CN112487733B - 轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法及系统，该方法包括步骤：1)计算初始工况点；2)设定水轮机水头和转速迭代初值，根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度；3)计算水轮机瞬时转速；4)判断水轮机瞬时转速大小；5)计算水轮机的流量和轴向水推力；6)重复步骤2)～5)直至时间t达到预设值。本发明的计算结果可为轴流式和贯流式电站输水系统布置设计以及安全稳定运行提供可靠依据，同时也对电站输水系统的布置优化及安全稳定运行提供综合评价结论及参考依据，从而为节省电站总投资提供技术保障。

Description

轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法及系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法及系统。

背景技术

水力非恒定流以及水锤最早是从探讨声波在水中的传递开始，随着全世界电力工业的发展以及长引水、单机容量和过机流量巨大的大型水利枢纽工程的建设，水电站的水力过渡过程越来越引起人们的重视。水电站水力过渡过程的研究主要包括两个方面：一是研究水电站流道的非恒定流现象，二是研究水轮发电机组的过渡过程特性。而其中水电站水轮发电机组在暂态过程中的特性变化规律的准确预测一直都是水电站工程设计的一个重点和难点。现阶段对于中高水头的混流式水轮机过渡过程的预测方法的研究已经取得了相对令人满意的研究成果，但目前国内对于轴流式和贯流式等具有双调节模式的水轮发电机组水力过渡过程数值预测的相关研究还较为少见，目前对这一类型电站的过渡过程计算只能通过简单的经验公式进行预测，还没有形成一套准确、可靠的电算方法数学物理模型和仿真平台，因此对该类型水电站的安全稳定运行留有一定的安全隐患。与混流式水轮机相比，轴流式与贯流式水轮发电机组除具有导叶与桨叶双重调节外,还具有工作水头低、过流量大、甩负荷时引水渠中涌波较高等特点，因此水力过渡过程数值预测与混流式水轮机相比要更为复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种适用于轴流式、贯流式水轮发电机组调节保证水力过渡过程(水力过渡过程)数值仿真计算方法和系统，可准确预测各种复杂工况过渡过程参数变化规律，同时可以计算分析轴流式、贯流式水电站尾水泄洪等强迫扰动对机组稳定运行的影响，优化机组启动、关机规律以及输水发电系统布置。

为实现上述目的，本发明所设计的一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特殊之处在于，所述方法包括步骤：

1)计算初始工况点的水轮机水头、水轮机出力、导叶和桨叶开度、水轮机单位流量；

2)设定水轮机水头和转速迭代初值，根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度；

3)计算水轮机瞬时转速n_p：

其中，n_o表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时转速，N₀表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时出力，N_t表示水轮机轴出力，WR²表示水轮发电机组的惯性矩，t表示时间，Δt表示公共时间步长；

4)判断水轮机瞬时转速|n_w－n_p|/Δt≥0.01，n_w为转速收敛调节预估值，是则返回步骤2)，否则前往步骤5)；

5)计算水轮机的流量和轴向水推力；

6)重复步骤2)～5)直至时间t达到预设值。

优选地，所述步骤2)中根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度分为三种情况：

a)当调速系统发生故障且故障来源于转轮桨叶系统时，转轮的桨叶保持不动，即在整个过程中处于定桨工况，转轮叶片角度为常数，采用定桨曲线处理；

b)当转轮叶片的转动角度达到1/s以上，认为水轮机处于协联工况运行，采用协联关系的综合特性曲线处理；

c)当轴流转桨式水轮机桨叶角度在0～1/s之间变化时，水轮机在过渡过程期间将发生协联失调现象，即水轮机运行于协联解列工况，采用非协联关系的综合特性曲线处理。

优选地，水轮机模型试验测量得到的已知相邻时间间隔的桨叶角分别为

且有：

为待求过渡过程某一中间t时刻的桨叶角度，假设：

采用插值方法，根据已经通过试验得到的不同浆叶角度定桨非协联关系的综合特性曲线，插值求出当前桨叶角度为

的水轮机定桨特性曲线，水轮机模型单位参数计算方法为：

其中，N₁₁表示水轮机单位出力，Q₁₁表示水轮机单位流量。

优选地，所述步骤3)中水轮机轴出力N_t的计算方法为：

其中，N₁₁表示水轮机单位出力，D₁表示水轮机进口转轮直径，H_t表示水轮机工作水头。

优选地，所述步骤5)中，当导叶开度a大于0.01时，采用下式计算：

F_thrust＝F′_thrust·D₁ ²·H_t

其中，F′_thrust表示水轮机单位轴向水推力，D₁表示水轮机进口转轮直径，H_t表示水轮机工作水头，F_thrus表示水轮机轴向水推力。

优选地，所述步骤5)中，当导叶开度a小于0.01时，利用基于水轮机力矩和出力计算，具体计算方法如下：

其中，其中，F_thrus表示水轮机轴向水推力，N_t表示水轮机出力，n表示水轮机转速，r表示等效半径，δ₀表示叶片安放角，

表示桨叶角度，ω表示旋转角速度。

优选地，所述步骤5)中还包括计算调速器控制方程，计算预想出力对应的机组导叶和桨叶角度及性能参数。

优选地，所述水轮机工作水头H_t的计算方法为：

其中，H_t表示水轮机有效工作水头，Q_t表示水轮机流量，H_p4、S₄和H_p5、S₅分别表示水轮机上、下游当量管断面的压力和过流面积。

本发明还提出一种系统，其特殊之处在于，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的方法。

基于上述方法，本发明还提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

本发明主要提供的一种用于数值仿真计算的轴流式和贯流式等双调节模式水轮发电机组调节保证(水力过渡过程)的方法和平台，同时可以仿真计算分析当轴流式、贯流式水电站尾水受到泄洪等强迫扰动时其对机组稳定运行的影响。相对于现有技术，本发明的优点在于：

1)本发明可准确预测轴流式、贯流式水轮发电机组启动、正常停机、事故停机、紧急停机、主配压阀拒动、事故配压阀动作、飞逸等各种复杂工况过渡过程参数变化规律，同时可以计算分析轴流式、贯流式水电站尾水泄洪等强迫扰动对机组稳定运行的影响。

2)本发明可对轴流式和贯流式水电站运行方式的可靠性和安全性提供综合评价，同时为类似电站输水系统布置及规模设计提供参考依据，可以广泛应用于水利水电工程技技术领域。

3)本发明可以仿真计算分析当轴流式、贯流式水电站尾水受到泄洪等强迫扰动时其对机组稳定运行的影响，优化机组启动、关机规律以及输水发电系统布置。

4)水电站水轮发电机组在过渡过程中其性能参数的准确预测直接影响了电站的安全稳定运行。本发明的计算结果可为轴流式和贯流式电站输水系统布置设计以及安全稳定运行提供可靠依据，同时也对轴流式和贯流式水电站的运行方式的可靠性和合理性，电站输水系统的布置优化及安全稳定运行提供综合评价结论及参考依据，从而为节省电站总投资提供技术保障。项目研究思路和成果也为以后大型轴流式和贯流式水电站复杂输水系统中水锤防护措施的研究提供了参考。

附图说明

图1为本发明提出的一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法的流程图。

图2为本发明提出的轴流式、贯流式水轮机水力过渡过程计算软件主操作界面。

图3为实施例1中某电站水轮发电机组试验与数值预测蜗壳进口压力对比示意图。

图4为实施例1中某电站水轮发电机组试验与数值预测机组转速对比示意图。

图5为实施例1中某电站水轮发电机组试验工况数值模拟计算得到的轴向水推力示意图。

图6为实施例2中D3工况过渡过程曲线。

图7为实施例2中D4工况过渡过程曲线。

图8为实施例2中D5工况过渡过程曲线。

图9为实施例2中D6工况过渡过程曲线。

图10为实施例2中D7工况过渡过程曲线。

图11为实施例2中D8工况过渡过程曲线。

图12为某电站孤网条件下尾水波动对机组参数的影响示意图。

图13为某电站考虑电网作用条件下尾水波动对机组参数的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明可对轴流式和贯流式水电站运行方式的可靠性和安全性提供综合评价，同时为类似电站输水系统布置及规模设计提供参考依据，可以广泛应用于水利水电工程技术领域。本发明主要可以实现如下功能：

1)计算水轮发电机组突然甩负荷关闭导叶和桨叶工况，输出包括机组转速升，机组段流道进口压力和尾水管进口真空度、输水系统压力包络线、轴向水推力等过渡过程参数时间历程及其极值；

2)计算水轮发电机组启动工况、电网调频工况机组稳定性。优化整定调速器参数；

3)计算水轮发电机组突然甩负荷主配拒动，事故配压阀动作工况，计算事故配压阀动作整定值，控制机组最大转速升等过渡过程控制参数在安全范围内；

4)飞逸工况，预测机组进入飞逸的时间以及最大飞逸转速；

5)计算水电站尾水泄洪时诱发的强迫扰动对机组稳定运行的影响分析。

如图1所示，本发明提出的一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，包括步骤：

1)计算初始工况点的水轮机水头、水轮机单位出力、导叶和桨叶开度、水轮机单位流量；

2)设定水轮机水头和转速迭代初值，根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度；

3)计算水轮机瞬时转速n_p：

其中，n_o表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时转速，N₀表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时出力，N_t表示水轮机轴出力，WR²表示水轮发电机组的惯性矩，t表示时间，Δt表示公共时间步长；

4)判断水轮机瞬时转速|n_w－n_p|/Δt≥0.01，n_w为转速收敛调节预估值，是则返回步骤2)，否则前往步骤5)；

5)计算调速器和水轮机的流量和轴向水推力；

6)重复步骤2)～5)直至时间t达到预设值。

在步骤1)中初始工况点的计算过程如下：

a)计算当量管长度L、直径D、水击波速a和当量阻力系数f；

b)设定计算工况，并按协联工况根据水轮机协联关系的综合特性曲线计算水轮机稳态工况单位转速n₁₁、单位流量Q₁₁、导叶开度a和桨叶开度

等参数；

c)计算选定导叶和桨叶的关闭规律；

发电机脱离电网后，机组转速开始上升，导叶接力器经0.05～0.1s不动时间后开始动作，按照一段或两段关闭规律进行计算；水轮机桨叶开度

从最大值转到最小值的全部时间一般是30s～60s。

d)计算水轮机在不同桨叶角度下的性能参数变量瞬时值；

桨叶角度

按照设定的关闭规律直接计算，即桨叶关闭速度约为导叶关闭速度约1/3，导叶开度a可以根据导叶开度与接力器行程的对应关系求得。

在步骤2)中，将轴流、贯流等转桨式水轮发电机组水力过渡过程分为三种情况：

1)当调速系统发生故障且故障来源于转轮桨叶系统时，转轮的桨叶保持不动，即在整个过程中处于定桨工况，转轮叶片角度为常数；

2)转轮叶片的转动角度较大，大于1°/s，如达到2°～4°/s，在此条件下，可以近似的认为水轮机在过渡过程期间，不会发生导叶和桨叶协联解列现象，即可以认为水轮机处于协联工况运行；

3)当轴流转桨式水轮机桨叶角度在0°～1.0°/s之间变化时，水轮机在过渡过程期间将发生协联失调现象，即水轮机运行于协联解列工况。

对于第一种情况，本发明采用定桨特性曲线处理，对于第二种情况，本发明采用转桨式水轮机协联关系的综合特性曲线处理，因此第一、二种情况与混流式水轮机的过渡过程计算方法一致。基于不同桨叶角度对应的水轮机定桨综合特性曲线离散处理方法如下：

(1)对于不同桨叶角度和导叶角度所对应的单位流量Q₁₁与单位转速n₁₁的关系曲线，高单位转速与飞逸点之间按二次回归曲线内插得到，制动区域需要通过外插而得到，小开度区域的数据可以通过0开度与已知模型数据内插而得到；

(2)向高单位转速区域以最大飞逸单位转速为控制点做延伸，向低单位转速区域以原点为目标做光滑延伸。

对于第三种情况，相对较为复杂。本发明以模型试验得到的例如-5°，0°，+5°等已知的不同桨叶角度

的定桨特性曲线为基础，根据水轮机桨叶在关闭过程中的运动规律，插值计算得到桨叶运动过程中某一中间t时刻桨叶角度

所对应的定桨特性曲线，以此为基础计算过渡过程中某一中间t时刻机组性能参数。具体计算过程说明如下：假设水轮机模型试验测量得到的已知相邻间隔的桨叶角分别为

且有：

为待求过渡过程某一中间t时刻的桨叶角度，假设：

采用线性插值、样条插值或其他插值方法，根据已经通过试验得到的不同浆叶角度

对应的定桨非协联关系的综合特性曲线，插值求出当前桨叶角度为

的水轮机定桨特性曲线(该曲线纵横坐标分别为N₁₁和Q₁₁)。以线性插值为例，水轮机模型单位参数具体计算方法如下：

其中，N₁₁表示水轮机单位出力，Q₁₁表示水轮机单位流量。

在计算得到某一瞬时t时刻水轮机定桨综合特性曲线后，以此为基础计算该t时刻水轮发电机组及引水发电系统过渡过程参数。

轴流、贯流转桨式水轮发电机组水力过渡过程数值仿真计算，其基本原理是将电站引水系统、水轮发电机组、尾水管及尾水系统、调速系统和电网视为一个相互关联的统一整体，并建立对应的数学物理模型，联合进行数值仿真编程计算。各个分部件的数学物理模型及其计算要点如下：

1)有压管道(隧洞)

描述流体运动的微分方程如方程(1)和(2)所示：

其中，H表示流体水头，Q表示流量，a表示波速，g表示重力加速度，D表示过流断面当量直径，A表示过流断面面积，f表示摩擦系数。

有压输水发电系统隧洞或管道采用特征线法，将流体运动偏微分控制方程转变成常微分方程，可得：

用于描述瞬变流的适用于管道下端面的正特征线方程为：

Q＝C_p-C_aH (3)

用于描述瞬变流的适用于管道上端面的负特征线方程为：

Q＝C_n+C_aH (4)

其中，C_p、C_a和C_n表示特征方程系数。

由于轴流式、贯流式水轮机为双调节型水轮机，水轮机特征参数不仅取决于水轮机活动导叶开度α，也取决于桨叶开度

因此与混流式单调节水轮机相比要更为复杂。所以，需要以已知的不同桨叶角度

的定桨特性曲线为基础，将已知的不同桨叶角度的水轮机定桨特性曲线以数组形式输入，通过插值计算得到桨叶运动过程中间任意时刻t、任意桨叶角度

的定桨特性曲线；然后再以此定桨特性曲线为基础，用线性插值方法计算当前工作点的水轮机特性参数，并联立求解上、下端面特征线方程(3)和(4)、水轮机能量方程(5)、机组转动惯性方程(6)。

水轮机能量方程主要以水轮机有效水头来表示。在稳定工况下作用在水轮机上的做功有效水头为水轮机进口与出口测量断面的总压差。但在瞬变过程中，还必须考虑机组段流道进口和尾水管断面受到水击的附加影响，故本发明用水轮机上游当量管末端断面的测压管水头加上流速水头减去下游当量管首部断面的测压管水头与流速水头，作为水轮机的有效水头，且结果具有较好的近似性，即：

其中，H_t表示水轮机有效工作水头，Q_t表示水轮机流量。H_p4、S₄和H_p5、S₅分别表示水轮机上、下游当量管断面的压力和过流面积，g表示重力加速度。

轴流式水轮机的边界条件可利用模型水轮机综合特性曲线离散形成的单位流量～单位转速(Q₁₁～n₁₁)关系曲线(数组表)和单位出力～单位转速(N₁₁～n₁₁)关系曲线(数组表)，加上机组惯性方程和导叶、桨叶动作规律，就可以求出机组负荷变化后，水轮机转速n、流量Q_t、机组段流道进口及尾水管压力的变化过程。具体求解方法如下：

根据水轮机单位转速n₁₁和导叶开度a、桨叶角度

假定单位流量Q₁₁～单位转速n₁₁在一定范围内满足线性关系，按Q₁₁的定义式，可求出水轮机的流量Q_t。

根据单位转速n₁₁和导叶开度α、桨叶角度

从N₁₁～n₁₁曲线上同样可以内插求出相应的N₁₁值，然后按N₁₁的定义式，可求出轮机的轴出力N_t：

其中，D₁表示水轮机进口转轮直径。

再利用甩负荷的机组惯性方程(6)计算水轮发电机组转速n：

N_t＝WR²(2π/60)²·n(dn/dt)

其中WR²表示水轮发电机组的惯性矩，将上述微分方程在Δt时间内积分，化简可得水力过渡过程中间任意t时刻机组转速n_p可表示为：

其中，n_o表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时转速，N₀表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时出力。

在步骤5)中，计算调速器的方法为：采用Rugga-Kutta法求调速器的控制微分方程，并计算预想出力对应的机组导叶和桨叶角度及性能参数。

在步骤5)中，计算水轮发电机组轴向水推力的方法为：

根据苏联克里夫琴科对轴流式机组轴向水推力的试验结果表明：轴流式水轮机轴向水推力的大小主要取决于转轮的几何尺寸、水头和过机流量的大小；而对于不同型号的轴流式水轮机，在同一单位流量Q₁₁和导叶开度α条件下，水推力的区别是很小的，因此对于同一台水轮机，其过机流量和导叶开度将是影响轴向水推力的决定性因素。克里夫琴科提出了如下经验公式来预测轴向水推力：

其中，F′_thrust表示水轮机单位轴向水推力，a表示水轮机相对导叶开度，H_t表示水轮机工作水头，F_thrus表示水轮机轴向水推力。

根据实测结果表明，采用上述轴向水推力模型在相对导叶开度为0.1～1.2时预测结果与试验结果十分接近，但是在小开度尤其在导叶即将全关或全关时则预测结果明显偏大。

实际上，根据已有的试验的研究成果表明：当水轮机导叶开始关闭时顶盖下和转轮内的压力开始下降；当导叶全部关闭后，水轮机顶盖下的压力下降十分迅速，流道内出现真空的时间较转轮下来的要早，因此流道内首先是导叶和转轮之间区域出现压力真空，然后才是转轮下方出现真空；真空较短时间后，水流开始回流，且当反向水流充满导叶和转轮之间的整个流道时，由于转轮和顶盖受到反向水流的冲击作用，此时作用在转轮上的向上作用力瞬间达到最大，当此过程终了时作用在顶盖和转轮下的压力趋向一致并等于下游尾水位。已有的试验结果表明：在导叶关闭过程中机组轴向水推力的变化规律与机组力矩的变化规律类似。因此，可以根据在小导叶开度时机组的轴向水推力与转动力矩之间的关系对小开度或全关时轴向水推力进行预测，即当相对导叶开度a大于0.01时，采用方程(7)计算；当相对导叶开度a小于0.01时，利用方程(8)所示的基于水轮机力矩和出力来计算。具体计算方法如下：

其中，F_thrus表示水轮机轴向水推力，N_t表示水轮机瞬时出力，n表示水轮机转速，r表示等效半径，δ₀表示叶片安放角，

表示桨叶角度。

基于上述方法，本发明还提出一种系统，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的方法。

基于上述方法，本发明还提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

水轮发电机组水力过渡过程计算界面如图2所示，根据上述内容建立的数学模型和数值计算方法，结合Fortran语言和Visial Basic语言，编制了轴流式、贯流式水轮机调节保证(水力过渡过程)数值计算软件。该软件操作界面友好，根据计算工况数据，可以比较直观的对比过渡过程工况诸如转速n、机组段流道进口最大压力、导叶开度a和桨叶开度

轴向水推力F_thrust等各个参数的变化规律(包括具体数值及曲线)及其极值；同时软件的可操作性较好，具有输出结果直观、简单而实用等特点

(1)实施例1

某大型轴流转桨式水电站，电站最大水头27.0m，额定水头18.6m，最小水头9.1m。通过采用本发明提出的过渡过程仿真计算模型和平台，模拟计算了D1～D3共三个控制工况，该工况与现场试验工况条件完全一致。

工况D1：额定水头18.6m，1台机全甩100％额定负荷；

工况D2：试验水头，1台机全甩75％额定负荷；

工况D3：试验水头，1台机全甩25％额定负荷；

所列计算工况电算与试验实测结果的对比如表1所示：

表1某电站水轮发电机组过渡过程计算成果

由表1、图3至图4所示的关于电算与现场试验实测结果对比可以看出，两者具有较好的近似性，从而在一定程度上验证了本发明提出的计算方法的准确性。

水轮机轴向水推力的计算是设计推力轴承负荷、预防机组抬机的重要指标参数。根据该电站提供的相关实验数据，在最大水头工况，水轮发电机组实测最大的推力负荷为2773t，其中机组转动部分的重量约为1276t，水推力为1497t。

图5给出了采用本发明提出的轴向水推力模型预测得到的某电站机组在甩负荷停机过程中轴线水推力的变化过程，水推力方向向下为正，向上为负。由该图可以看出，在甩负荷的之前，机组稳态运行时轴向水推力为1540t，与现场试验测定的1497t接近；机组在甩负荷过渡过程中，最大的向下的最大水推力约为1750t，与设计手册经验公式预测结果1705t基本接近；同时，在机组甩负荷过程中最大向上的水推力(抬机力)约为425t，远小于机组厂家提供的机组转动部分的推力负荷1276t，因此在机组甩负荷过程中不会出现抬机事故。同时，最大向上水推力出现的时间约为机组甩负荷后10.2s，即在机组出现最大转速升、在导叶关闭末了附近，这一规律与实际测量结果是非常相符的。因此，采用本发明提出的水推力模型可以较好的预测轴流转桨式水轮机在过渡过程中的水推力的变化历程及极值。

(2)实施例2

某大型轴流转桨式水电站最大水头(毛)40.0m，最小水头28.00m，额定水头31.00m。机组单机容量150MW。主要分析的过渡过程工况主要考虑如下几种情况：

1)额定水头31.0m和100％额定出力，1台机全甩100％额定负荷；

2)最大水头40.0m和100％额定出力，1台机全甩100％额定负荷；

3)最大水头40.0m和额定水头31.0m，100％额定出力，1台机全甩100％额定负荷，因调速器故障，转速上升到140％时由事故配压阀动作关机；

4)最大水头40.0m和额定水头31.0m，100％额定出力，导叶拒动，机组达到飞逸工况；

详细计算工况说明如下表2所示：

表2某水电站水力过渡过程计算工况表

将采用本发明提出的模型和平台计算成果与现场实测结果进行对比，其对比结果如下表3所示。

表3某水电站水力过渡过程计算成果对比表

由上表可以看出，工况1至工况8各典型工况计算成果与现场实测给出的计算成果较为接近。

图6至11给出了几种典型工况计算得到的机组过渡过程曲线的变化规律。

一般轴流式水轮发电机组水头较低，下游渠道水位的涌高占机组水头的比重相对较大，因此下游尾水扰动对机组的运行是有一定的影响的。

图12和13分别给出了采用本发明提出的平台计算得到的分别在孤网和大电网条件下，受制于尾水泄洪诱发的强迫扰动时机组性能参数的变化规律。由图12和13可以看出，不论是否有电网的影响，机组的性能参数均表现出一定程度的震荡；在电网影响下，机组参数的波动幅度明显小于孤网条件下机组参数的波动幅度，电网对机组参数由于尾水波动诱发的振荡可以起到一定的抑制作用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)计算初始工况点的水轮机水头、水轮机单位出力、导叶开度和桨叶开度、水轮机流量；

2)设定水轮机水头和转速迭代初值，根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度；

3)计算水轮机瞬时转速n_p：

其中，n_o表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时转速，N₀表示上一时刻(t-Δt)水轮机瞬时出力，N_t表示水轮机轴出力，WR²表示水轮发电机组的惯性矩，t表示时间，Δt表示公共时间步长；

4)判断水轮机瞬时转速|n_w－n_p|/Δt≥0.01，n_w为转速收敛调节预估值，是则返回步骤2)，否则前往步骤5)；

5)计算水轮机的流量和轴向水推力；

6)重复步骤2)～5)直至时间t达到预设值；

步骤2)中根据桨叶和导叶关闭规律计算导叶和桨叶开度分为三种情况：

a)当调速系统发生故障且故障来源于转轮桨叶系统时，转轮的桨叶保持不动，即在整个过程中处于定桨工况，转轮叶片角度为常数，采用定桨曲线处理；

b)当转轮叶片的转动角度达到1°/s以上，认为水轮机处于协联工况运行，采用协联关系的综合特性曲线处理；

c)当轴流转桨式水轮机桨叶角度在0～1°/s之间变化时，水轮机在过渡过程期间将发生协联失调现象，即水轮机运行于协联解列工况，采用非协联关系的综合特性曲线处理。

2.根据权利要求1所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：水轮机模型试验测量得到的已知相邻时间间隔的桨叶角分别为

且有：

为待求过渡过程某一中间t时刻的桨叶角度，假设：

采用插值方法，根据已经通过试验得到的不同桨叶角度定桨非协联关系的综合特性曲线，插值求出当前桨叶角度为

的水轮机定桨特性曲线，水轮机模型单位参数计算方法为：

其中，N₁₁表示水轮机单位出力，Q₁₁表示水轮机单位流量。

3.根据权利要求1所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述步骤3)中水轮机轴出力N_t的计算方法为：

其中，N₁₁表示水轮机单位出力，D₁表示水轮机进口转轮直径，H_t表示水轮机工作水头。

4.根据权利要求1所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述步骤5)中，当导叶开度a大于0.01时，采用下式计算：

F_thrust＝F′_thrust·D₁ ²·H_t

其中，F′_thrust表示水轮机单位轴向水推力，D₁表示水轮机进口转轮直径，H_t表示水轮机工作水头，F_thrust表示水轮机轴向水推力。

5.根据权利要求1所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述步骤5)中，当导叶开度a小于0.01时，利用基于水轮机力矩和出力计算，具体计算方法如下：

其中，F_thrust表示水轮机轴向水推力，N_t表示水轮机出力，n表示水轮机转速，r表示等效半径，δ₀表示叶片安放角，

表示桨叶角度，ω表示旋转角速度。

6.根据权利要求1所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述步骤5)中还包括计算调速器控制方程，计算预想出力对应的机组导叶和桨叶角度及性能参数。

7.根据权利要求3或4或5所述的轴流贯流式水轮机组调节保证数值计算方法，其特征在于：所述水轮机工作水头H_t的计算方法为：

其中，H_t表示水轮机有效工作水头，Q_t表示水轮机流量，H_p4、S₄和H_p5、S₅分别表示水轮机上、下游当量管断面的压力和过流面积，g为重力加速度。

8.一种系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7中任一所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

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