基于空间曲面的水泵水轮机全特性及过渡过程的研究

水泵水轮机国产化和机组运行稳定性是制约我国抽水蓄能事业发展的主要因素，而深入研究以非线性和统计性为特征的水泵水轮机全特性，以可逆性和失控性为特征的过渡过程与控制是突破制约的重要途径。本研究从空间曲面全新视角观察和描述全特性及基于全特性的过渡过程。综合数学、力学、控制论等多学科知识，从理论分析、模型试验、数学模拟和控制策略等多层面研究水泵水轮机全特性空间曲面的表征与构建、基于全特性的过渡过程数学仿真理论和算法、保证运行稳定性的非线性控制策略，力争揭示水泵水轮机全特性的非线性水力和动力特性，阐明水泵水轮机全特性空间曲面的变化规律，建立基于水泵水轮机全特性空间曲面的过渡过程数学仿真平台，提出基于水泵水轮机全特性空间曲面的非线性控制策略。成果为任意比转速水泵水轮机全特性空间曲面的数学描述、全特性数据库和预测软件、具有自主知识产权的过渡过程计算分析软件、保证机组高效稳定运行的控制策略。

为了满足我国抽水蓄能电站设计和运行的需求，针对过渡过程关键问题开展相应的应用基础研究。与国内外同类工作相比，其突出的进展是：①论证了水泵水轮机全特性空间曲面表征方式的优越性，其一：坐标平面将整个空间分为8个象限，全特性曲线按其工作区域占据5个象限；其二：参数方程表示的空间曲面，使得多值问题不复存在；其三：同一点坐标分量的基函数相同，有效地解决了对应性问题。由此，揭示了全特性的非线性水力特性与动力特性，实现了全特性空间曲面的重构。②收集了32套国内外水泵水轮机全特性资料，提取了特征点及空间曲面与坐标平面的特征交线；研究了特征点与比转速的相关性及变化规律；建立了特征交线随导叶开度、单位参数变化的相关性模型，得出了特征交线的半经验半理论表达式。从而阐明了不同比转速水泵水轮机全特性空间曲面的变化规律，开发了任意比转速水泵水轮机全特性构造软件，实现了全特性精细化的模拟。③提出了适用于任意复杂管网系统非恒定流计算的广义特征线法，提高了计算精度和计算效率；基于水泵水轮机空间曲面的机组数学模型，引入转速偏差函数，证明了迭代求解的唯一性；根据工况轨迹线的位置，采用压力脉动等值图插值方式，模拟过渡过程中的压力脉动，总趋势与实测一致；开发了一维管道和三维水轮机耦合的计算模型，既能考虑机组动态特性，又可节省计算资源。由此，建立了基于水泵水轮机全特性空间曲面的过渡过程数学仿真平台。④提出了基于水泵水轮机全特性空间曲面的非线性控制策略，包括大波动的导叶关闭规律优化，小波动的非线性控制策略；探讨了有/无调压室调节系统的稳定性与调节品质，及飞逸工况稳定性条件。其中：延时+快关的导叶关闭规律在惠州抽水蓄能电站反演分析中得到应用；飞逸工况稳定性判据，为剖析不同反S特性水泵水轮机模型实验发散和收敛相反结果的机理提供理论依据。⑤建成了国内外首座抽水蓄能电站过渡过程整体模型实验平台，开展了机组相继甩负荷、导叶拒动下飞逸工况等在原型电站无法承担风险的实验，为本项目研究及电站设计和运行中关键技术的突破提供了大量的、难得的实验数据。. 本项目发表文章57篇，其中国际刊物13篇，SCI检索14篇，EI检索14篇；取得3项软件著作权、1项发明专利和6项实用新型专利；8名博士生和16名硕士生参与研究，完成了4篇博士论文和11篇硕士论文；并广泛地开展了国际合作与交流。到达了预期的目的。