CN103939273A - 高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高油压控制水轮机桨叶电液调节装置，根据水电站水文资料及机组参数建立的一种选择桨叶角度计算方法的模糊数学模型。即随水头和流量变化通过高油压控制桨叶调节电液执行器调节转轮桨叶至计算角度，获得较高水能转化效率，实现高油压控制桨叶角度快调式水轮发电机组年发电量最大的目标。其关键技术为：水轮机桨叶调节执行器采用高油压控制系统，采用标准的球头浮动密封，完全克服了高油压转动密封装置漏油问题。填补了转桨式水轮机组使用高油压调速器系统控制桨叶调节的技术空白，对水轮机结构设计实现重大的技术创新。

Description

高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法及装置，介于转桨式水轮机和定桨式水轮机之间的调桨式水轮机，采用高油压调速器系统控制，动态调节桨叶运行角度，使得水轮发电机组在不同的运行工况区域，选取适合的角度运行，始终获得较高的水能转化效率。

背景技术

当今，能源局势紧张。石油、煤炭等不可再生资源日益枯竭，使人们对可再生资源的依赖日益增加。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。随着中高水头电站的广泛开发，可开发的资源正在日益减少。近年来，水头H≤50m，其机组型式主要为贯流式水轮发电机组、轴流定桨及轴流转桨式机组，已逐渐成为水电资源开发的主流。

水轮机是水力发电设备的核心设备，转轮是实现水能转化为机械能的心脏部件。轴流定桨式水轮发电机组，其叶片安放角度不可调节，只在单一流量时可获得较高的水能转化效率，当机组偏离最优工况时，进口水流在叶片头部产生冲击，在叶片的背面产生脱流和空蚀，产生较大的水力损失，引起振动，水能转化效率会急剧下降。

转桨式水轮机的导水叶和桨叶开度保持协联关系，始终获得较高的水能转化效率。但其桨叶通过受油器调节，受油器因其结构复杂，密封困难，常常存在或多或少的漏油、窜油问题污染环境。同时导致调速器油压装置中的油泵启动频繁，对油泵磨损严重，且损耗大量厂用电。

在能源十分紧缺的今天和明天，水电站开发设计中环境和安全问题摆在了一个比较重要的位置，需降低工程造价与减少运行费，提高资源利用率，通过对水电资源均衡开发和持续发展以及技术进步的不断探索挖掘水电能源技术的巨大潜力。

为了克服现有定桨式水轮机以及转桨式水轮机技术上的不足，需要一种简单、方便、经济、实用、环保的高油压控制水轮机桨叶电液调节装置。采用先进的桨叶角度计算方法的数学模型，解决了调桨式水轮机的最优运行问题，即随水头和流量变化通过调节转轮桨叶合适角度，提高机组运行工况的适应能力，解决定桨式水轮机组高效率区狭窄的问题，扩大机组的应用范围，确保不同流量时转轮均在较优工况下运行，始终获得较高水能转化效率。而高油压控制水轮机桨叶电液调节装置，与导叶没有协联关系，桨叶调节采用高油压控制系统，调速器体积小、重量轻、成本降低，同时改变了转桨式水轮机的桨叶操作系统，取消了受油器和相应的操作油管、轮毂润滑油管等，从而使机组转轮在运行中实现无油状态。采用标准的旋转接头球头浮动密封，解决因漏油造成的环境污染及油泵频繁启动等问题，节省厂用电，简化控制环节，为电站节省了人工费及设备投入和维修费用，给电站带来可观的经济效益，杜绝漏油对河水的环境污染。且运行更方便、安全、可靠。该高油压控制水轮机桨叶电液调节装置技术在国内外没有应用先例，填补了水电站转桨式水轮机组使用高油压调速器系统控制的技术空白，对水轮发电机组结构设计实现重大的技术创新，具有较大的经济潜力和推广价值。

特别有些电站的水文参数集中在三到四个工况运行，对应的相当于转轮叶片调整三、四个角度，这种电站，采用高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，有着十分重要的经济和社会效益。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种始终获得较高的水能转化效率的高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法。

本发明的目的之二是提供一种始终获得较高的水能转化效率的高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置。

为了实现上述目的之一，本发明提供的技术方案为：提供一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，水轮机桨叶角度调节控制系统上，采用高油压调速器控制系统，通过桨叶角度的模糊数学模型计算方法，水轮发电机组不同运行工况下，桨叶开度进行动态调节控制，调节至合适的桨叶角度运行，解决了定桨式水轮机组高效率区运行狭窄的问题，扩大机组的运行范围。实现机组在不同的运行工况下，获得较高的水能转化效率，充分利用水能。包括以下步骤：

(1)建立水轮机转轮模型综合特性曲线的数据库；

(2)将水轮机转轮模型综合特性曲线导入数据库；

(3)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

(4)建立桨叶角度调节计算的模糊数学模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求；

(5)以桨叶角度β为待求参数，综合步骤(3)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件，采用优化算法，求得桨叶角度

(6)在线采集水轮发电机组运行的实时工况参数：净水头H，机组引用流量Q从而确定桨叶角度的切换点；

(7)采用高油压调速器控制转轮桨叶的接力器，在动态的情况下，可以人为手动或电动控制方式，使位于发电机侧的高压油桨叶调节电液执行器运动，调整叶片的转角，当达到所需的转角后，投入机械或液压锁锭，将叶片固定，从而实现桨叶角度调节的目的。

所述模糊数学模型为：

$s.t\left\{\begin{array}{c}{E}_i-E_{i-1}<\mathrm{\&epsiv;}(E_0=0,i=\mathrm{1,2},...)---\left(1\right)\\ E_i=\max {\&Integral;}_0^{8760}9.81H\left(t\right)Q\left(t\right)\mathrm{\&eta;}(Q_{11},H_{11},\mathrm{\&beta;})\mathrm{dt}---\left(2\right)\\ Q_{11}=\frac{Q}{D^2\sqrt{H}}\\ n_{11=\frac{\mathrm{nD}}{\sqrt{H}}}\\ \mathrm{\&beta;}\&Element;\{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\\ \{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\&Subset;D_i\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\min }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\max }\end{array}\right.$

在上述模糊数学模型中：

i为桨叶分档数；

ε为收敛精度；

E_i为在特定水文过程中，桨叶分成i档时的最大发电量；

β为桨叶角度；

H(t)为t时刻水头；

Q(t)为t时刻流量；

Q₁₁为水轮机单位流量；

n₁₁为水轮机单位转速；

η(Q₁₁,H₁₁,β)为桨叶开度为β时对应工况点的效率；

D_i为桨叶分成i档时，所有i个桨叶角度组合构成的集合；

{β₁,β₂,…β_i}为i个桨叶角度构成的组合；

α_βmin为桨叶开度为β时，导叶的最小开度；

α_βmax为桨叶开度为β时，导叶的最大开度；

α_β为桨叶开度为β时，导叶的开度。

桨叶运行角度的调节计算方法，包括所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，(6)，其步骤（4）中所述模糊数学模型采用具有自学习功能神经网络模型，根据运行状态，不断自适应更新所述优化数据库，提高精度；所述步骤(5)中的所述目标函数要求为发电量最大；所述步骤(6)中水轮发电机组桨叶角度的切换点，以效率最大为目标进行制定。包括用于调节水轮机桨叶角度的控制系统，所述控制系统通过所述模糊数学模型计算，对水轮发电机组不同运行工况下，桨叶开度进行动态调节控制，调至计算的合适桨叶角度运行。

为了实现上述目的之二，本发明提供的技术方案为：提供一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，包括：发电机外壳、机组主轴、桨叶接力器、电磁阀组、油路集成块、位移传感器，所述关键部件油路集成块固定在发电机外壳上，不随机组大轴旋转；所述油路集成块的油管路采用弹性高压软管将压力油送至旋转的桨叶接力器中，且所述油路集成块上还安装有非接触的桨叶位移传感器，实现桨叶角度位置的闭环调节，所述桨叶接力器外壳固定在机组端主轴上，所述接力器活塞固定在操作杆上，并与机组主轴同时旋转，所述活塞经过液压油操作带动桨叶叶片转动，所述桨叶调节的电磁阀组和电控装置可单独设计，也可置于高油压调速器控制柜中，所述桨叶电液调节装置可立式或者卧式安装，颠覆了转桨式水轮机桨叶受油器的结构。

所述高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置采用标准的旋转接头球头浮动密封，该密封为高速高压密封结构，无密封圈接触磨损，高速运转时无摩擦热产生，其最高转速可达1500r/min，最高油压等级可达25MPa。

所述步骤(7)中可以人为手动或电动控制方式实现桨叶角度调节的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过高油压控制桨叶角度调节，结合桨叶角度调整计算的模糊数学模型，从而使得单调节的调桨式水轮机组，具备了转桨式水轮机的调节功能，水轮机组在不同运行工况下，对桨叶进行动态调节，实现了机组在不同的运行工况下，保持获得较高的水能转化效率。充分利用水能。使用高油压控制水轮机桨叶电液调节装置，调速器体积小、重量轻、成本降低，改变了转桨式水轮机的桨叶操作系统，取消了受油器和相应的操作油管、轮毂润滑油管等，从而使机组转轮在运行中实现无油状态。采用标准的旋转接头球头浮动密封，彻底解决因漏油造成的环境污染及油泵频繁启动等问题，节省厂用电，简化控制环节，为电站节省了人工费及设备投入和维修费用，给电站带来可观的经济效益，杜绝漏油对河水的环境污染。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置的结构示意图。

图2本发明高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法的流程框图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，如图1、2所示，本发明提供一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置100，如图1所示包括：发电机外壳1、机组主轴2、活塞3、操作杆4、油路集成块5、位移传感器线6、位移传感器7、调节装置罩8、观察孔9、桨叶接力器10、电磁阀组11，所述桨叶接力器10固定在机组主轴2上，所述活塞3固定在操作杆4上，并与机组主轴2同时旋转，所述活塞3经过液压油操作带动桨叶叶片转动，所述油路集成块5固定在所述发电机外壳1上，不随所述机组主轴2旋转，所述油路集成块5的油管路采用弹性高压软管51将压力油送至旋转的桨叶接力器中，所述油路集成块5上还连接有回油管52，柔性连接方式将压力油送至旋转的桨叶接力器中，在运行过程中避免震动、位移。且所述油路集成块5上还安装有非接触的桨叶位移传感器7，实现桨叶角度位置的闭环调节。所述电磁阀组11中，设置有操作阀、液压阀、节流阀、安全阀。和电控装置可单独设计，也可置于高油压调速器控制柜中。

所述关键密封装置采用采用标准的旋转接头球头浮动密封，其特点：该密封为高速高压密封结构，无密封圈接触磨损，高速运转时无摩擦热产生，操作扭矩不受工作压力和温度影响，其内部泄露小于100ml/min，最高转速可达1500r/min，最高油压等级可达25MPa，并有单独油口排出，对环境无影响、安全可靠。

所述桨叶电液调节装置可立式或者卧式安装，颠覆了转桨式水轮机桨叶受油器的结构，并完全克服了高油压转动密封泄露现象。

如图2所示，为了实现上述目的之二，本发明提供的技术方案为：提供一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，其包括如下步骤：

S001建立水轮机转轮模型综合特性曲线的数据库；

S002将水轮机转轮模型综合特性曲线导入数据库；

S003导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

S004建立桨叶角度调节计算的模糊数学模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求；

S005以桨叶角度β为待求参数，综合步骤(4)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件，采用优化算法，求得桨叶角度{β₁,β₂,…β_i}；

S006在线采集水轮发电机组运行的实时工况参数：净水头H(t)，机组引用流量Q(t)从而确定桨叶角度的切换点；

S007采用高油压调速器控制转轮桨叶接力器，在动态的情况下，可以人为手动或电动控制方式，使位于发电机侧的高压油桨叶调节电液执行器运动，调整叶片的转角，当达到所需的转角后，投入机械或液压锁锭，将叶片固定，从而实现桨叶角度调节的目的；

其中模糊数学模型为：

$s.t\left\{\begin{array}{c}{E}_i-E_{i-1}<\mathrm{\&epsiv;}(E_0=0,i=\mathrm{1,2},...)---\left(1\right)\\ E_i=\max {\&Integral;}_0^{8760}9.81H\left(t\right)Q\left(t\right)\mathrm{\&eta;}(Q_{11},H_{11},\mathrm{\&beta;})\mathrm{dt}---\left(2\right)\\ Q_{11}=\frac{Q}{D^2\sqrt{H}}\\ n_{11=\frac{\mathrm{nD}}{\sqrt{H}}}\\ \mathrm{\&beta;}\&Element;\{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\\ \{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\&Subset;D_i\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\min }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\max }\end{array}\right.$

在上述模糊数学模型中：

i为桨叶分档数；

ε为收敛精度；

E_i为在特定水文过程中，桨叶分成i档时的最大发电量；

β为桨叶角度；

H(t)为t时刻水头；

Q(t)为t时刻流量；

Q₁₁为水轮机单位流量；

n₁₁为水轮机单位转速；

η(Q₁₁,H₁₁,β)为桨叶开度为β时对应工况点的效率；

D_i为桨叶分成i档时，所有i个桨叶角度组合构成的集合；

{β₁,β₂…β_i}为i个桨叶角度构成的组合；

α_βmin为桨叶开度为β时，导叶的最小开度；

α_βmax为桨叶开度为β时，导叶的最大开度；

α_β为桨叶开度为β时，导叶的开度。

所述模糊数学模型采用具有自学习功能神经网络模型，根据运行状态，不断自适应更新所述优化数据库，提高精度。

所述步骤(4)中的所述目标函数要求为发电量最大，

所述步骤(6)中水轮发电机组桨叶角度的切换点，以效率最大为目标进行制定。

所述步骤(7)中可以人为手动或电动控制方式实现桨叶角度调节的目的。

结合图1和2，通过高油压控制桨叶角度调节，结合桨叶角度调整计算的模糊数学模型，从而使得单调节的调桨式水轮机组，具备了转桨式水轮机的调节功能，水轮机组在不同运行工况下，对桨叶进行动态调节，实现了机组在不同的运行工况下，保持获得较高的水能转化效率。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，水轮机桨叶角度调节控制系统上，采用高油压调速器控制桨叶电液调节装置，通过桨叶角度的模糊数学模型计算方法，水轮发电机组在不同运行工况下，对桨叶开度进行动态调节控制，调节至合适的桨叶角度运行，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立水轮机转轮模型综合特性曲线的数据库；

(2)将水轮机转轮模型综合特性曲线导入数据库；

(3)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；

(4)建立桨叶角度调节计算的模糊数学模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求；

(5)以桨叶角度β为待求参数，综合步骤(3)导入的水文数据，建立以效率η为中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件，采用优化算法，求得桨叶角度

(6)在线采集水轮发电机组运行的实时工况参数：净水头H，机组引用流量Q从而确定桨叶角度的切换点；

(7)采用高油压调速器控制转轮桨叶的接力器，在动态的情况下，可以人为手动或电动控制方式，使位于发电机侧的高压油桨叶调节电液执行器运动，调整叶片的转角，当达到所需的转角后，投入机械或液压锁锭，将叶片固定，从而实现桨叶角度调节的目的。

所述模糊数学模型为：

$s.t\left\{\begin{array}{c}{E}_i-E_{i-1}<\mathrm{\&epsiv;}(E_0=0,i=\mathrm{1,2},...)---\left(1\right)\\ E_i=\max {\&Integral;}_0^{8760}9.81H\left(t\right)Q\left(t\right)\mathrm{\&eta;}(Q_{11},H_{11},\mathrm{\&beta;})\mathrm{dt}---\left(2\right)\\ Q_{11}=\frac{Q}{D^2\sqrt{H}}\\ n_{11=\frac{\mathrm{nD}}{\sqrt{H}}}\\ \mathrm{\&beta;}\&Element;\{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\\ \{{\mathrm{\&beta;}}_1,{\mathrm{\&beta;}}_2,...{\mathrm{\&beta;}}_i\}\&Subset;D_i\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\min }\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&beta;}\max }\end{array}\right.$

在上述模糊数学模型中：

i为桨叶分档数；

ε为收敛精度；

E_i为在特定水文过程中，桨叶分成i档时的最大发电量；

β为桨叶角度；

H(t)为t时刻水头；

Q(t)为t时刻流量；

Q₁₁为水轮机单位流量；

n₁₁为水轮机单位转速；

η(Q₁₁,H₁₁,β)为桨叶开度为β时对应工况点的效率；

D_i为桨叶分成i档时，所有i个桨叶角度组合构成的集合；

{β₁,β₂,…β_i}为i个桨叶角度构成的组合；

α_βmin为桨叶开度为β时，导叶的最小开度；

α_βmax为桨叶开度为β时，导叶的最大开度；

α_β为桨叶开度为β时，导叶的开度。

2.如权利要求1所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，其特征在于，桨叶运行角度的调节计算方法，包括所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，(6)，其步骤（4）中所述模糊数学模型采用具有自学习功能神经网络模型，根据运行状态，不断自适应更新所述优化数据库，提高精度；所述步骤(5)中的所述目标函数要求为发电量最大；所述步骤(6)中水轮发电机组桨叶角度的切换点，以效率最大为目标进行制定。

3.如权利要求1所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，其特征在于，包括用于调节水轮机桨叶角度的控制系统，所述控制系统通过所述模糊数学模型计算，对水轮发电机组不同运行工况下，桨叶开度进行动态调节控制，调节至计算的桨叶角度运行。

4.一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，其特征在于，包括：发电机外壳、机组主轴、桨叶接力器、电磁阀组、油路集成块、位移传感器，所述关键部件油路集成块固定在发电机外壳上，不随机组大轴旋转；所述油路集成块的油管路采用弹性高压软管将压力油送至旋转的桨叶接力器中，且所述油路集成块上还安装有非接触的桨叶位移传感器，实现桨叶角度位置的闭环调节，所述桨叶接力器外壳固定在机组端主轴上，所述接力器活塞固定在操作杆上，并与机组主轴同时旋转，所述活塞经过液压油操作带动桨叶叶片转动，所述桨叶调节的电磁阀组和电控装置可单独设计，也可置于高油压调速器控制柜中，所述桨叶电液调节装置可立式或者卧式安装，颠覆了转桨式水轮机桨叶受油器的结构。

5.如权利要4所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，其特征在于，油路集成块采用标准的旋转接头球头浮动密封，为高速高压密封结构，无密封圈接触磨损，高速运转时无摩擦热产生，其最高转速可达1500r/min，最高油压等级可达25MPa。

6.如权利要求4所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，其特征在于，所述步骤(7)中可以人为手动或电动控制方式实现桨叶角度调节的目的。