CN109724820A - 一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：测量水电站的工作参数；获取水轮机工作区域完整的真机特性曲线；基于真机特性曲线、水轮机工作方程、单位参数方程迭代求解水轮机工作水头和工作效率。本发明不需要知道水轮机的工作水头，只需要水轮机除水头以外的基本工作参数和机组特性曲线，即可计算水轮机效率。采用机组运行实测数据即可计算水轮机效率，计算过程简单，易于在实际运行机组上实现水轮机内部能量变化的实时监测。在计算水轮机效率的同时得到水轮机工作点，能评估当前机组在特性曲线上的运行区域，便于及时控制机组避开不利区域运行。

Description

一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法

技术领域

本发明涉及水力发电能效分析研究领域，尤其涉及一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法。

背景技术

水轮机将水流势能转化为旋转机械能，带动发电机旋转将机械能转化为电能，是水电站中的核心设备。水轮发电机组的效率取决于水轮机和发电机的综合效率特性。其中发电机的效率特性比较稳定、随时间变化较小，一般效率都在95％以上。而水轮机的设计效率虽然可达到95％以上，但运行过程中因容积损失、水力损失和机械损失的影响，使其偏离高效率区，同时泥沙的磨损和空蚀会导致水力性能变差，水轮机的设计选型不合理和制造安装中的技术缺陷都会降低水轮机效率。机组长期在低效率区运行，不仅会影响水能的利用，还会加重空蚀导致的破坏，甚至引起机组振动，导致机组发生严重故障，威胁水电站的安全运行。因此需要对水轮发电机组进行能效分析，以及时了解机组运行状态、排除故障和制定检修计划，确保水电机组安全、高效地运行。

在水轮机能效分析过程中水轮机效率按下式计算：

η_sl-sh＝P_dq/gHQ_fdη_fd

其中，P_dq为发电机实际功率；Q_fd为机组实际发电用水流量，由超声波流量计获取；η_fd为机组在当前水头和出力下的发电机效率，根据发电机效率曲线获取。

H为水轮机工作水头，按下式计算：

其中，P_wk为蜗壳进口压力，kPa；P_ws为尾水管出口压力，kPa；Z_wk为蜗壳进口压力表高程，m；Z_ws为尾水管出口压力表高程，m；D_gg为流量计所在位置钢管直径，m；Q_fd为机组实际发电流量，m³/s；γ为水的重度，kg/m³。

在测量蜗壳进口压力和尾水管出口压力时，因传感器安装位置不当、水轮机内部水力性能改变使测点处压力分布发生变化或转轮内水流搅动产生的水击现象，会导致压力测量不准确，直接影响能效分析的结果，在工程实际效率监测中甚至会出现水轮机效率大于1的情况。受制于水电站的运行条件，在已投入运行的水电站中不宜改变压力传感器的安装位置或添加新的传感器，因此研究在工作水头测量失误时也能够对水轮机效率进行有效评价的方法很有必要。

发明内容

本发明正是针对现有技术存在的不足，提供了一种无需改变压力传感器安装位置或添加新的传感器，在工作水头测量结果失真时也能够对水轮机效率进行有效评价的水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，包括以下步骤：

S1.测量水电站的工作参数；

S2.获取水轮机工作区域完整的真机特性曲线；

S3.基于真机特性曲线、水轮机工作方程、单位参数方程迭代求解水轮机工作水头和工作效率。

优选地，所述工作参数包括发电机功率P_dq、发电机效率η_dq、水轮机工作转速n_r、水轮机发电流量Q_fd、转轮进口直径D₁。

优选地，在S2中，若水轮机运行区域内的真机特性曲线不完整，采用与当前机组对应的模型特性曲线对当前真机特性曲线进行修正，直到得到完整、连续的真机特性曲线。

优选地，在S2中，若水轮机运行区域内的真机特性曲线不完整，采用与当前机组比转速相近、具有相同工作区的机组特性曲线对当前真机特性曲线进行修正，直到得到完整、连续的真机特性曲线。

优选地，S3的具体步骤如下：

S31.根据水轮机工作方程P＝gQHη、发电机效率方程P＝P_dq/η_dq计算η_sH_s＝P_dq/η_dqgQ_fd，其中，η_s为水轮机实际工作效率，H_s为水轮机实际工作水头；

S32.根据力矩-功率方程P＝M2πn/60、单位参数方程 计算其中，η为真机特性曲线上工作点对应的水轮机工作效率；

S33.假设水轮机当前效率是η_l，带入步骤S31和S32中的方程式，得到水轮机工作水头H、力矩M、单位转速n′_1s、单位流量Q′_1s和单位力矩M′_1s；

S34.将单位转速n′_1s、单位力矩M′_1s在水轮机单位参数特性曲面上插值，得到与之对应的单位流量Q′_1l；

S35.根据水轮机工作方程P＝gQHη和单位流量方程在功率P和流量Q一定的情况下，水轮机工作水头H和效率η反相关、单位流量Q′₁和水头H的平方根反相关，单位流量Q′₁和效率η正相关，根据单位流量Q′_1s和Q′_1l的差别对效率进行修正，得到

S36.判断和η_l的绝对差值是否满足其中，ε为工程允许的迭代精度，如果满足，则η_l为水轮机的工作效率，H_l为水轮机工作水头，否则，对η_l重新赋值，转至S33。

优选地，若和η_l的绝对差值不满足令转至S33。

优选地，S34的具体步骤如下：

对水轮机特性曲线进行描点，将图转换成数据；利用三次B样条函数插值法对三维数据进行均匀采样，形成综合特性B样条曲线：

以单位转速、单位流量、水轮机效率为坐标，导叶开度为参变量，参数方向取u向为沿开度线方向，v向为开度变化方向，参数u为相对累积弦长，参数v为相对开度，二者在[0,1]区间单调递增，将均匀采样后的三组B样条曲线转换成B样条曲面：

其中，m为沿开度线方向的数据点个数，n为开度线条数，对边缘部分数据线性外延，生成单位转速-单位流量-效率曲面；

根据水轮机工作方程P＝gQHη、力矩-功率关系方程P＝M2πn/60和单位参数方程求得带入单位转速-单位流量-效率曲面中的数据，得到水轮机单位力矩，生成水轮机单位参数特性曲面；

将单位转速n′_1s、单位力矩M′_1s在水轮机单位参数特性曲面上插值，得到与之对应的单位流量Q′_1l。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

(1)本发明不需要知道水轮机的工作水头，只需要水轮机除水头以外的基本工作参数和机组特性曲线，即可计算水轮机效率，计算量小。

(2)采用机组运行实测数据即可计算水轮机效率，计算过程简单，易于在实际运行机组上实现水轮机内部能量变化的实时监测。

(3)在计算水轮机效率的同时得到水轮机工作点，能评估当前机组在特性曲线上的运行区域，便于及时控制机组避开不利区域运行。

附图说明

图1为本发明的真机特性曲线图。

图2为本发明的单位转速-单位流量-效率曲面图。

图3为本发明的水轮机单位参数特性曲面图。

图4为本发明的计算流程图。

图5为本发明的效率计算过程中单位流量Q′₁、工作水头H和效率η变化图。

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、完整性地描述。当然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提出的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，包括以下步骤：S1.测量水电站的工作参数；S2.获取水轮机工作区域完整的真机特性曲线；S3.基于真机特性曲线、水轮机工作方程、单位参数方程迭代求解水轮机工作水头和工作效率。

下面结合具体步骤对本实施例做进一步说明。

水轮机综合特性曲线处理

结合图1，将真机特性曲线转换成数据，内插采用样条曲线法插值，外延采用线性插值法延拓；将真机特性曲线处理成单位转速-单位流量-效率的曲面。

具体处理过程为：首先对水轮机特性曲线进行描点，将图转换成数据。如果原始特性曲线参数以数据形式提供则省去这一步。然后利用三次B样条函数插值法对三维数据进行均匀采样，形成综合特性B样条曲线：

将均匀采样后的三组B样条曲线转换成B样条曲面。转换过程以单位转速、单位流量、水轮机效率为坐标，导叶开度为参变量，参数方向取u向为沿开度线方向，v向为开度变化方向，参数u为相对累积弦长，参数v为相对开度，二者在[0,1]区间单调递增。

全特性B样条曲面：

其中，m为沿开度线方向的数据点个数，n为开度线条数。对边缘部分数据的外延，可以直接线性延拓。

处理后的(n′₁,Q′₁,η)曲面如图2所示。

根据水轮机工作方程P＝gQHη、力矩-功率关系方程P＝M2πn/60和单位参数方程求得带入图2中的数据，可求得水轮机单位力矩，最终得到的水轮机单位参数特性曲面(n′₁,Q′₁,M′₁)如图3所示。

水轮机效率计算

在准确测量发电机功率P_dq、发电机效率η_dq、水轮机工作转速n_r、水轮机发电流量Q_fd、转轮进口直径D₁等参数后，本发明中水轮机效率计算方法按如下过程进行：

步骤一.根据水轮机工作方程P＝gQHη、发电机效率方程P＝P_dq/η_dq计算η_sH_s＝P_dq/η_dqgQ_fd，其中，η_s为水轮机实际工作效率，H_s为水轮机实际工作水头；

步骤二.根据力矩-功率方程P＝M2πn/60、单位参数方程 计算其中，η为真机特性曲线上工作点对应的水轮机工作效率；

步骤三.假设水轮机当前效率是η_l，带入前述方程式确定水轮机工作水头H、力矩M、单位转速n′_1s、单位流量Q′_1s和单位力矩M′_1s；

步骤四.根据单位转速n′_1s、单位力矩M′_1s在水轮机单位参数特性曲面图3上插值，求得对应的单位流量Q′_1l；

步骤五.根据水轮机工作方程P＝gQHη和单位流量方程可知，在功率P和流量Q一定的情况下，水轮机工作水头H和效率η反相关、单位流量Q′₁和水头H的平方根反相关，因此单位流量Q′₁和效率η正相关，根据单位流量Q′_1s和Q′_1l的差别对效率进行修正，

步骤六.判断和η_l的绝对差值是否满足其中，ε为工程允许的迭代精度，如果满足，则η_l为水轮机的工作效率，H_l为水轮机工作水头，否则，令转至步骤三。

为了验证本发明的计算效果，下面结合实例进行说明。

某水轮机的基本参数如下：

假设在额定工况下，水轮机效率下降至85％，在额定水头、额定出力和额定转速下，水轮机引用流量为54.43m³/s。

在缺失实测水轮机工作水头的情况下，假设水轮机当前效率为100％，参考该水轮机真机特性曲线，根据前述步骤对水轮机效率进行计算，当迭代精度为10^e-4时，迭代5次，效率计算结果为85.79％，误差为0.93％，水轮机工作点(n′₁,Q′₁,M′₁)在图3中的坐标为(83.152,1.0134,99.838)。迭代计算中工作水头H、单位参数Q′_1s及效率η变化过程如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.测量水电站的工作参数；

S2.获取水轮机工作区域完整的真机特性曲线；

S3.基于真机特性曲线、水轮机工作方程、单位参数方程迭代求解水轮机工作水头和工作效率。

2.根据权利要求1所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，所述工作参数包括发电机功率P_dq、发电机效率η_dq、水轮机工作转速n_r、水轮机发电流量Q_fd、转轮进口直径D₁。

3.根据权利要求1所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，在S2中，若水轮机运行区域内的真机特性曲线不完整，采用与当前机组对应的模型特性曲线对当前真机特性曲线进行修正，直到得到完整、连续的真机特性曲线。

4.根据权利要求1所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，在S2中，若水轮机运行区域内的真机特性曲线不完整，采用与当前机组比转速相近、具有相同工作区的机组特性曲线对当前真机特性曲线进行修正，直到得到完整、连续的真机特性曲线。

5.根据权利要求2所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，S3的具体步骤如下：

S31.根据水轮机工作方程P＝gQHη、发电机效率方程P＝P_dq/η_dq计算η_sH_s＝P_dq/η_dqgQ_fd，其中，η_s为水轮机实际工作效率，H_s为水轮机实际工作水头；

S32.根据力矩-功率方程P＝M2πn/60、单位参数方程 计算其中，η为真机特性曲线上工作点对应的水轮机工作效率；

S33.假设水轮机当前效率是η_l，带入步骤S31和S32中的方程式，得到水轮机工作水头H、力矩M、单位转速n′_1s、单位流量Q′_1s和单位力矩M′_1s；

S34.将单位转速n′_1s、单位力矩M′_1s在水轮机单位参数特性曲面上插值，得到与之对应的单位流量Q′_1l；

S35.根据水轮机工作方程P＝gQHη和单位流量方程在功率P和流量Q一定的情况下，水轮机工作水头H和效率η反相关、单位流量Q′₁和水头H的平方根反相关，单位流量Q′₁和效率η正相关，根据单位流量Q′_1s和Q′_1l的差别对效率进行修正，得到

S36.判断η_sz和η_l的绝对差值是否满足|η_l-η_sz|＜ε，其中，ε为工程允许的迭代精度，如果满足，则η_l为水轮机的工作效率，H_l为水轮机工作水头，否则，对η_l重新赋值，转至S33。

6.根据权利要求5所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，若η_sz和η_l的绝对差值不满足|η_l-η_sz|＜ε，令η_l＝(η_l+η_sz)/2，转至S33。

7.根据权利要求5所述的一种水电机组在线监测系统的水轮机工作效率计算方法，其特征在于，S34的具体步骤如下：

对水轮机特性曲线进行描点，将图转换成数据；利用三次B样条函数插值法对三维数据进行均匀采样，形成综合特性B样条曲线：

以单位转速、单位流量、水轮机效率为坐标，导叶开度为参变量，参数方向取u向为沿开度线方向，v向为开度变化方向，参数u为相对累积弦长，参数v为相对开度，二者在[0,1]区间单调递增，将均匀采样后的三组B样条曲线转换成B样条曲面：

其中，m为沿开度线方向的数据点个数，n为开度线条数，对边缘部分数据线性外延，生成单位转速-单位流量-效率曲面；

根据水轮机工作方程P＝gQHη、力矩-功率关系方程P＝M2πn/60和单位参数方程求得带入单位转速-单位流量-效率曲面中的数据，得到水轮机单位力矩，生成单位转速-单位流量-单位力矩曲面，即水轮机单位参数特性曲面；

将单位转速n′_1s、单位力矩M′_1s在水轮机单位参数特性曲面上插值，得到与之对应的单位流量Q′_1l。