CN107989743A - 一种转桨式水轮机节水增效调节方法及调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转桨式水轮机节水增效调节方法及调节系统，该方法是结合调速器仿真系统和调速器控制系统及各种传感器采集的真实机组发电运行时的水头、流量、导叶开度、桨叶角度、机组有功等信息，找出最优的协联数据，并通过真实机组协联数据的不断寻优而进行不断的迭代，从而实现转桨式机组的最优控制；依据上述方法构建的调节系统，包括调速器控制系统(1)，调速器控制系统(1)上连接有振摆度传感器(2)、水头传感器(3)、流量传感器(4)、有功传感器(5)、导叶开度传感器(6)和浆叶开度传感器(7)；调速器控制系统(1)上通过数据通讯连接有调速器仿真系统(8)。本发明不仅能够提高效率，还具有运行安全性好的优点。

Description

一种转桨式水轮机节水增效调节方法及调节系统
技术领域
本发明涉及一种转桨式水轮机调节方法和调节系统，特别是一种转桨式水轮机节水增效方法及调节系统。
背景技术
现有的水轮机控制系统中的水轮机调节系统是一个水、机、电相互影响、相互制约的复杂非线性系统。它是以水轮机调速器为系统控制器，以水轮发电机组为系统控制对象共同构成闭环控制系统。其性能好坏将直接关系到水电厂的效益及与之相连的整个电力系统的安全运行和供电品质。
转桨式机组在运行时，其导叶与桨叶间需维持一定的协联关系，以保证机组始终维持在高效区运行。然而，由于机组的安装运行条件、制造误差以及原型机与模型机之间的差异，通常由水轮机生产厂家提供的协联关系与真实的协联关系可能有所不同，因此，调速器生产厂家按水轮机生产厂家提供的协联关系设定的协联曲线与真实的协联关系也必然存在差异；现有的转桨式水轮机调速器运行时，容易在调频调峰时使机组工作在振动区，难以满足转桨式水轮机非线性控制要求，导致效率较低，存在运行安全性不理想的问题。
因此，现有的转桨式水轮机存在着效率较低和运行安全性不理想的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种转桨式水轮机节水增效调节方法及调节系统。本发明不仅能够提高效率，还具有运行安全性好的优点。
本发明的技术方案：一种转桨式水轮机节水增效调节方法，该方法是通过设置水头传感器、流量传感器、导叶开度传感器、桨叶开度传感器、机组有功传感器和振摆度传感器来检测转桨式水轮机组发电运行时真实的水头信号、流量信号、导叶开度信号、桨叶开度信号、机组有功信号、振动信号和摆动信号，然后将上述信号传送给调速器仿真系统和调速器控制系统；调速器控制系统根据上述信号进行真实机组协联数据的寻优和迭代，寻找出最优的导叶和桨叶协联数据；同时，调速器仿真系统根据上述信号进行转桨式水轮机组的非线性实时仿真，仿真出真实机组的静态特性和动态特性，并传送给调速器控制系统进行控制；从而实现转桨式水轮机的节水增效控制，并确保机组的运行稳定性。
前述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法中，所述寻优的方法如下，
a、机组带负荷运行，调速器置于自动，在设定水头下，先按厂家的协联曲线将导叶开到相应开度，桨叶也协联地开到相应开度，此时测量机组的有功Ng和蜗壳差压h，同时测量记录机组振动；
b、根据和Ng＝QHr·ηg·ηT得令C＝ηgKr＝1得从而计算水轮机相对效率ηT；其中的ηT为水轮机相对效率，ηg为发电机效率，r为水的比重，H为水轮机工作水头，h为蜗壳差压，Q为水轮机流量，KW和m均为计量单位符号；并保存Ng、h、ηT及振动数据；
c、在同一水头及相同导叶开度下，将桨叶选择开关切至协联寻优控制模式，桨叶自动将开度减小0.3°～0.5°，再测Ng、h，以及振动数据，计算ηT，记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
d、桨叶自动再将桨叶开度增大0.3°～0.5°，测Ng和h及振动数据，计算ηT，并记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
e、当增加或减少桨叶开度时，相对效率未出现明显拐点，则增加测量点数，直至相对效率出现拐点即可，从而进行重复测量，并记录相应数据；
f、根据步骤b、c、d和e记录的数据，做出同一水头及相同导叶开度下、不同桨叶开度的ηT值曲线；其ηT最高点对应的桨叶开度即为桨叶最优协联开度；
g、然后改变步骤a中的导叶开度，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出同一水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，根据桨叶最优协联开度绘制同一水头下的协联曲线；
h、然后改变步骤a中的设定水头，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出不同水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，得到各个水头的实际协联曲线。
i、根据步骤h中的协联曲线建立水头、导叶开度、机组有功、振动、摆度的关系数据库，确立水头、导叶开度和机组有功的关系曲线I，以及机组最优工作区域。
前述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法中，所述关系曲线I用于调速器的调节，调速器根据关系曲线I进行调节，使机组处于步骤i中的机组最优工作区域内运行。
依据前述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法所构建的调节系统，包括调速器控制系统，调速器控制系统上连接有振摆度传感器、水头传感器、流量传感器、有功传感器、导叶开度传感器和浆叶开度传感器；调速器控制系统上通过数据通讯连接有调速器仿真系统，调速器仿真系统包括数据采集模块和实时仿真模块；所述调速器控制系统包括调速器操作终端，调速器操作终端上连接有调速器电气控制单元，调速器电气控制单元上连接有调速器液压执行机构。
前述的调节系统中，所述实时仿真模块集成与水轮机控制系统中，能够完成转桨式水轮机的静态特性和动态特性实验。
前述的调节系统中，所述振摆度传感器、水头传感器、流量传感器、有功传感器、导叶开度传感器和浆叶开度传感器均与数据采集模块连接。
前述的调节系统中，所述振摆度传感器、水头传感器、流量传感器、有功传感器、导叶开度传感器和浆叶开度传感器均与调速器电气控制单元连接。
前述的调节系统中，所述调速器电气控制单元包括第一调速电器控制器和第二调速电器控制器，第一调速电器控制器和第二调速电器控制器相同且相互并联；第一调速控制器和第二调速电器控制器之间连接有切换器，第一调速控制器和第二调速电器控制器均包括电源模块、CPU模块含通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块和A/D采样模块。
前述的调节系统中，所述调速器机械液压执行单元包括导/桨叶无油电转、导/桨叶主配压阀和导/桨叶接力器。
与现有技术相比，本发明通过设置了振摆度传感器、水头传感器、流量传感器、有功传感器、导叶开度传感器和浆叶开度传感器来监测导叶开度、桨叶开度、有功、水头、流量(蜗壳差压)、机组振动、机组摆动信号，然后将上述信号传送给调速器仿真系统和调速器控制系统；调速器控制系统根据上述信号进行真实机组协联数据的寻优和迭代，寻找出最优的导叶和桨叶协联数据；同时，调速器仿真系统根据上述信号进行转桨式水轮机组的非线性实时仿真，仿真出真实机组的静态特性和动态特性，并传送给调速器控制系统进行控制；实现转桨式水轮机的节水增效控制，能够充分利用来水的水能，以最大可能的水轮机效率生产电能，达到少用水、多发电的目的；且使机组有效的避开了振动区，提高了运行安全性。因此，本发明不仅能够提高效率，还具有运行安全性好的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是实时仿真模块仿真原理图。
附图中的标记为：1-调速器控制系统，2-振摆度传感器，3-水头传感器，4-流量传感器，5-有功传感器，6-导叶开度传感器，7-浆叶开度传感器，8-调速器仿真系统，9-数据采集模块，10-实时仿真模块，11-调速器操作终端，12-调速器电气控制单元，13-调速器液压执行机构。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种转桨式水轮机节水增效调节方法，如图1所示，该方法是通过设置水头传感器3、流量传感器4、导叶开度传感器6、桨叶开度传感器7、机组有功传感器5和振摆度传感器2(上述传感器均为市场上常用的传感器)来检测转桨式水轮机组发电运行时真实的水头信号、流量信号、导叶开度信号、桨叶开度信号、机组有功信号、振动信号和摆动信号(振动信号和摆动信号均通过振摆度传感器2检测)，然后将上述信号传送给调速器仿真系统2和调速器控制系统1；调速器控制系统1根据上述信号进行真实机组协联数据的寻优和迭代，寻找出最优的导叶和桨叶协联数据；同时，调速器仿真系统2根据上述信号进行转桨式水轮机组的非线性实时仿真，仿真出真实机组的静态特性和动态特性，并传送给调速器控制系统1进行控制；从而实现转桨式水轮机的节水增效控制，并确保机组的运行稳定性。
所述寻优的方法如下，
a、机组带负荷运行，调速器置于自动，在设定水头下，先按厂家的协联曲线将导叶开到相应开度，桨叶也协联地开到相应开度，此时测量机组的有功Ng和蜗壳差压h，同时测量记录机组振动(机组振动通过振摆度传感器测量)；
b、根据和Ng＝QHr·ηg·ηT得令C＝ηgKr＝1得从而计算水轮机相对效率ηT；其中的ηT为水轮机相对效率，ηg为发电机效率，r为水的比重，H为水轮机工作水头，h为蜗壳差压，Q为水轮机流量，KW和m均为计量单位符号；并保存Ng、h、ηT及振动数据(振摆度传感器检测到的振动和摆动数据)；
c、在同一水头及相同导叶开度下，将桨叶选择开关切至协联寻优控制模式，桨叶自动将开度减小0.3°～0.5°，再测Ng、h，以及振动数据，计算ηT，记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
d、桨叶自动再将桨叶开度增大0.3°～0.5°，测Ng和h及振动数据，计算ηT，并记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
e、当增加或减少桨叶开度时，相对效率未出现明显拐点，则增加测量点数，直至相对效率出现拐点即可，从而进行重复测量，并记录相应数据；
f、根据步骤b、c、d和e记录的数据，做出同一水头及相同导叶开度下、不同桨叶开度的ηT值曲线；其ηT最高点对应的桨叶开度即为桨叶最优协联开度；
g、然后改变步骤a中的导叶开度，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出同一水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，根据桨叶最优协联开度绘制同一水头下的协联曲线；
h、然后改变步骤a中的设定水头，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出不同水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，得到各个水头的实际协联曲线。
i、根据步骤h中的协联曲线建立水头、导叶开度、机组有功、振动、摆度的关系数据库，确立水头、导叶开度和机组有功的关系曲线I，以及机组最优工作区域；所述关系曲线I用于调速器的调节，调速器根据关系曲线I进行调节，使机组处于步骤i中的机组最优工作区域内运行。
依据上述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法所构建的调节系统，构成如图1所示，包括调速器控制系统1，调速器控制系统1上连接有振摆度传感器2、水头传感器3、流量传感器4、有功传感器5、导叶开度传感器6和浆叶开度传感器7；调速器控制系统1上通过数据通讯连接有调速器仿真系统8，调速器仿真系统8包括数据采集模块9和实时仿真模块10；所述调速器控制系统1包括调速器操作终端11，调速器操作终端11上连接有调速器电气控制单元12，调速器电气控制单元12上连接有调速器液压执行机构13。
所述实时仿真模块8集成与水轮机控制系统中，能够完成转桨式水轮机的静态特性和动态特性实验；所述振摆度传感器2、水头传感器3、流量传感器4、有功传感器5、导叶开度传感器6和浆叶开度传感器7均与数据采集模块9连接；所述振摆度传感器2、水头传感器3、流量传感器4、有功传感器5、导叶开度传感器6和浆叶开度传感器7均与调速器电气控制单元12连接；所述调速器电气控制单元12包括第一调速电器控制器和第二调速电器控制器，第一调速电器控制器和第二调速电器控制器相同且相互并联；第一调速控制器和第二调速电器控制器之间连接有切换器，第一调速控制器和第二调速电器控制器均包括电源模块、CPU模块含通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块和A/D采样模块；所述调速器机械液压执行单元13包括导/桨叶无油电转、导/桨叶主配压阀和导/桨叶接力器。
数据采集模块9主要采集导叶开度、桨叶开度、有功、水头、流量(蜗壳差压)、机组振动、机组摆动信号；然后传送给实时仿真模块10进行分析、仿真。两个模块共同组成调速器仿真系统8，实现轴流转桨式机组的实时仿真。调速器操作终端11上显示机组频率、电网频率、机组功率、开度等，同时显示状态量：开机、停机、并网、开度调节、频率调节、功率调节、故障报警等，另外还可进行功给增、减操作及调速器控制模式的切换操作。两个CPU模块含通讯模块同时运行相同的程序，采用并列运行方式，通过一主一备来完成调节器内部的PID控制、逻辑控制；还设有用于切换两套调速器电气控制器12的切换单元。
所述各种传感器信号包含导叶开度、桨叶开度、有功、水头、流量(蜗壳差压)、机组振动、机组摆动信号，通过传感器采集，将信号送至调速器控制系统1和调速器仿真系统8用于实时控制和数据分析。
如图2中的计算模型为Q11＝fM(N11,a,z)和M11＝fM(N11,a,z)，分别表示以单位参数表示的水轮机的流量和力矩非线性特性，Q11为单位流量，M11为单位转矩，导叶开度有导叶位置信号换算获得。如果是单调系统，则无需考虑轮叶位置信号z(轮叶即为桨叶)。通过计算模型计算获得水轮机流量和主动力矩，然后将水轮机流量传送给引水系统进行调节，引水系统调节后将流量(蜗壳差压)信号返回计算模型；并将主动力矩用于发电机负荷的调节。

Claims (9)

1.一种转桨式水轮机节水增效调节方法，其特征在与：该方法是通过设置水头传感器、流量传感器、导叶开度传感器、桨叶开度传感器、机组有功传感器和振摆度传感器来检测转桨式水轮机组发电运行时真实的水头信号、流量信号、导叶开度信号、桨叶开度信号、机组有功信号、振动信号和摆动信号，然后将上述信号传送给调速器仿真系统和调速器控制系统；调速器控制系统根据上述信号进行真实机组协联数据的寻优和迭代，寻找出最优的导叶和桨叶协联数据；同时，调速器仿真系统根据上述信号进行转桨式水轮机组的非线性实时仿真，仿真出真实机组的静态特性和动态特性，并传送给调速器控制系统进行控制；从而实现转桨式水轮机的节水增效控制，并确保机组的运行稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法，其特征在于：所述寻优的方法如下，
a、机组带负荷运行，调速器置于自动，在设定水头下，先按厂家的协联曲线将导叶开到相应开度，桨叶也协联地开到相应开度，此时测量机组的有功Ng和蜗壳差压h，同时测量记录机组振动；
b、根据和Ng＝QHr·ηg·ηT得令C＝ηgKr＝1得从而计算水轮机相对效率ηT；其中的ηT为水轮机相对效率，ηg为发电机效率，r为水的比重，H为水轮机工作水头，h为蜗壳差压，Q为水轮机流量，KW和m均为计量单位符号；并保存Ng、h、ηT及振动数据；
c、在同一水头及相同导叶开度下，将桨叶选择开关切至协联寻优控制模式，桨叶自动将开度减小0.3°～0.5°，再测Ng、h，以及振动数据，计算ηT，记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
d、桨叶自动再将桨叶开度增大0.3°～0.5°，测Ng和h及振动数据，计算ηT，并记录保存Ng、h、ηT及振动数据；
e、当增加或减少桨叶开度时，相对效率未出现明显拐点，则增加测量点数，直至相对效率出现拐点即可，从而进行重复测量，并记录相应数据；
f、根据步骤b、c、d和e记录的数据，做出同一水头及相同导叶开度下、不同桨叶开度的ηT值曲线；其ηT最高点对应的桨叶开度即为桨叶最优协联开度；
g、然后改变步骤a中的导叶开度，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出同一水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，根据桨叶最优协联开度绘制同一水头下的协联曲线；
h、然后改变步骤a中的设定水头，按照步骤c至步骤e的方法来测量做出不同水头下、不同导叶开度对应的桨叶最优协联开度，得到各个水头的实际协联曲线。
i、根据步骤h中的协联曲线建立水头、导叶开度、机组有功、振动、摆度的关系数据库，确立水头、导叶开度和机组有功的关系曲线I，以及机组最优工作区域。
3.根据权利要求2所述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法，其特征在于：所述关系曲线I用于调速器的调节，调速器根据关系曲线I进行调节，使机组处于步骤i中的机组最优工作区域内运行。
4.依据权利要求1、2或3所述的一种转桨式水轮机节水增效调节方法所构建的调节系统，其特征在于：包括调速器控制系统(1)，调速器控制系统(1)上连接有振摆度传感器(2)、水头传感器(3)、流量传感器(4)、有功传感器(5)、导叶开度传感器(6)和浆叶开度传感器(7)；调速器控制系统(1)上通过数据通讯连接有调速器仿真系统(8)，调速器仿真系统(8)包括数据采集模块(9)和实时仿真模块(10)；所述调速器控制系统(1)包括调速器操作终端(11)，调速器操作终端(11)上连接有调速器电气控制单元(12)，调速器电气控制单元(12)上连接有调速器液压执行机构(13)。
5.根据权利要求4所述的调节系统，其特征在于：所述实时仿真模块(8)集成与水轮机控制系统中，用于完成转桨式水轮机的静态特性和动态特性实验。
6.根据权利要求4所述的调节系统，其特征在于：所述振摆度传感器(2)、水头传感器(3)、流量传感器(4)、有功传感器(5)、导叶开度传感器(6)和浆叶开度传感器(7)均与数据采集模块(9)连接。
7.根据权利要求4所述的调节系统，其特征在于：所述振摆度传感器(2)、水头传感器(3)、流量传感器(4)、有功传感器(5)、导叶开度传感器(6)和浆叶开度传感器(7)均与调速器电气控制单元(12)连接。
8.根据权利要求4所述的调节系统，其特征在于：所述调速器电气控制单元(12)包括第一调速电器控制器和第二调速电器控制器，第一调速电器控制器和第二调速电器控制器相同且相互并联；第一调速控制器和第二调速电器控制器之间连接有切换器，第一调速控制器和第二调速电器控制器均包括电源模块、CPU模块含通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块和A/D采样模块。
9.根据权利要求4至8中任一权利要求所述的调节系统，其特征在于：所述调速器机械液压执行单元(13)包括导/桨叶无油电转、导/桨叶主配压阀和导/桨叶接力器。
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