CN109830168A - 一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱，包括牵引控制系统、流量控制系统、水箱主体、溢流管道及行走护廊。牵引控制系统由电机支撑架、伸缩装置、PLC控制器、信号线、平水槽、滚轮、导轨和可伸缩波纹管组成。流量控制系统由PLC控制器、水泵、补水流量调节阀、泄水流量调节阀、补泄水管道及循环水道组成。在进行模型试验时，PLC控制器通过行程信号控制伸缩装置带动平水槽上下运动，进而实现下游水箱水位随着平水槽做正弦波动和随机波动。本发明适用于海水抽水蓄能模型电站和水位变幅较大的常规模型抽水蓄能电站，做波浪扰动环境下的大波动、小波动、水力干扰等过渡过程及其他相关问题的模型试验研究。

Description

一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱

技术领域

本发明属于抽水蓄能电站模型试验技术领域，更具体地，涉及一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱，用于在抽水蓄能电站模型试验时，研究波浪扰动环境对大波动、小波动、水力干扰等过渡过程及其他相关问题的影响。

背景技术

我国的海水资源丰富且岛屿较多，沿海城市及岛屿可再生能源开发应用急需储能技术。海水抽水蓄能电站既能有效利用海水资源，又拥有传统抽水蓄能电站的优点，因此海水抽水蓄能技术亟待研究及应用。

海水抽水蓄能电站利用海洋作为下游水库，水源充足，可以大幅减少电站的土建工程费用，解决传统抽水蓄能电站对淡水资源的依赖问题。然而，海水的正弦周期性波动，台风、潮汐等自然因素引起的海浪非周期性波动对抽水蓄能机组的稳定性会产生影响。在海水抽水蓄能电站模型试验中，如何模拟海浪水位波动环境，并分析该环境下抽水蓄能机组各工况的运行稳定性，是一个亟待解决的问题。

发明内容

为了在海水抽水蓄能电站模型试验中，开展海浪水位波动环境下的抽水蓄能机组运行稳定性研究，本发明提出了一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱，该下游水箱适用于海水抽水蓄能模型电站和水位变幅较大的常规模型抽水蓄能电站，做波浪扰动环境下的大波动、小波动、水力干扰等过渡过程及其他相关问题的模型试验研究。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：包括水箱主体、牵引控制系统、流量控制系统、溢流管、溢流口和循环水道，所述水箱主体通过尾水入口与抽水蓄能模型机组下游管道连接，水箱主体底部通过流量控制系统与循环水道相连，所述循环水道与抽水蓄能模型试验平台的蓄水池相连，通过流量控制系统可以调节水箱主体内液位高低，所述溢流口通过可伸缩的软管与溢流管相连，溢流管下端连接循环水道，所述溢流口设于水箱主体内上部，并通过牵引控制系统驱动能在水箱内上下运动，从而调整溢流管内溢流速度。

作为改进，所述牵引控制系统包括支撑架、伸缩装置、PLC控制器和平水槽，所述伸缩装置通过支撑架安装在水箱主体上，平水槽与伸缩装置的下部可伸缩端固定相连，所述溢流口设于平水槽中部，所述PLC控制器用于控制伸缩装置运动。

作为改进，所述伸缩装置为电动推杆、气缸、液压缸和丝杠螺母机构中的任意一种。

作为改进，所述伸缩装置为数字液压缸，其包括伺服电机和液压执行机构，所述平水槽与液压执行机构的伸缩端相连。

作为改进，所述平水槽为平板状，其上设有减少其上下运动阻力的过水栅。

作为改进，所述流量控制系统包括水泵、补水流量调节阀、泄水流量调节阀和补泄水管道，所述水泵入口与循环水道相连，水泵的出口通过补水流量调节阀与补泄水管道相连通，所述泄水流量调节阀一端与补泄水管道相连通另一端直接与循环水道相连，补泄水管道顶部与水箱主体底部连通，所述水泵、补水流量调节阀和泄水流量调节阀均通过PLC控制器控制。

作为改进，所述牵引控制系统还设有导向装置，所述导向装置包括导轨和与导轨配合安装的滚轮，所述导轨竖直的固定于水箱主体的内壁，所述滚轮设于平水槽四周。

作为改进，所述平水槽上的溢流口通过可伸缩波纹管与溢流管相连。

作为改进，所述支撑架上还设有行走护廊。

一种抽水蓄能模型试验下游水箱的流量控制方法，其特征在于，所述流量控制方法主要包括以下四种模式：

（1）当下游水箱内水位波动幅值较小，频率较小时，尾水入口的来水量可以维持水位波动的水量需求，当平水槽向下运动时，多余水量经过溢流口，由溢流管道进入到循环水道中；当平水槽向上运动时，尾水入口的来水量能维持水箱水位跟随平水槽同步移动；

（2）当下游水箱内水位波动幅值较小，频率较快，尾水入口的来水量较大时，当平水槽向下运动时，下游水箱的多余水量在短时间内无法通过溢流管道流出，此时PLC控制器控制泄水流量调节阀打开，下游水箱的部分水经补泄水管道进入循环水道，加快泄水以保证水位跟随平水槽移动，泄水流量调节阀的开度由尾水入口的流量决定；

（3）当下游水箱内水位波动幅值较大，频率较快，尾水入口的来水量较小时，尾水入口的来水量不足以维持水位波动的水箱水量，PLC控制器控制补水流量调节阀打开，水泵启动，循环水道中的水通过补泄水管道泵入水箱主体中，保证水位跟随平水槽移动；

（4）当抽水蓄能模型试验平台停机或检修时，PLC控制器控制泄水流量调节阀打开，下游水箱水全部由补泄水管道流入循环水道中。

本发明有益效果是：

（1）本发明可以模拟海浪水位波动环境，将其应用在海水抽水蓄能模型试验平台上，由模型试验结果来验证抽水蓄能电站在海浪引起下游水位波动下运行稳定性，为设计遮浪坝提供依据；

（2）本发明为研究海浪水位干扰、水泵水轮机压力脉动、电网频率功率扰动等多项扰动叠加对电站的运行稳定性影响研究提供了物理条件，为海水抽水蓄能电站在波浪扰动环境下的大波动、小波动及水力干扰工况的过渡过程实证研究奠定了基础，将常规抽水蓄能电站过渡过程研究向海水抽水蓄能电站过渡过程研究向前推进了一大步。

附图说明

图1为本发明抽水蓄能模型试验下游水箱整体结构示意图（主视图）。

图2为图1中水箱主体部分局部放大示意图。

图3为本发明水箱主体左视图。

图4为本发明平水槽结构示意图（俯视图）。

图5为本发明电机支撑架示意图（俯视图）。

图6为本发明滚轮在平水槽的定位图。

图7为本发明滚轮安装示意图。

附图标号注释：1-支撑架，2-伺服电机，3-液压执行机构，4-平水槽，5-滚轮，6-导轨，7-水箱主体，8-可伸缩波纹管，9-尾水入口，10-行走护廊，11-PLC控制器，12-信号线，13-补水流量调节阀，14-泄水流量调节阀，15-水泵，16-补泄水管道，17-溢流管道，18-循环水道，19-检修口，20-溢流口，21-过水栅，22-牵引头，23-螺栓螺母结构，24-高强度横梁钢板，25-螺栓螺母结构，26-支撑架护梁。

具体实施方式

为了清晰地阐释本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱（简称下游水箱），由牵引控制系统、流量控制系统、水箱主体7、溢流管道17及行走护廊10组成，水箱主体7通过尾水入口9与抽水蓄能模型机组下游管道连接，水箱主体7分别通过补泄水管道16和溢流管道17与循环水道18连接，循环水道18与模型试验平台的蓄水池连接，实现水的循环利用。整个下游水箱根据安装高程与混凝土预埋基础焊接相连。所述水箱主体7通过尾水入口9与抽水蓄能模型机组下游管道连接，水箱主体7底部通过流量控制系统与循环水道18相连，所述循环水道18与抽水蓄能模型试验平台的蓄水池相连，通过流量控制系统可以调节水箱主体7内液位高低，所述溢流口20通过可伸缩的软管与溢流管相连，溢流管下端连接循环水道18，所述溢流口20设于水箱主体7内上部，并通过牵引控制系统驱动能在水箱内上下运动，从而调整溢流管内溢流速度。所述牵引控制系统包括支撑架1、伸缩装置、PLC控制器11和平水槽4，所述伸缩装置通过支撑架1安装在水箱主体7上，平水槽4与伸缩装置的下部可伸缩端固定相连，所述溢流口20设于平水槽4中部，所述PLC控制器11用于控制伸缩装置运动。

如图1至图3所示，以数字液压缸作为牵引控制系统的伸缩装置为例，所述牵引控制系统包括支撑架1、伺服电机2、液压执行机构3、PLC控制器11、信号线12、平水槽4、滚轮5、导轨6及可伸缩波纹管8，PLC控制器11通过信号线12与伺服电机2相连。如图3所示，平水槽4为平板状，其上设有检修口19、溢流口20、过水栅21和牵引头22，其中，溢流口20设于平水槽4中部，过水栅21设于溢流口20四周，牵引头22设于平水槽4的四周。运行人员可以从检修口19进入平水槽4下方，对下游水箱的水箱主体7内进行检修。当平水槽4向下运动时，多余水量会通过过水栅21，流入溢流口20，最后经溢流管道17流入循环水道18，循环水道18与蓄水池相连，实现模型试验平台水的循环利用。4根导轨6对称焊接在主体水箱的内壁，平水槽4左右两边对称安装4只滚轮5，导轨6和滚轮5一起组成平水槽4上下运动的导向装置，平水槽4的溢流口20通过可伸缩波纹管8与溢流管顶部相连，溢流管底部连通到循环水管，平水槽4通过牵引头22与液压执行机构3的伸缩端相连，在伺服电机2的拖动下沿着导轨6上下移动。如图5所示，支撑架1通过4根不锈钢立柱用螺栓螺母结构锁死在行走护廊10上，支撑架1上设4条高强度横梁钢板24，伺服电机2的方形底座通过螺栓螺母结构25固定在高强度横梁钢板24上，支撑架护梁26用以提高支撑架1的稳定性。

需要指出的本发明技术方案中伸缩装置不限于数字液压缸，任何可以通过PLC控制器11控制伸缩运动的执行部件均可以，比如电动推杆、气缸、液压缸和丝杠螺母机构等等。

如图6所示，滚轮5通过螺栓螺母结构23安装在平水槽4的四周侧壁，如图7所示，导轨6为“V”型导轨6，滚轮5为定向防水滚轮5，由于导轨6和滚轮5长期浸泡在水中，故采用不锈钢材料定制而成。

PLC控制器11通过信号线12同时控制4台伺服电机2，以便4台液压执行机构3的同步精确定位。使用PLC编程，实现平水槽4正弦波动和随机波动功能。当模拟海浪的正弦周期性波动时，根据正弦周期性波动的幅值和频率，设定PLC控制器11脉冲频率和脉冲总数；当模拟海浪的非线性非周期波动时，需要采集该环境下的海浪真实波动数据，从时域和频域两个角度解析非线性非周期波动的幅值和频率，并绘制幅值和频率随时间的变化曲线，以幅值和频率随时间的变化曲线来设定PLC控制器11脉冲频率和脉冲总数。

PLC控制器11、伺服电机2和液压执行机构3采用BPLC-II型可编程数字缸调速器实现。伺服电机2和液压执行机构3集成在数字油缸中，它能直接接受专用数字控制器、计算机及可编程控制器（PLC）发出的数字脉冲信号而可靠工作，脉冲频率代表速度，脉冲总数代表行程，一一对应。数字油缸只需接通液压油源（如果输出力在1-2吨以下不需外接油源），不需任何其它液压阀件和传感器，所有的功能都通过PLC控制器11直接设定，把传统液压控制中复杂的阀口控制技术彻底的改变为直接给定的电子控制技术。PLC控制器11选用BPLC-Ⅱ型可编程调节器，PLC-Ⅱ型可编程微机调节器采用日本三菱公司的FX2N系列PLC基本单元及相应的专用模块组成，它是在原PLC-I和PLC-II型可编程微机调节器的基础上，经改进后新推出的可编程微机调节器。它除了保留原PC-I和PC-II型结构简单、工作安全可靠、性能优良等特点外，还灵活配置了多种调节功能和数字电气手动。同时，控制器全部采用模块化结构，智能化程度更高，对频率断线、反馈断线、电源消失和调节器故障的容错和保护功能更强。因此运行方式更加灵活，调节稳定性、可靠性更好。

所述流量控制系统由PLC控制器11、水泵15、补水流量调节阀13、泄水流量调节阀14、补泄水管道16及循环水道18组成。PLC控制器11同时控制水泵15、补水流量调节阀13、泄水流量调节阀14，以维持水箱水位波动的存水量。

所述流量控制系统主要工作在以下几种模式：

（1）当水位波动幅值较小，频率较小时，尾水入口9的来水量可以维持水位波动的水量需求。当平水槽4向下运动时，多余水量经过可伸缩波纹管8，由溢流管道17进入到循环水道18中；当平水槽4向上运动时，尾水入口9的来水量能维持水箱水位跟随平水槽4同步移动。此模式下，补水流量调节阀13及泄水流量调节阀14均关闭，水泵15不工作。

（2）当水位波动幅值较小，频率较快，尾水入口9的来水量较大时，当平水槽4向下运动时，下游水箱的多余水量在短时间内不能通过溢流管道17流出，此时PLC控制器11控制泄水流量调节阀14打开，下游水箱的部分水经补泄水管道16进入循环水道18，加快泄水以保证水位跟随平水槽4移动，泄水流量调节阀14的开度由尾水入口9的流量决定。此模式下，补水流量调节阀13关闭，水泵15不工作。

（3）当水位波动幅值较大，频率较快，尾水入口9的来水量较小时，尾水入口9的来水量不足以维持水位波动的水箱水量，PLC控制器11控制补水流量调节阀13打开，水泵15启动，循环水道18中的水通过补泄水管道16泵入水箱主体7中，保证水位跟随平水槽4移动。此模式下，泄水流量调节阀14关闭。

（4）当抽水蓄能模型试验平台停机或检修时，PLC控制器11控制泄水流量调节阀14打开，下游水箱水全部由补泄水管道16流入循环水道18中。

本发明结构简单、工作性能稳定可靠，操作简易、控制精密，能有效模拟水位的正弦周期性和非线性非周期波动环境，将其应用在抽水蓄能电站模型试验平台上，可有效完成抽水蓄能电站波浪扰动环境下的大波动工况、小波动工况、水力干扰工况等过渡过程及其他相关问题的模型试验。适用于海水抽水蓄能模型电站和水位变幅较大的常规模型抽水蓄能电站中。

最后应说明的是：以上仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照具体实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各具体实施方式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脱离本发明具体实施方式技术方案的精神与范围。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 (10)

1.一种可模拟海浪水位波动的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：包括水箱主体、牵引控制系统、流量控制系统、溢流管、溢流口和循环水道，所述水箱主体通过尾水入口与抽水蓄能模型机组下游管道连接，水箱主体底部通过流量控制系统与循环水道相连，所述循环水道与抽水蓄能模型试验平台的蓄水池相连，通过流量控制系统可以调节水箱主体内液位高低，所述溢流口通过可伸缩的软管与溢流管相连，溢流管下端连接循环水道，所述溢流口设于水箱主体内上部，并通过牵引控制系统驱动能在水箱内上下运动，从而调整溢流管内溢流速度。

2.如权利要求1所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述牵引控制系统包括支撑架、伸缩装置、PLC控制器和平水槽，所述伸缩装置通过支撑架安装在水箱主体上，平水槽与伸缩装置的下部可伸缩端固定相连，所述溢流口设于平水槽中部，所述PLC控制器用于控制伸缩装置运动。

3.如权利要求2所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述伸缩装置为电动推杆、气缸、液压缸和丝杠螺母机构中的任意一种。

4.如权利要求3所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述伸缩装置为数字液压缸，其包括伺服电机和液压执行机构，所述平水槽与液压执行机构的伸缩端相连。

5.如权利要求2所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述平水槽为平板状，其上设有减少其上下运动阻力的过水栅。

6.如权利要求2所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述流量控制系统包括水泵、补水流量调节阀、泄水流量调节阀和补泄水管道，所述水泵入口与循环水道相连，水泵的出口通过补水流量调节阀与补泄水管道相连通，所述泄水流量调节阀一端与补泄水管道相连通另一端直接与循环水道相连，补泄水管道顶部与水箱主体底部连通，所述水泵、补水流量调节阀和泄水流量调节阀均通过PLC控制器控制。

7.如权利要求2所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述牵引控制系统还设有导向装置，所述导向装置包括导轨和与导轨配合安装的滚轮，所述导轨竖直的固定于水箱主体的内壁，所述滚轮设于平水槽四周。

8.如权利要求2所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述平水槽上的溢流口通过可伸缩波纹管与溢流管相连。

9.如权利要求2至8任意一项所述的抽水蓄能模型试验下游水箱，其特征在于：所述支撑架上还设有行走护廊。

10.一种抽水蓄能模型试验下游水箱的流量控制方法，其特征在于，所述流量控制方法主要包括以下四种模式：

(1)当下游水箱内水位波动幅值较小，频率较小时，尾水入口的来水量可以维持水位波动的水量需求，当平水槽向下运动时，多余水量经过溢流口，由溢流管道进入到循环水道中；当平水槽向上运动时，尾水入口的来水量能维持水箱水位跟随平水槽同步移动；

(2)当下游水箱内水位波动幅值较小，频率较快，尾水入口的来水量较大时，当平水槽向下运动时，下游水箱的多余水量在短时间内无法通过溢流管道流出，此时PLC控制器控制泄水流量调节阀打开，下游水箱的部分水经补泄水管道进入循环水道，加快泄水以保证水位跟随平水槽移动，泄水流量调节阀的开度由尾水入口的流量决定；

(3)当下游水箱内水位波动幅值较大，频率较快，尾水入口的来水量较小时，尾水入口的来水量不足以维持水位波动的水箱水量，PLC控制器控制补水流量调节阀打开，水泵启动，循环水道中的水通过补泄水管道泵入水箱主体中，保证水位跟随平水槽移动；

(4)当抽水蓄能模型试验平台停机或检修时，PLC控制器控制泄水流量调节阀打开，下游水箱水全部由补泄水管道流入循环水道中。