。

4 结论

（1）本文提出了抽水蓄能电站岔管年效益损失模型,该模型综合考虑抽水蓄能电站的建设运营特点,解决岔管体型优化时发电工况和抽水工况变化规律不一致的问题。

（2）本文利用CFD 技术,对抽水蓄能电站岔管进行了导流板优化,通过应用岔管年效益损失模型得到导流板偏转角的最优解,结果表明导流板偏转角取28°时能够减小该电站岔管29.75%的年效益损失。

（3）抽水蓄能电站岔管年效益损失模型可用于岔管体型优化,优于传统的水头损失系数判断法及水流流态观察法。