基于ICSSA-CFD的多目标优化方法用于确定水力发电机组的启动顺序，以抑制转轮的磨损和损伤

《Energy》：A multi-objective optimization of start-up schedule for hydropower units based on ICSSA-CFD for runner deterioration suppression

　　

张青泉|谢子峰|胡文清|陈婷希|肖志怀

中国武汉大学教育部水利机械瞬态重点实验室，武汉430072

摘要

本研究探讨了中国西南部某水电站中弗朗西斯式水轮机原型的启动过程，重点关注多目标优化及空化相关风险的缓解。采用改进的混沌麻雀搜索算法（ICSSA）来调整启动策略及相关控制参数，同时考虑转子速度跟踪、水压波动衰减和轴向水力推力减少，以实现快速而稳定的加速。在ICEM中建立并网格化了三维瞬态CFD模型，并进行了网格独立性测试，以确保关键流动特征的可靠预测。进一步研究了空化和通道涡流特性，以评估它们对启动过程中转轮激励和长期可靠性的潜在影响。比较了四种启动方案，方案3通过减少空化发展和减弱连续通道涡流，在保持良好启动动态的同时提供了最佳的整体性能。结果表明，协调优化启动计划和PID相关参数可以有效抑制水动力激励并提高运行稳健性，为大型弗朗西斯式水轮机的启动设计和控制调整提供了实用参考。

引言

水力发电是一种重要的可再生能源，在全球向可持续能源系统转型的努力中起着关键作用。在各种可再生能源形式中，水力发电因其可靠性而脱颖而出，其发电量在很大程度上依赖于水轮机的性能和稳定性，特别是在启动、负荷波动和停机等动态过程中。弗朗西斯式水轮机因其适应多种流量和水头条件的能力而被广泛采用，但在瞬态运行中面临重大挑战。这些挑战包括复杂的水动力现象，尤其是空化和压力波动，这可能导致机械振动和效率损失[1]，[2]。解决这些问题对于提高水力发电单元的安全性、效率和寿命至关重要。

水轮机的调节涉及多个子系统之间的复杂相互作用，包括水管、水轮机、调速器和发电机。虽然传统模型在稳态运行中已被证明有效，但它们往往无法捕捉瞬态过程中的非线性动态。孙等人强调了传统方法在建模弗朗西斯式水轮机非稳态压力波动方面的局限性，强调了先进数值方法的必要性。为了应对这些挑战，罗等人[3]探索了使用混合方法对水轮机启动过程进行多目标优化，展示了改进的运行稳定性。维塔诺夫斯基等人[4]对一种在两种模式（联合发电和冷凝）下运行的ORC轴向水轮机进行了多目标优化，证明了当设计得到数值支持时，可以在不同运行要求之间平衡性能目标。为了进一步强调非设计状态和瞬态相关流动特性的重要性，维塔诺夫斯基等人[5]研究了转子几何优化对ORC水轮机在非设计状态下的性能影响，并表明优化结果应在单个设计点之外进行验证，以避免在非设计运行下的性能下降。此外，齐奥尔科夫斯基等人[6]将粒子群优化与局部搜索方法和CFD计算相结合，改善了燃气-蒸汽轮机轴向最后级的流动，提供了一个“优化-CFD”闭环策略的明确示例，展示了基于仿真的改进效果。德罗辛斯卡-科莫尔等人[7]开发了一个基于高级遗传算法的信号处理框架，用于蒸汽轮机的多退化检测，说明了如何将运行或过程相关参数和可测量的动态响应与面向可靠性的决策联系起来。

总体而言，这些努力突显了将优化程序与基于CFD/物理的评估和可靠性考虑相结合的趋势，这对于在非设计状态和瞬态运行条件下提高水轮机性能越来越重要。这些努力强调了将先进的优化算法与CFD分析相结合的重要性，以实现更实用和稳健的方法来提高水轮机性能。

CFD分析在水力发电系统评估中至关重要，可以提供关于瞬态条件下流动行为、空化和压力波动的详细见解。孙等人[8]使用CFD模拟研究了弗朗西斯式水轮机中由空化引起的不稳定性，揭示了空化动态与流动不稳定性之间的复杂关系。同样，罗等人[9]利用CFD评估了运行参数对水轮机流动模式的影响，确定了缓解流动分离和空化的策略。这些研究强调了将CFD与优化技术相结合的重要性，以全面理解水轮机性能。

尽管取得了显著进展，但在水轮机启动过程中平衡多个目标仍存在挑战。主要关注点包括最小化水力瞬态、减少机械振动以及确保快速而稳定的加速至额定速度。传统的优化方法往往难以解决这些目标的冲突性质，需要更复杂的方法。法蒂玛等人[10]建议结合混合优化技术可以有效解决这些冲突，为提高水轮机性能铺平了道路。

本研究的具体流程框架如图1所示。本研究旨在通过开发一个全面的弗朗西斯式水轮机单元调节系统仿真平台来填补这些空白。该平台集成了详细的子系统模型，包括水管、水轮机、调速器和发电机，并采用了最先进的计算工具进行分析和优化。主要目标如下：

1.

使用神经网络建立水轮机调节系统的非线性动态模型，以提高准确性。

2.

使用ICSSA算法优化启动参数，结合混沌映射和高斯变异等先进技术来提高搜索效率和解决方案质量。

3.

通过CFD模拟分析优化参数对空化和流动动态的影响，以确保稳定和高效的运行。

本研究的主要发现表明，所提出的优化框架有效地平衡了多个目标，在启动过程中显著提高了稳定性、效率和空化控制。通过利用帕累托最优解和基于CFD的评估，本研究为提高大型水力发电单元的设计和运行提供了整体方法，从而支持它们在可持续能源系统中的关键作用。

节选

系统控制方法

本研究建立了一个大型混合流式水力发电单元调节系统的非线性模型。该模型主要包括五个模块：水输送系统、微调器、执行器、水轮机和发电机。

计算模型

本研究关注中国西南部某水电站的一台弗朗西斯式水轮机原型。全通道模型包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管等组件（见图7）。在蜗壳入口和尾水管出口增加了延长管道，以减少内部流场的干扰。表1列出了详细的单元结构参数和运行数据。

网格生成和独立性验证

ICEM软件为三维水轮机模型生成了结构化网格。

讨论

本研究提供了关于在非设计状态瞬态条件下弗朗西斯式水轮机原型启动优化的实际见解，其中空化和通道涡流是压力脉动、转轮应力和长期磨损的主要因素。通过应用基于ICSSA的多目标优化，调整了启动策略和PID相关参数，以平衡竞争目标（启动动态性能、压力波动缓解和轴向水力推力）

结论

本研究研究了弗朗西斯式水轮机的启动优化，并开发了一个基于ICSSA的多目标框架，以协调启动动态、压力波动缓解和轴向水力推力。采用了一个具有物理基础的空化描述的瞬态CFD模型（ANSYS Fluent，Zwart–Gerber–Belamri，SST k?ω，Δt=0.002 s，SIMPLE，T=298 K），以确保优化在现实的流动物理约束下进行评估。

主要结论

CRediT作者贡献声明

胡文清：资金获取。谢子峰：研究。肖志怀：撰写 – 审稿与编辑。陈婷希：监督。张青泉：撰写 – 原稿，方法论，资金获取，正式分析，数据管理，概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。