CN104598726A - 水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，通过对水轮机组进行甩负荷或快减负荷试验的方法获取水轮机流量、蜗壳水压、接力器行程的动态响应数据及曲线；根据水流惯性时间常数的物理本质及流量变化与水压变化的关系得到水流惯性时间常数解析公式；将所述水流惯性时间常数解析公式与甩负荷试验或快减负荷试验数据相关联，得到水流惯性时间常数的数值计算公式；利用水轮机组甩负荷或快减负荷的试验数据由所述水流惯性时间常数的数值计算公式直接获取水流惯性时间常数。本发明数据处理原则完全符合水流惯性时间常数T_W的机理与真实物理意义，从而解决了本行业长期以来无法实测水流惯性时间常数T_W的难题。

Description

水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法

技术领域

本发明涉及水利水电领域，具体而言，涉及一种水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法。

背景技术

水轮机引水系统水流惯性时间常数T_W的物理意义是：引水管道中的水流在额定水头Hr作用下，流量从零增加到额定流量Qr所需的时间；它表征过水管道中水流惯性的大小。其中，引水管道包括水轮机前的压力引水隧洞、水轮机的流道部分(蜗壳、座环、转轮室、尾水管)。

若从水流惯性时间常数T_W的物理意义出发，直接测量该时间常数，实践中是做不到的，因为要使水轮机流量直接从零增加到额定流量Qr，将引起设备损坏及水工建筑物摧毁等严重事故。所以，对水流惯性时间常数T_W的获取，本行业一直采用如下机理推导公式估算：

$T_W=-\frac{d(\mathrm{\ΔH}/H_r)}{d(\mathrm{\ΔQ}/Q_r)/\mathrm{dt}}=\frac{Q_r}{g{H}_r}\mathrm{\Σ}\frac{L_i}{A_i}=\mathrm{\Σ}\frac{L_i{V}_{\mathrm{ri}}}{g{H}_r}$

式中：A_i—压力引水系统相应各过水段的截面积，单位为m²；

L_i—压力引水系统相应各过水段的长度，单位为m；

V_ri—压力引水系统相应各过水段的水流流速，单位为m/s；

Q_r—水轮机额定流量，单位为m³/s；

H_r—额定水头，单位为m；

g—重力加速度，单位为m/s²；

ΔQ—流量变化，单位为m³/s；

ΔH—流量变化引起的水压(水柱)变化，单位为m。

由于引水管道原始计算参数的误差，上述公式法计算误差往往较大。此问题一直困扰着水轮机调节行业，并影响到调节保证计算或过渡过程计算的精度。

发明内容

本发明提供一种水轮机引水系统水流惯性时间常数的实测方法，用以降低水流惯性时间常数的误差。

为达到上述目的，本发明提供了一种水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，包括以下步骤：

通过对水轮机组进行甩负荷或快减负荷试验的方法获取水轮机流量、蜗壳水压、接力器行程的动态响应过程(过渡过程)数据及曲线；

根据水流惯性时间常数的物理本质及流量变化与水压变化的关系得到水流惯性时间常数解析公式：

$T_W=-\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\ΔH}/H_r)\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔQ}/Q_r}$

式中：

Q_r—水轮机额定流量；

H_r—额定水头；

ΔQ—流量变化；

ΔH—流量变化引起的水压变化；

将所述水流惯性时间常数解析公式与甩负荷试验或快减负荷试验数据相关联，得到水流惯性时间常数的数值计算公式：

$T_W=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{Q_0-Q_1}\·\frac{Q_r}{H_r}$

或 $T_W\≈\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{y_{g0}\sqrt{H_0}-y_{g1}\sqrt{H_1}}\·\frac{y_{\mathrm{gr}}}{\sqrt{H_r}}$

式中：H₀—接力器动作前的水压；

H—接力器关闭过程中的瞬时水压；

H_r—额定水头；

H₁—t₁时刻对应的水头；

Q₀—接力器动作前的流量；

Q₁—t₁时刻对应的流量；

Q_r—额定流量；

y_g0—接力器动作前的行程；

y_g1—t₁时刻对应的接力器行程；

y_gr—水轮机额定工况对应的接力器行程；

利用水轮机组甩负荷或快减负荷的试验数据由所述水流惯性时间常数的数值计算公式直接获取水流惯性时间常数。

进一步地，对水轮机组甩负荷或快减负荷试验前，复核输入自动记录仪各信号的率定值，所述各信号包括接力器行程、水轮机流量、蜗壳水压、机组转速。

进一步地，对水轮机组甩负荷或快减负荷试验时，水轮机组并网带50％及以上额定负荷运行。

进一步地，进行快减负荷试验时，负荷变化量不小于机组额定负荷的50％。

本发明通过水轮机调节系统的常规试验，对机组甩负荷或突变负荷试验的动态响应数据进行处理后，得出真实的水流惯性时间常数T_W，该方法的数据处理原则完全符合水流惯性时间常数T_W的机理与真实物理意义，从而解决了本行业长期以来无法实测水流惯性时间常数T_W的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的甩负荷或快减负荷时水压H、流量Q、接力器行程y_g的变化过程曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下为本发明一个优选实施例的水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法。

1.试验准备：

试验前，应复核输入自动记录仪各信号的率定值，这些信号包括接力器行程、水轮机流量、蜗壳水压、机组转速。

2.试验操作：

-机组并网带50％及以上额定负荷运行；

-在上述负荷下跳开发电机出口断路器，进行甩负荷试验，用自动记录仪记录接力器行程、水轮机流量、蜗壳水压、机组转速等信号的过渡过程；

-也可通过改变水轮机调节装置开度/功率给定的方法，或快速转换发电-调相工况，进行快减负荷试验，负荷变化量宜不小于机组额定负荷的50％，用自动记录仪记录接力器行程、水轮机流量、蜗壳水压、机组转速等信号的过渡过程；

3.数据处理及T_W的获取：

根据甩负荷或快减负荷录波图(见图1)，求出自t₀时刻起至t₁时刻的水压变化积分，即可按下式得出

$T_W=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{Q_0-Q_1}\·\frac{Q_r}{H_r}...\left(1\right)$

或

$T_W\≈\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{y_{g0}\sqrt{H_0}-y_{g1}\sqrt{H_1}}\·\frac{y_{\mathrm{gr}}}{\sqrt{H_r}}...\left(2\right)$

式中：H₀—接力器动作前的水压，m；

H—接力器关闭过程中的瞬时水压，单位为m；

H_r—额定水头，单位为m；

H₁—t₁时刻对应的水头，单位为m；

Q₀—接力器动作前的流量，单位为m³/s；

Q₁—t₁时刻对应的流量，单位为m³/s；

Q_r—额定流量，m³/s；

y_g0—接力器动作前的行程，标幺值；

y_g1—t₁时刻对应的接力器行程，标幺值；

y_gr—水轮机额定工况对应的接力器行程，标幺值。

4.本发明方法的原理说明

由于水流惯性时间常数的物理本质可直接由下述公式表示：

$T_W=-\frac{d(\mathrm{\ΔH}/H_r)}{d(\mathrm{\ΔQ}/Q_r)/\mathrm{dt}}$

式中：

Q_r—水轮机额定流量，单位为m³/s；

H_r—额定水头，单位为m；

g—重力加速度，单位为m/s²；

ΔQ—流量变化，单位为m³/s；

ΔH—流量变化引起的水压变化，单位为m。

上式通过积分，可得到，

$T_W=-\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\ΔH}/H_r)\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔQ}/Q_r}...\left(3\right)$

结合图1，式(3)即可转换为式(1)，通过式(1)可以很方便地得到T_W的测量值。

当现场试验无法获取流量信号时，还可以通过公式(2)近似获得T_W的测量值。此时假定流量与接力器行程具有线性关系，即流量

式中：C_d为流量系数；C_y为比例系数；y_g为接力器行程；H为水头；g为重力加速度。

将此流量公式代入式(1)，即可得出式(2)。

上述处理公式结合试验数据得出水流惯性时间常数的过程，原理简洁明了、数据处理十分方便。

本发明通过水轮机调节系统的常规试验，对机组甩负荷或突变负荷试验的动态响应数据进行处理后，得出真实的水流惯性时间常数T_W，该方法的数据处理原则完全符合水流惯性时间常数T_W的机理与真实物理意义，从而解决了本行业长期以来无法实测水流惯性时间常数T_W的难题。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过对水轮机组进行甩负荷或快减负荷试验的方法获取水轮机流量、蜗壳水压、接力器行程的动态响应过程数据及曲线；

根据水流惯性时间常数的物理本质及流量变化与水压变化的关系得到水流惯性时间常数解析公式：

$T_W=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(\mathrm{\ΔH}/H_r)\mathrm{dt}}{\mathrm{\ΔQ}/Q_r}$

式中：

Q_r—水轮机额定流量；

H_r—额定水头；

ΔQ—流量变化；

ΔH—流量变化引起的水压变化；

将所述水流惯性时间常数解析公式与甩负荷试验或快减负荷试验数据相关联，得到水流惯性时间常数的数值计算公式：

$T_W=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{Q_0-Q_1}\·\frac{Q_r}{H_r}$

或 $T_W=\frac{{\∫}_{t_0}^{t_1}(H-H_0)\mathrm{dt}}{y_{g0}\sqrt{H_0}-y_{g1}\sqrt{H_1}}\·\frac{y_{\mathrm{gr}}}{\sqrt{H_r}}$

式中：H₀—接力器动作前的水压；

H—接力器关闭过程中的瞬时水压；

H_r—额定水头；

H₁—t₁时刻对应的水头；

Q₀—接力器动作前的流量；

Q₁—t₁时刻对应的流量；

Q_r—额定流量；

y_g0—接力器动作前的行程；

y_g1—t₁时刻对应的接力器行程；

y_gr—水轮机额定工况对应的接力器行程；

利用水轮机组甩负荷或快减负荷的试验数据由所述水流惯性时间常数的数值计算公式直接获取水流惯性时间常数。

2.根据权利要求1所述的水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，其特征在于，对水轮机组甩负荷或快减负荷试验前，复核输入自动记录仪各信号的率定值，所述各信号包括接力器行程、水轮机流量、蜗壳水压、机组转速。

3.根据权利要求1所述的水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，其特征在于，对水轮机组甩负荷或快减负荷试验时，水轮机组并网带50％及以上额定负荷运行。

4.根据权利要求1所述的水轮机引水系统水流惯性时间常数实测方法，其特征在于，进行快减负荷试验时，负荷变化量不小于机组额定负荷的50％。