CN114237312B - 一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法 - Google Patents
一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，通过在明渠首端设置调流阀，采取调流阀与机组联合调控方法，可将明渠表面波传播速度过慢这一水力特性对机组出力调控产生的不利影响降到最低，大幅度减小明渠由于机组出力所产生的水位波动振幅以及波动时间，提高了水电站出力调节的灵活性；通过机组出力与阀门的联动控制，机组出力变化与调流阀开度函数关系可保存在调控反馈终端中，实际操作过程中，只需在调控反馈终端上输入调整后的机组出力，调流阀便可自动变化到对应开度，且明渠末端配有监测设备（也即是第一压力传感器），可实时检查明渠流量调配的情况，联合调控方式简单，易于实现，安全可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，适用于水利水电工程，尤其是适用于长距离有无压管道混连的水利水电工程。
背景技术
引水式水电站的引水道一般较长，根据引水道中的水流是明流还是有压流，可将引水式水电站分为无压引水、有压引水和有无压混连式。
在有压引水式水电站中，水锤波传播速度一般在1000m/s左右，在机组发生负荷调节时，其水锤波能够很快地传到上游水库或调压室的自由液面，有利于压力管道中水锤的衰减和机组调控。
而在一些水电站中，由于地形或投资等原因，引水方式可能采用有无压混连，在降低工程造价的同时也给电站的机组调控带来了不利影响，具体表现在当机组根据电网要求发生负荷调整时，所引起的明渠表面波传播速度只有3～5m/s左右，上游端对下游端流量变化的响应需要几十分钟甚至数小时，这种明显的滞后效应给电站的调节运行带来极大的不便。
因此，对于含长明渠的有无压混连式水电站，有必要研究一种操作简单，安全可靠的精准调控装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对有无压混连式水电站机组调节的响应时间过长，不利于水电站安全运行的问题，本发明旨在提供一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，确保在水电站能够安全地变化至电网的要求负荷。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：所述联合精准调控方法基于有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统，
所述有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统包括调流阀、阀门开度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和调控反馈终端，所述调控反馈终端经电缆与调流阀、阀门开度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和机组电气连接；
所述调流阀布置在上游水库与明渠的连接处，所述阀门开度传感器布置在调流阀上；
所述第一压力传感器布置在明渠下游末端的断面底部，所述第二压力传感器布置在下游水库死水位以下；
所述明渠与机组之间经压力管道相连接，所述机组与下游水库直接连接；
所述联合精准调控方法包括如下步骤：
S1、电网发出调度指令，要求改变机组出力；
S2、确定机组出力调整的初始边界条件，第一压力传感器、第二压力传感器和阀门开度传感器分别将初始状态下的明渠末端断面HC0、下游水库水位HE0和输水系统阀门的开度τ0上传至调控反馈终端的储存单元中进行保存；
S3、调控反馈终端的计算单元分别计算初始状态下的流量Qt0，机组出力调整后的流量 Qt1，机组出力调整后的调流阀阀门开度τ1；
S4、调控反馈终端的控制单元按照计算单元的输出结果，将调流阀按照一段直线变化规律一次性从τ0调整到τ1；
S5、明渠末端的第一压力传感器对水位进行测量，当明渠末端水位变化时，控制单元发出指令，启动机组调速器自动调节系统，调整机组的导叶开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩尽快达到平衡；
S6、重复步骤S5，直至明渠末端水位和机组出力保持稳定。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算初始状态下的流量Qt0，如下：
式中：
N0为初始状态下的机组出力，kW；
HC0为初始状态下的明渠末端断面水位，m；
HE0为初始状态下的下游水库水位，m；
ΔhC-D为初始状态下的明渠末端断面至水轮机进口断面的包括进口水头损失在内的总水头损失，其中水轮机尾水管末端断面至下游水库断面的水头损失在实际工程中可忽略不计， m；
η为初始状态下的水轮机效率。
作为本发明的优选技术方案：步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算机组出力调整后的流量Qt1，假设明渠末端断面HC和下游水库水位HE的水位保持不变，根据新的机组出力 N1，推算对应的机组流量Qt1，如下：
式中：
N1为调整完成后的机组出力，kW；
Δh'C-D为机组出力调整完成后的明渠末端断面至水轮机进口断面的包括进口水头损失在内的总水头损失，可根据类似工程进行合理估算，m；
η'为机组出力调整完成后的水轮机效率。
作为本发明的优选技术方案：步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算机组出力调整后的调流阀阀门开度τ1，推导过程如下：
τ1＝f(Cd1) (4)
式中：
Cd1为机组出力调整完成后的阀门流量系数，阀门的流量系数与阀门开度的关系通过实验测量获得，在计算中需要通过插值获得不同开度下的流量系数；
HA为机组出力调整完成后的调流阀上游侧水位，m；
HB为机组出力调整完成后的调流阀下游侧水位，m；
ΔhB-C为机组出力调整完成后的明渠首末端包括局部水头损失在内的总水头损失，m。
作为本发明的优选技术方案：可将调流阀的开度设定不同的值，通过计算调流阀对应开度下的机组出力，获得调流阀开度与机组出力的N＝y(τ)函数关系图，推导步骤如下所示：
(τ1 τ2 … τn)→(Q1 Q2 … Qn)→(N1 N2 … Nn)。
作为本发明的优选技术方案：所得到的N＝y(τ)关系存储于调控反馈终端中，当机组出力发生变化时，可直接控制阀门开度调整到对应值，无需人工操作。
作为本发明的优选技术方案：步骤S6中，规定在30s内，明渠末端断面的水位波动在0.01m以内，机组出力相对于所要求的出力振幅不超过0.001MW时，则说明明渠末端水位和机组出力已保持稳定。
作为本发明的优选技术方案：通过压强公式h＝p/ρg将布置在明渠下游末端的断面底部的第一压力传感器的压力以及布置在下游水库的水面下的第二压力传感器的压力换算为水位，压力传感器信号输出频率为500Hz，精度等级为0.1％FS。
作为本发明的优选技术方案：调控反馈终端包括储存单元、运算单元和控制单元，第一压力传感器、第二压力传感器和阀门开度传感器通过电缆将测量的水位和调流阀阀门开度数据传输到调控反馈终端的储存单元中，调控反馈终端的运算单元会根据机组出力变化要求自动运算调流阀的开度变化，随后将调度指令传输到控制单元以调节调流的阀门开度。
作为本发明的优选技术方案：为便于调控调流阀，调流阀的最大开度对应流量与机组额定流量一致，调流阀的数量与机组的数量相一致；当机组需要调控时，只改变对应调流阀的开度，其他调流阀的开度保持不变。
本发明提供一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，具有如下有益效果：
1)、本发明所提供的联合精准调控方法通过在明渠首端设置调流阀，采取调流阀与机组联合调控方法，可将明渠表面波传播速度过慢这一水力特性对机组出力调控产生的不利影响降到最低，大幅度减小明渠由于机组出力所产生的水位波动振幅以及波动时间，提高了水电站出力调节的灵活性。
2)、本发明所提供的联合精准调控方法通过机组出力与阀门的联动控制，机组出力变化与调流阀开度函数关系可保存在调控反馈终端中，实际操作过程中，只需在调控反馈终端上输入调整后的机组出力，调流阀便可自动变化到对应开度，且明渠末端配有监测设备(也即是第一压力传感器)，可实时检查明渠流量调配的情况，联合调控方式简单，易于实现，安全可靠性高。
3)、本发明所提供的联合精准调控方法结合实时测量的方法，不仅可以对各种工况下的水位、阀门开度和机组出力等数据进行自动保存，而且后期可以将计算的调流阀开度、机组出力与实测数据相比对，实现对N＝y(τ)函数关系图的修正，其精度和适用性可在实际操作中得到不断地提高。
4)、本发明所提供的联合精准调控方法能确保在明渠末端流量发生变化的情况下，再由调速器调整机组出力，可避免由于机组调速器调整过快所引起的明渠水位波动过大，对水电站安全带来的不利影响。
附图说明
图1为基于有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统的布置示意图。
图2为调流阀与机组联合精准调控方法的流程框图。
图3为调流阀开度调节规律图示。
图4为流阀流量系数与开度关系图
图5为调流阀开度与机组出力的对应关系图示。
图6为明渠末端水位变化与机组导叶变化过程线图示。
图7为机组出力变化及调流阀开度变化过程线图示。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述：
本发明所提供的基于有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统布置在含长引水明渠和有压管道的水电站输水发电系统上，如图1所示。
图中示出了：上游水库1、调流阀2、阀门开度传感器3、明渠4、第一压力传感器51、第二压力传感器52,、压力管道6、机组7、下游水库8、调控反馈终端9和电缆10。
上游水库1与明渠4通过调流阀2相连通；阀门开度传感器3安装在调流阀2上；第一压力传感器51布置在明渠4末端断面底部，第二压力传感器52布置在下游水库8死水位以下；压力管道6与机组7相连；下游水库8与机组7直接相连；调控反馈终端9通过电缆10 与调流阀2、阀门开度传感器3、第一压力传感器51、第二压力传感器52以及机组7相连。
参照图2，调流阀与机组联合精准调控方法包括如下：
S1、电网发出调度指令，要求机组7出力由20MW增加至25MW。
S2、确定机组7出力调整的初始边界条件。第一压力传感器51将明渠4末端断面初始水位HC0，第二压力传感器52将下游水库8的初始水位HE0，阀门开度传感器3将调流阀2的初始开度τ0均上传至调控反馈终端9的储存单元中进行保存。
本实施例中，明渠4末端断面初始水位HC0为1028.997m，下游水库8的初始水位HE0为 812.000m，调流阀2的初始开度τ0为0.443。
S3、调控反馈终端9的计算单元根据公式(1)至(4)，计算初始状态下的流量Qt0，机组出力调整后的流量Qt1，机组出力调整后的调流阀3阀门开度τ1。经计算，初始状态下的流量Qt0为9.84m3/s，机组出力调整后的流量Qt1为12.30m3/s，阀门3开度需要从0.443调整为0.482。
S4、调控反馈终端9的控制单元按照计算单元的输出结果，将调流阀按图3所示的调节规律进行调整。本实施例中，阀门3开度以60s一段直线规律从0.443调整到0.482。
S5、明渠4末端的第一压力传感器51对水位进行测量，当明渠末端水位变化时，控制单元发出指令，调整机组7的导叶开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩达到平衡，其变化过程如图6所示。
S6、重复步骤S5，直至明渠4末端断面的水位30s内的波动在0.01m以内，机组7出力相对于所要求的出力振幅不超过0.001MW时，则认为明渠4末端水位和机组7出力已保持稳定，机组出力调整完成。本实施例中，明渠4末端水位最终稳点在1029.027m，在30s 内的水位波动不超过0.01m，机组7出力最终维持在25MW，出力振幅不超过0.001MW，其变化过程如图7所示。
调控反馈终端9的计算单元可计算调流阀2在不同开度下对应的机组7出力，输出数据结果保存在调控反馈终端9中，其结果可形成图5所示的函数关系图。后期可直接输入机组 7所要求的出力，得到阀门2所需要调整的开度，即提高了系统的响应速度，又方便后期对计算与测量结果进行对比修正。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：所述联合精准调控方法基于有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统，
所述有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控系统包括调流阀、阀门开度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和调控反馈终端，所述调控反馈终端经电缆与调流阀、阀门开度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和机组电气连接；
所述调流阀布置在上游水库与明渠的连接处，所述阀门开度传感器布置在调流阀上；
所述第一压力传感器布置在明渠下游末端的断面底部，所述第二压力传感器布置在下游水库死水位以下；
所述明渠与机组之间经压力管道相连接，所述机组与下游水库直接连接；
所述联合精准调控方法包括如下步骤：
S1、电网发出调度指令，要求改变机组出力；
S2、确定机组出力调整的初始边界条件，第一压力传感器、第二压力传感器和阀门开度传感器分别将初始状态下的明渠末端断面HC0、下游水库水位HE0和输水系统阀门的开度τ0上传至调控反馈终端的储存单元中进行保存；
S3、调控反馈终端的计算单元分别计算初始状态下的流量Qt0，机组出力调整后的流量Qt1，机组出力调整后的调流阀阀门开度τ1；
S4、调控反馈终端的控制单元按照计算单元的输出结果，将调流阀按照一段直线变化规律一次性从τ0调整到τ1；
S5、明渠末端的第一压力传感器对水位进行测量，当明渠末端水位变化时，控制单元发出指令，启动机组调速器自动调节系统，调整机组的导叶开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩尽快达到平衡；
S6、重复步骤S5，直至明渠末端水位和机组出力保持稳定；
步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算初始状态下的流量Qt0，如下：
式中：
N0为初始状态下的机组出力，kW；
HC0为初始状态下的明渠末端断面水位，m；
HE0为初始状态下的下游水库水位，m；
ΔhC-D为初始状态下的明渠末端断面至水轮机进口断面的包括进口水头损失在内的总水头损失，其中水轮机尾水管末端断面至下游水库断面的水头损失在实际工程中可忽略不计，m；
η为初始状态下的水轮机效率；
步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算机组出力调整后的流量Qt1，假设明渠末端断面HC和下游水库水位HE的水位保持不变，根据新的机组出力N1，推算对应的机组流量Qt1，如下：
式中：
N1为调整完成后的机组出力，kW；
Δh'C-D为机组出力调整完成后的明渠末端断面至水轮机进口断面的包括进口水头损失在内的总水头损失，可根据类似工程进行合理估算，m；
η'为机组出力调整完成后的水轮机效率；
步骤S3中：调控反馈终端的计算单元计算机组出力调整后的调流阀阀门开度τ1，推导过程如下：
τ1＝f(Cd1) (4)
式中：
Cd1为机组出力调整完成后的阀门流量系数，阀门的流量系数与阀门开度的关系通过实验测量获得，在计算中需要通过插值获得不同开度下的流量系数；
HA为机组出力调整完成后的调流阀上游侧水位，m；
HB为机组出力调整完成后的调流阀下游侧水位，m；
ΔhB-C为机组出力调整完成后的明渠首末端包括局部水头损失在内的总水头损失，m。
2.根据权利要求1所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：可将调流阀的开度设定不同的值，通过计算调流阀对应开度下的机组出力，获得调流阀开度与机组出力N＝y(τ)的函数关系图，推导步骤如下所示：
(τ1τ2···τn)→(Q1 Q2···Qn)→(N1 N2···Nn)。
3.根据权利要求2所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：所得到的N＝y(τ)关系存储于调控反馈终端中，当机组出力发生变化时，可直接控制阀门开度调整到对应值，无需人工操作。
4.根据权利要求1所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：步骤S6中：规定在30s内，明渠末端断面的水位波动在0.01m以内，机组出力相对于所要求的出力振幅不超过0.001MW时，则说明明渠末端水位和机组出力已保持稳定。
5.根据权利要求1所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：通过压强公式h＝p/ρg将布置在明渠下游末端的断面底部的第一压力传感器的压力以及布置在下游水库的水面下的第二压力传感器的压力换算为水位，压力传感器信号输出频率为500Hz，精度等级为0.1％FS。
6.根据权利要求1所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：调控反馈终端包括储存单元、运算单元和控制单元，第一压力传感器、第二压力传感器和阀门开度传感器通过电缆将测量的水位和调流阀阀门开度数据传输到调控反馈终端的储存单元中，调控反馈终端的运算单元会根据机组出力变化要求自动运算调流阀的开度变化，随后将调度指令传输到控制单元以调节调流的阀门开度。
7.根据权利要求1所述的有无压管道混连的输水发电系统阀门及机组联合精准调控方法，其特征在于：为便于调控调流阀，调流阀的最大开度对应流量与机组额定流量一致，调流阀的数量与机组的数量相一致；当机组需要调控时，只改变对应调流阀的开度，其他调流阀的开度保持不变。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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