CN112012869B - 一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法 - Google Patents

一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，包括以下步骤：确定机组运行工况，根据最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型：
Figure DDA0002584027530000011
调节机组转速至该工况下的最优转速，使得水轮机转轮出口的水流绝对速度在任意工况下始终垂直于水轮机转轮出口的圆周速度，避免尾水管涡带的产生。本发明可以在不同水头、不同开度下通过控制混流式水轮机的最优转速来控制转轮出口水流的速度环量，从而在根源上避免尾水涡带的产生。

Description

一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法
技术领域
本发明涉及水利发电领域，特别是涉及一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法。
背景技术
水轮机是水电站实现水能利用的关键部件，其中混流式水轮机以效率高、适用范围广而大量应用，其在电力系统中除了承担发电任务外，往往还需要承担调频、调峰任务。因而，其常常偏离设计工况运行，从而产生尾水管涡带，导致机组性能下降、振动增大，使得机组运行条件恶化，威胁机组安全稳定运行，甚至造成严重事故，导致重大经济损失。
因此，人们一直试图消除尾水涡带的造成的影响，提出了一些改善方法或装置。
申请号为CN201621423032.3的专利于2017年7月28日公开了一种水轮机尾水管补气装置，该水轮机尾水管补气装置包括设置于尾水管内的补气管,补气管的管壁上开有补气口,通过补气孔将气体注入尾水管进口段，以减小尾水管真空度，避免发生空蚀。
冯建军等人于2017年在农业工程学报上发表了文章：混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响，其尾水管补水方式，是从上游蜗壳处引水，在发电机轴与水轮机轴的连接处，通过水箱将水注入到转轮泄水锥所在的出口，在整个过程中通过阀门和增压泵来调节主轴中心孔射流的流量，以减小尾水管真空度，避免发生空蚀。
申请号为CN201410225046.3的专利于2014年8月6日公开了一种减弱尾水管压力脉动的混流式水轮机泄水锥，该泄水锥由空心圆柱、锥形结构、圆孔组成，锥形结构和空心圆柱的回转中心重合，它们之间采用圆弧光滑过渡连接,圆孔均匀分布在空心圆柱上。本发明中能够减弱尾水管压力脉动的混流式水轮机泄水锥，能够利用沿圆孔流入的水流补充到涡带中心的真空区域，减弱尾水管涡带，进而达到降低水轮机压力脉动的目的。
申请号为CN201510122600.X的专利于2014年8月6日公开了一种出口双流道混流式水轮机转轮，该装置在混流式水轮机转轮的叶片上设置一个分流板，能够大大降低水轮机转轮出口处的径向流速，从而保证水轮机转轮出口处的流速在涡带工况下的均匀分布，较普通转轮增加了涡带旋转中心处的流量，提高了叶片出口和尾水管进口之间区域靠近轴中心区的压力，从而起到了从源头上消除尾水管螺旋形涡带的作用。
以上各种消除尾水涡带的方式，均是通过添加新装置或改变过流部件的结构来减弱尾水涡带的影响，只能被动地控制外部条件改善水轮机的运行条件，不能从根源上消除尾水涡带。
随着我国可再生能源比例的不断提高，电力系统对水电机组的调频、调峰能力的要求也不断提高。然而，现有的尾水管消涡技术显然不能满足要求。因此，研究能够适应我国高比例可再生能源的水轮机尾水管消涡技术，对提高水轮机的性能和运行稳定性以及调频、调峰能力意义重大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，可以在不同水头、不同开度下通过控制混流式水轮机的最优转速来控制转轮出口水流的速度环量，从而在根源上避免尾水涡带的产生。
本发明的技术方案是：
一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，包括以下步骤：确定机组运行工况，调节机组转速至该工况下的最优转速，使得水轮机转轮出口的水流绝对速度在任意工况下始终垂直于水轮机转轮出口的圆周速度，避免尾水管涡带的产生，从根本上消除了尾水涡带。
在进一步的技术方案中，确定机组的最优转速的方法如下：
S1、设定变量：运行转速n、最优转速n0(机组尾水涡带消失对应的转速，随工况变化而变化)、设计转速nr、机组运行水头H、设计水头Hr、相对转速为
Figure BDA0002584027510000031
相对最优转速为
Figure BDA0002584027510000032
相对水头为
Figure BDA0002584027510000033
S2、确定机组运行工况，得到相对水头
Figure BDA0002584027510000034
的值；
S3、根据运行工况，改变机组的运行转速n，得到不同运行转速n下水轮机尾水涡带的数值实验结果，根据尾水涡带分布情况，确定出该运行工况下的最优转速n0(尾水管涡带消失，可以发现机组转速高或者低都会出现尾水管涡带)，得到此工况下相对最优转速
Figure BDA0002584027510000035
的值；
S4、选取多组机组运行水头H值，重复步骤S2～S3，得到不同运行水头下的多组最优转速n0值；
S5、拟合多组机组运行水头H值和多组最优转速n0值，代入函数：n0＝f(H，a)，其中，a为导叶开度，得到在该导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型；
S6、选取多组导叶开度a值，重复步骤S2～S5，得到不同导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型。
在进一步的技术方案中，步骤S5中，得到的最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型为：
Figure BDA0002584027510000036
在进一步的技术方案中，k0取值范围为0.1～0.2；k1取值范围为1.0～2.0；k2取值范围为-0.1～-0.5。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用变速技术根据水轮机在不同的水头(或开度)下控制机组的最优转速，能够从原理上消除混流式水轮机的尾水涡带。
2、避免了因尾水涡带产生的空化和空蚀、机组振动、能量损失与效率下降，提高了非设计工况下水轮机组的发电能力。
3、由于消除了尾水涡带，有效地减小了机组的振动区，扩大了水电机组的有效运行范围，从而增强了水电机组调频、调峰的能力。
4、能够增强水电机组对我国今后高比例可再生能源发展的调节控制能力。
附图说明
图1是本发明实施例所述传统方法中转轮出口处的速度三角形原理图；
图2是本发明实施例所述本发明的方法中转轮出口处的速度三角形原理图；
图3是本发明实施例所述传统方法中相同水头和开度下混流式水轮机尾水涡带CFD预测结果；
图4是本发明实施例所述本发明的方法中相同水头和开度下混流式水轮机尾水涡带CFD预测结果；
图5是本发明实施例所述最优转速与水头关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
实施例：
一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，包括以下步骤：确定机组运行工况，调节机组转速至该工况下的最优转速，使得水轮机转轮出口的水流绝对速度在任意工况下始终垂直于水轮机转轮出口的圆周速度，避免尾水管涡带的产生，从根本上消除了尾水涡带。
在另外一个实施例中，确定机组的最优转速的方法如下：
S1、设定变量：运行转速n、最优转速n0(机组尾水涡带消失对应的转速，随工况变化而变化)、设计转速nr、机组运行水头H、设计水头Hr、相对转速为
Figure BDA0002584027510000051
相对最优转速为
Figure BDA0002584027510000052
相对水头为
Figure BDA0002584027510000053
S2、确定机组运行工况，得到相对水头
Figure BDA0002584027510000054
的值；
S3、根据运行工况，改变机组的运行转速n，得到不同运行转速n下水轮机尾水涡带的数值实验结果，根据尾水涡带分布情况，确定出该运行工况下的最优转速n0(尾水管涡带消失，可以发现机组转速高或者低都会出现尾水管涡带)，得到此工况下相对最优转速
Figure BDA0002584027510000055
的值；
S4、选取多组机组运行水头H值，重复步骤S2～S3，得到不同运行水头下的多组最优转速n0值；
S5、拟合多组机组运行水头H值和多组最优转速n0值，得到如图5所示的最优转速与水头关系曲线，代入函数：n0＝f(H，a)，其中，a为导叶开度，得到在该导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型；
S6、选取多组导叶开度a值，重复步骤S2～S5，得到不同导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型。
在另外一个实施例中，步骤S5中，得到的最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型为：
Figure BDA0002584027510000056
在另外一个实施例中，k0取值范围为0.1～0.2；k1取值范围为1.0～2.0；k2取值范围为-0.1～-0.5。
图1和图2分别为传统方法和本发明方法中，转轮出口处的速度三角形原理图，其中，W2r、U2r、V2r分别表示设计工况下水流的相对速度、由转轮转速决定的圆周速度和水流的绝对速度；W2′、U2′、V2′分别表示偏离设计工况下传统方法所确定的水流相对速度、圆周速度和水流的绝对速度；W20、U20、V20分别表示偏离设计工况下本发明所确定的水流相对速度、圆周速度和水流的绝对速度。
在设计工况下运行时，转轮叶片的出口绝对速度V2r为法向出口，垂直于圆周速度U2r，理论上则不会产生尾水涡带，如图3所示，目前，当水轮机偏离额定工况运行时，转轮叶片出口的绝对速度V2′不再是法向出流，绝对速度V2r在圆周方向上存在一个速度分量V2u′，导致尾水涡带的产生,这是产生尾水涡带的根源。目前消涡的方法(或装置)，主要是考虑如何抵消V2u′，但这种方法(或装置)仅针对某一工况有效，当工况改变时，尾水涡带就会重现，并不能从根源上消除尾水涡带。本发明利用变速原理，如图4所示，当偏离设计工况时，即水轮机的水头发生(或开度)发生变化时，转轮叶片出口水流相对速度从W2r变化到W20,通过控制机组的最优转速n0来保证水轮机转轮出口水流绝对速度V20在任何工况下始终垂直于圆周速度U20，从而避免尾水涡带的产生，从根本上消除了尾水涡带。本发明允许混流式水轮机根据不同的运行工况控制水轮机转轮的最优转速，以适应流动状态的改变，即机组的最优转速n0是水头和开度的函数：n0＝f(H，a)。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，其特征在于，包括以下步骤：确定机组运行工况，调节机组转速至该工况下的最优转速，使得水轮机转轮出口的水流绝对速度在任意工况下始终垂直于水轮机转轮出口的圆周速度，避免尾水管涡带的产生，确定机组的最优转速的方法如下：
S1、设定变量：运行转速n、最优转速n0、设计转速nr、机组运行水头H、设计水头Hr；
S2、确定机组运行工况，得到相对水头
Figure FDA0003420406170000011
的值；
S3、根据运行工况，改变机组的运行转速n，得到不同运行转速n下水轮机尾水涡带的数值实验结果，根据尾水涡带分布情况，确定出该运行工况下的最优转速n0，得到此工况下相对最优转速
Figure FDA0003420406170000012
的值；
S4、选取多组机组运行水头H值，重复步骤S2～S3，得到不同运行水头下的多组最优转速n0值；
S5、拟合多组机组运行水头H值和多组最优转速n0值，代入函数：n0＝f(H，a)，其中，a为导叶开度，得到在该导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型；
S6、选取多组导叶开度a值，重复步骤S2～S5，得到不同导叶开度下，最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，其特征在于，步骤S5中，得到的最优转速n0与机组运行水头H之间的关系模型为：
Figure FDA0003420406170000013
3.根据权利要求2所述的一种基于变速技术的混流式水轮机尾水涡带消除方法，其特征在于，k0取值范围为0.1～0.2；k1取值范围为1.0～2.0；k2取值范围为-0.1～-0.5。
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