CN101655063B - Kaplan机组的在线调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种KAPLAN机组的在线调节方法，其有益效果在于在不改变原有KAPLAN计算机控制系统的基础上，基于原有的协联关系，将输入控制系统的实际水头信号截取并屏蔽，转而将一虚拟水头信号输入控制系统，从而形成新的导叶与桨叶相对开度的组合关系，调节出流条件，从而达到调节流量的目的。由此一来，本发明所提供的在线调节方法借助原有计算机控制系统，即可实现水电站机组系统的实时调节，也就可根据水电站的运行条件，如水头、流量及流量在机组间的分配等，实时的实现各种调节目标，实现水电站的高效、经济运行。

Description

KAPLAN机组的在线调节方法

【技术领域】

本发明涉及一种水电站水轮机组工作状态的调节方法，尤其是指一种KAPLAN机组在线调节方法。

【背景技术】

当今，能源十分紧缺。油、煤等不可再生能源日益枯竭，使人们对可再生能源的依赖日益增加。这正是水电、风电、太阳能发电得以蓬勃发展的主要原因。而在诸多的可再生能源中，水电的经济性最优。但是人们的注意力往往只停留于发掘新的水能资源，却忽视了对原有水电站发电设备的技术改造以提高发电效率。随着中高水头电站的广泛开发，可开发资源正在日益减少。近二十年来，水头H≤50m，且具有最优经济性能的KAPLAN(转桨式水轮机)机组型水电站，已逐渐成为水电资源开发的主流。

然而，传统的KAPLAN机组在机组安装、检修完毕后，其导叶与桨叶的协联关系就被设计固化，一旦水电站入水将再无法进行调节，在电站发电过程中的整个调节均是通过传感器感知后由计算机控制系统按照既定方式自动完成的，整个调节过程外界无法介入干预，无论是于电站建设初期和建修过程中的弃水期，还是电站建成后的正常运作期，此种完全依靠自动控制的方式于许多时候并不适用，例如在使用过程中会由于水头测量的误差造成的导叶与桨叶间协联关系的不准确，此外水电站建成后，由于流态的复杂性，往往使前池中进入各水轮机的流量分配不平衡，这时各机组依然按既定的协联关系运行，不仅会影响系统整体机组的出力，效率也无法保持最大。同时使用此种KAPLAN机组的水电站导叶与桨叶的协联关系仅仅是依照效率最大的原则组合，在电站存在弃水，调峰和安装前期，无法增大出力，影响电站进一步利用氺能资源。如何在不改变原有KAPLAN机组控制调节系统基础上为其配备一个更高效且可再调节的方法，以增加现有KAPLAN机组水电站的发电效益，已成为业内亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种可自动进行最优调整，保证电站发电机组工作于最大出力的KANPLAN机组的在调节方法。

本发明的目的是这样实现的：一种KAPLAN机组的在线调节方法，其改进之处在于：于原有KAPLAN计算机控制系统上，将输入控制计算机的实际水头信号截取屏蔽并替换为一个虚拟的水头信号下行至控制水轮机调速机进行调速，其具体调节方法包括以下步骤：

a)、调入KAPLAN机组协联关系表，将原有KAPLAN机组中导叶与桨叶相对开度的协联关系读入；

b)、导入水轮机组相关运行模式数学模型；

c)、机组运行参数限值设定，设定机组运行的相关安全限值，保证机组运行过程中的稳定性和耐久性；

d)、读取实际水头H，并将原该信号于系统中屏蔽，不直接参与输出至水轮机调速器；

e)、选取虚拟水头值，其选取方法为，以步骤d所输入的实际水头H为数值中心，取步长为δ，Z₁，Z₂为整数的[H-Z₁δ，H+Z₂δ]区域内选取至少一个数值做为虚拟水头取值；

f)、将选取的虚拟水头值输出至水轮机调速器；

g)、稳定运行延时，延时一段时间至水轮机调速器的相关执行机构完成调整；

h)、运行参数采集，通过原有接入KAPLAN计算机控制系统的传感器进行运行参数采集；

i)、判断运行参数是否超限，对采集所得的运行参数对比步骤c中所设定限值，判断是否超限；

j)、若运行参数超限则返回步骤e，重新选取虚拟水头；若运行参数并无超限则存储相关参数及虚拟水头值；

k)、从存储的运行参数中选出满足步骤b中导入数学模型的最大解所对应的虚拟水头；

l)、将该最大解所对应的虚拟水头输出至水轮机调速器；

所述步骤b中的运行模式数学模型为水轮机组最大出力数学模型。

所述步骤c中的机组运行参数限值设定包括振幅限制、摆度限制、功率限制和空蚀限制。

所述空蚀限制应该符合式

其中H_s为实际吸出高度，H′_s为理论吸出高度，

为下游水位，k为安全系数，σ为空蚀系数；所述空蚀限制式中的下游水位

是由运行中适时测量得出的，在得到该下游水位

后，由该式算出H′_s，并与H_s进行空蚀是否安全的判断；

所述步骤e中虚拟水头选取方法中的步长δ，其取值不小于水轮机调速器的最小调整精度。

本发明的有益效果在于在不改变原有KAPLAN计算机控制系统的基础上，并基于原有的协联关系，将输入控制系统的实际水头信号截取并屏蔽，转而将一虚拟水头信号输入控制系统，从而形成新的导叶与桨叶相对开度的组合关系，调节出流条件，从而达到调节流量的目的。由此一来，本发明所提供的在线调节方法借助原有计算机控制系统，即可实现水电站机组系统的实时调节，也就可根据水电站的运行条件，如水头、流量及流量在机组间的分配等，实时的实现各种调节目标，实现水电站的高效、经济运行。

【附图说明】

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为KAPLAN机组调节中导叶与桨叶相对开度协联函数关系原理图。

图2为本发明的在线调节方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明涉及一种可基于原有水KAPLAN水电站计算机调节控制系统的在线调节方法。

习知的KAPLAN机组的水电站，其优越性在于于发电机组处采用了导叶/桨叶双重调节，控制时根据导叶和桨叶间的协联关系即可在调节导叶相对开度的同时，也自动调整桨叶相对开度。当水电站检测设备得出实际水头H后，由操作人员根据实际来水量大小和运行要求确定输入导叶相对开度

随后计算机控制系统会将该数值送至水轮机调速器，水轮机调速器即会按照其内设定控制模式中的导叶与桨叶协联关系函数

得出桨叶相对开度

的调整值并对其进行自动调整，该协联关系函数是通过水轮机模型试验所形成的既定函数后固化设置于水轮机调速器的控制模式中的。

随着时代的进步，水轮机调速器中的控制模式也从早些时候的依靠凸轮式机械传动改为了现行的微机控制调速器，该微机控制调速器通过配备相应计算机控制系统实现智能调节，控制系统一方面接收来自传感器输入的实际水头测量值H并提供一个人机界面供操作人员设定导叶相对开度

的值，随后根据设定好的导叶与桨叶协联关系函数得出桨叶相对开度

再用微机控制调速器对水轮机的导叶开度与桨叶开度分别进行控制，可是由于传统观念的影响，人们只是简单的照搬了原有凸轮式机械传动调速器的控制模式，将这种协联关系函数与实际水头高的对应关系用程序固化存储于控制系统中，如图1，当传感器测得的水头分别为H₁、H₂、H₃，导叶相对开度为取为

时，桨叶相对开度由于受到与导叶相对开度的协联函数关联，其只能分别取

这种与实际水头直接关系的导叶、桨叶协联控制方法导致了整个水电站发电机组一旦安装完毕，差压计将实际水头信号输入计算机调节控制系统后，其水轮机调速器的导叶就唯一确定了桨叶开度

忽视了技术进步，已不足以满足社会进步的需要。

如图2，本发明所涉及的KAPLAN机组的在线调节方法共包括如下步骤：

a)、调入KAPLAN机组协联关系表

将原有KAPLAN机组中导叶与桨叶相对开度的协联关系读入；

b)、导入水轮机组最大出力数学模型；

当电站处于弃水期(也包括电站安装周期内部分机组享用全部水能资源时)

电站需要增大调峰能力时——由于高峰期电价远高于平峰期，此时可相对不考虑水量平衡问题而增加发电量)

于以上情况时，电站中水轮机组以最大出力方式工作为最佳，此处导入的最大出力数学模型如式(1.1)

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MAX}& N=\mathrm{\γH}\·{\left(\mathrm{Q\η}\right)}_{\max }\\ \mathrm{st}.& S_i^a\≤S_i\≤S_i^b\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)...\left(1.1\right)$

式中N-机组出力，γ-水的容重，H-净水头

Q-机组引用流量，η-机组效率

S_i-机组运行参数，如振动、摆度、空蚀等

-机组运行参数允许的上、下限值

c)、机组运行参数限值设定，设定机组运行的相关安全限值，保证机组运行过程中的稳定性和耐久性；

为了保证水轮机组工作于最大出力情况下机组能满足稳定运行和空蚀安全，设定相关运行参数限值，通常的至少需要对机组运行过程中的振幅限制、摆度限制、功率限制和空蚀限制做出设定(如式1.2)

式(1.2)中H_s为实际吸出高度，H′_s为理论吸出高度，

为下游水位变程，k为安全系数，σ为空蚀系数.

d)、读取实际水头H，并将该信号于系统中屏蔽，不直接参与输出至水轮机组调速器；

e)、选取虚拟水头值。

该虚拟水头值的选取方法为，以步骤d所输入的实际水头H为数值中心，取步长为δ，Z₁，Z₂为整数，于[H-Z₁δ，H+Z₂δ]的区域内进行选取，并选取多个虚拟水头数值(注：由于实际水头H∈[H-Z₁δ，H+Z₁δ]，故实际水头的取值也在虚拟水头范围内)，输至出后续步骤，以便计算机最终对各个虚拟水头对应的出力效果进行筛选从而选出其中相对出力最大的虚拟水头进行采用；

用于选取虚拟水头的[H-Z₁δ，H+Z₂δ]的区域，其边界决定因数的整数Z₁，Z₂，两数可根据实际情况取相等Z₁＝Z₂，也可能取Z₁＞Z₂或Z₁＜Z₂，而边界因子的步长δ的取值大小则取决于水轮机调速器的调整精度，且不小于水轮机调速器的最小调整精度；

f)、将选取的虚拟水头值输出至水轮机调速器；

g)、稳定运行延时，延时一段时间至水轮机调速器的相关执行机构完成调整；

h)、运行参数采集，通过原有接入KAPLAN计算机控制系统的传感器对运行参数进行采集；

i)、判断运行参数是否超限，对采集所得的运行参数对比步骤c中设定的各项限值，判断是否超限；

j)、若运行参数超限则返回步骤e，重新选取虚拟水头；若运行参数并无超限则存储相关参数及虚拟水头值；

k)、从存储的运行参数中选出对应最大出力的虚拟水头。

为了最快取得最大解下所对应的水头参数，可结合步骤e，于虚拟水头选择中对选值区间[H-Z₁δ，H+Z₂δ]采用二分法、0.618法等方法选取虚拟水头值后进行实测，从而快速的选出最优虚拟水头。

l)、将该最大解所对应的虚拟水头运行参数输出至水轮机调速器。

综上所述，本发明所涉及的在线调节方法是在基于KAPLAN计算机控制系统，打破原有输入计算机控制系统的实际水头信号与水轮机导叶与桨叶协联关系间的直接相关性，转而将该实际水头信号截取屏蔽做为一个参考值，选择新的虚拟水头下行至水轮机调速器实现调速，结合图1，当采用本发明所提出的虚拟水头在线调节方法时，假设水头H₂为实际水头信号，如若需要减小桨叶的相对开度

我们只需要将原有的水头信号H₂屏蔽，虚拟一个较小的水头H₁＜H₂，就可实现

形成

新的组合，使得协联关系函数整体的工作移到至A点。反之我们输入一个较大的虚拟水头信号，H₃＞H₂，就可使工况点移到C点，实现

形成

新的组合。如此一来即实现了在无需对原有计算机控制系统做改变的前提下与电站运行过程中随时通过调整虚拟水头H大小即可实现调节相应导叶相对开度

对应下的桨叶相对开度

的目的。

Claims (6)

1.一种KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：于原有KAPLAN计算机控制系统上，将输入控制计算机的实际水头信号截取屏蔽并替换为一个虚拟的水头信号下行至控制水轮机调速机进行调速，其具体调节方法包括以下步骤：

a)、调入KAPLAN机组协联关系表，将原有KAPLAN机组中导叶与桨叶相对开度的协联关系读入；

b)、导入水轮机组相关运行模式数学模型；

c)、机组运行参数限值设定，设定机组运行的相关安全限值，保证机组运行过程中的稳定性和耐久性；

d)、读取实际水头H，并将原该信号于系统中屏蔽，不直接参与输出至水轮机调速器；

e)、选取虚拟水头值，其选取方法为，以步骤d所输入的实际水头H为数值中心，取步长为δ，Z₁，Z₂为整数的[H-Z₁δ，H+Z₂δ]区域内选取至少一个数值做为虚拟水头取值；

f)、将选取的虚拟水头值输出至水轮机调速器；

g)、稳定运行延时，延时一段时间至水轮机调速器的相关执行机构完成调整；

h)、运行参数采集，通过原有接入KAPLAN计算机控制系统的传感器进行运行参数采集；

i)、判断运行参数是否超限，对采集所得的运行参数对比步骤c中所设定限值，判断是否超限；

j)、若运行参数超限则返回步骤e，重新选取虚拟水头；若运行参数并无超限则存储相关参数及虚拟水头值；

k)、从存储的运行参数中选出满足步骤b中导入数学模型的最大解所对应的虚拟水头；

1)、将该最大解所对应的虚拟水头输出至水轮机调速器。

2.如权利要求1所述的KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：所述步骤b中的运行模式数学模型为水轮机组最大出力数学模型。

3.如权利要求1所述的KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：所述步骤c中的机组运行参数限值设定包括振幅限制、摆度限制、功率限制和空蚀限制。

4.如权利要求3所述的KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：所述空蚀限制应该符合式

$H_s<H_S^{\&prime;}\&le;10-\frac{\&dtri;}{900}-\mathrm{k\&sigma;},$

其中H_s为实际吸出高度，H′_s为理论吸出高度，

为下游水位，k为安全系数，σ为空蚀系数。

5.如权利要求4所述的KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：所述空蚀限制式中的下游水位

是由运行中适时测量得出的，在得到该下游水位

后，由该式算出H′_s，并与H_s进行空蚀是否安全的判断。

6.如权利要求1所述的KAPLAN机组的在线调节方法，其特征在于：所述步骤e中虚拟水头选取方法中的步长δ，其取值不小于水轮机调速器的最小调整精度。

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