CN114417516B - 一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储介质，所述方法包括如下步骤：S1、获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；S2、基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；S3、采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线；S4、将处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。本发明通过曲线误差拉压修正处理法，可以有效地解决在没有现水轮机的特性曲线前，获取现可逆式机组特性曲线的方法不够成熟，获取的机组特性曲线精度差等问题。

Description

一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储 介质
技术领域
本发明涉及一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储介质，适用于水利水电工程，尤其是适用于抽水蓄能电站工程。
背景技术
不同类型或不同水头、流量的水轮机组，其机组特性曲线(又称水轮机特性曲线)往往不同。机组特性曲线类似于机组的“心电图”，它以图形的方式表述了机组的特性，当水轮机设计存在缺陷时，可以从它的特性曲线上反应出来，其对水电站的设计具有十分重要的意义。
目前获取机组特性曲线的方法主要有三种：
一、从机组的模型实验数据中获得模型机组的特性数据，再通过比尺效应，以人工计算或计算机辅助拓展来近似获得水轮机的实际性能曲线；
二、仅有机组几何尺寸和参数时，用计算机程序估算出原型机特性曲线参数；
三、直接选用比转速较为接近的水轮机特性曲线。
第一种方法是目前运用最多的方法，但是，在水电站设计初期往往缺少原型机的模型实验数据，再者从模型机的不完整数据拓展到计算所需的数据格式也需要大量的计算工作。第二种方法，其计算机软件估算的原理大多基于一维流的欧拉方程，但在实际工程中，需要考虑到水流在转轮里的三维流动，水流在蜗壳、固定导叶、活动导叶和转轮进口前的无叶空间等处的水头损失，而这些计算常常需要很深的专业背景，这在很大程度上限制了这类计算机软件的应用。第三种方法直接选用比转速较为接近的水轮机曲线，而不对水轮机曲线进行修正，在实际工程应用过程中，发现误差较大，也即不能很好的为前期设计工作提供计算支撑。此外，用上述的三种方法获得的混流式水轮机特性曲线尚且具有一定的精度，但是对于抽水蓄能电站中的水泵水轮机则显得力不从心，原因在于水泵水轮机特有的不稳定特性曲线区域。在水力过渡过程中，水泵水轮机对于不稳定特性曲线区域的局部特征表现的相当敏感。
目前关于获取可逆式机组特性曲线方法的研究还不够透彻，随着高水头大容量高转速电站进一步开发，电网对水轮机安全稳定运行要求也越来越高，因此，快速准确地获得现水轮机特性曲线，对抽水蓄能电站的设计运行具有十分重要的意义。
发明内容
本发明第一个目的在于针对现有技术中，获取可逆式机组特性曲线的方法不够成熟，获取的机组特性曲线精度差等问题，提供一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，使水力过渡过程计算准确性满足现有的水电站设计要求，进一步促进水电站安全和经济效益的发挥。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述可逆式水轮机组特性曲线的获取方法包括如下步骤：
S1、根据现水轮机的实际转速N、水轮机转轮直径D、实际有效水头H、实际流量Q和实际出力P，获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；
S2、基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；
S3、采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线，
曲线误差拉压修正处理法推荐使用公式如下：
单位流量q11的坐标值＝原数据*现水轮机最高效率点q11/原水轮机最高效率点q11；
单位转速坐标值n11＝原数据*现水轮机最高效率点n11/原水轮机最高效率点n11；
S4、将处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
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：所述步骤S1中：
单位转速是指：转轮直径为1m，水头为1m时的水轮机转速，单位转速n11经如下公式获取：
Figure BDA0003402732940000031
单位流量是指：转轮直径为1m，水头为1m时水轮机的流量，单位流量q11经如下公式获取：
Figure BDA0003402732940000032
单位出力是指：转轮直径为1m，水头为1m时水轮机的出力，单位出力p11经如下公式获取：
Figure BDA0003402732940000033
比转速通过单位转速、单位流量和单位出力获取：
Figure BDA0003402732940000034
Figure BDA0003402732940000035
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S1中：
比转速通过转速、流量、水头和出力获取：
Figure BDA0003402732940000036
Figure BDA0003402732940000037
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S2中：两台水轮机即使单位转速、单位流量都不同，转轮几何尺寸也不相似，但只要这两台水轮机的比转速相差不超过±7％，则认为这两台水轮机满足弱相似理论。
一般情况下，水轮机相似理论有强相似理论和弱相似理论。
强相似理论要求作比较的两台水轮机不但单位转速相同，单位流量相同，而且两水轮机转轮需要几何相似。满足强相似理论的两台水轮机的水力特性高度相似，是水轮机模型试验与換算的理论基础。
而弱相似理论是曲线拉压修正法的理论基础，弱相似理论指的是两台水轮机即使单位转速、单位流量都不同，转轮几何尺寸也不相似，但只要这两台水轮机的比转速相同或十分相近，则认为这两台水轮机满足弱相似理论。弱相似理论相较于强相似理论，可以大大提高可供遴选的原水轮机特性曲线的样本容量和比选速度。
作为本发明的优选技术方案：所述步骤S3中：可以使用如下备用公式替换上述曲线误差拉压修正处理法推荐使用公式：。
单位转速坐标值n11＝原数据*现水轮机额定点n11/原水轮机额定点n11；
单位流量q11的坐标值＝原数据*现水轮机额定点q11/原水轮机额定点q11。
在资料较为齐全的情况下，为获得更好的计算精度，应尽量使用曲线误差拉压修正处理法推荐使用公式，该公式不但计算精度更高，其迭代的收敛性也更好。
在资料相对缺乏的情况下，也可以使用上述备用公式。
本发明第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种可逆式水轮机组特性曲线的获取装置。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种可逆式水轮机组特性曲线的获取装置，其特征在于：所述可逆式水轮机组特性曲线的获取装置包括：
现水轮机获取单元，所述现水轮机获取单元用于获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；
原水轮机特性曲线选择单元，所述原水轮机特性曲线选择单元用于基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；
原水轮机特性曲线修正单元，所述原水轮机特性曲线修正单元用于采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线选择单元所获取的原水轮机特性曲线；
现水轮机的特性曲线获取单元，所述现水轮机的特性曲线获取单元用于将原水轮机特性曲线修正单元所处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
本发明第三个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种电子设备。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，其特征在于：
存储器，所述存储器用于存储计算机程序，
处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现前文所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种计算机可读存储介质。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前文所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
本发明提供一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法、装置、设备及存储介质，与现有技术相比，具有如下有益效果：
通过曲线误差拉压修正处理法，可以有效地解决在没有现水轮机的特性曲线前，获取现可逆式机组特性曲线的方法不够成熟，获取的机组特性曲线精度差等问题。采用曲线误差拉压修正处理法不但可以大大扩充可供遴选的原水轮机特性曲线的样本容量，而且提高了计算精度，减小了设计计算误差，有力地保障了水电站的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明所提供的曲线误差拉压修正处理的流程图。
图2为修正前后的部分水轮机性能曲线图，图中：虚线为原水轮机，实线为现水轮机。
图3为采用修正前的水轮机性能曲线计算的某工况下蜗壳进口压力过程线与实测数据对比结果。
图4为采用修正后的水轮机性能曲线计算的某工况下蜗壳进口压力过程线与实测数据对比结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参照图1-4，本实施例中，某抽水蓄能电站总装机容量1200MW，安装4台单机容量为300MW的可逆式水轮发电机组，单机额定流量为82.4m3/s，额定水头416m。枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成，地下厂房采用中部布置方案，引水系统采用两洞四机布置、尾水系统采用两洞四机布置方案。
在缺乏该水电站的水轮机性能曲线的情况下，使用本发明方法来获得现水轮机机组特性曲线，步骤如下：
S1：计算现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；本实施例中，现水轮机组比转速经计算为126.2；
S2：基于弱相似理论，比选与现水轮机比转速接近的原水轮机特性曲线；比选原则为：两者比转速相差不超过±7％。若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；本实施例中，经过比选，选择比转速为120.3的原水轮机性能曲线；
S3：采用曲线误差拉压修正处理法，修正原水轮机特性曲线；本实施例中，采用备用公式进行修正，修正公式如下：
单位转速坐标值n11＝原数据*现水轮机额定点n11/原水轮机额定点n11＝原数据*1.09；
单位流量q11的坐标值＝原数据*现水轮机额定点q11/原水轮机额定点q11＝原数据*0.82；
为便于说明，本实施例选取开度3°的特性曲线进行拉压修正处理说明，处理结果如下表1所示：
表1机组特性曲线修正表格
Figure BDA0003402732940000071
S4：将处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
分别将修正前的水轮机性能曲线和修正后的水轮机性能曲线带入到水电站过渡过程计算中，得到某工况下蜗壳进口压力过程线与实测数据对比结果如图3和图4所示。
通过对比，可以看出：
1)、若是直接选用比转速较为接近的水轮机曲线，而不对水轮机曲线进行修正，计算得到的压力极值以及极值出现的时间都与实测数据有着较大的出入；
2)、采用修正后水轮机性能曲线所计算的结果变化趋势与实测数据基本一致，压力极值和极值出现的时间也较为接近，这说明采用该发明得到的水轮机性能曲线是可靠的。
本发明还提供一种可逆式水轮机组特性曲线的获取装置，包括：
现水轮机获取单元，所述现水轮机获取单元用于获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；
原水轮机特性曲线选择单元，所述原水轮机特性曲线选择单元用于基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；
原水轮机特性曲线修正单元，所述原水轮机特性曲线修正单元用于采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线选择单元所获取的原水轮机特性曲线；
现水轮机的特性曲线获取单元，所述现水轮机的特性曲线获取单元用于将原水轮机特性曲线修正单元所处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，
存储器，所述存储器用于存储计算机程序，
处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现前文所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前文所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
上述计算机可读存储介质可以是电子设备中的处理器能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等、光学存储器，如CD、DVD、BD、HVD等、以及半导体存储器如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD)等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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。

Claims (8)

1.一种可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述可逆式水轮机组特性曲线的获取方法包括如下步骤：
S1、根据现水轮机的实际转速N、水轮机转轮直径D、实际有效水头H、实际流量Q和实际出力P，获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；
S2、基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；
S3、采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线，
曲线误差拉压修正处理法推荐使用公式如下：
单位流量q11的坐标值＝原数据*现水轮机最高效率点q11/原水轮机最高效率点q11；
单位转速坐标值n11＝原数据*现水轮机最高效率点n11/原水轮机最高效率点n11；
S4、将处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
2.根据权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述步骤S1中：
单位转速n11经如下公式获取：
Figure FDA0003402732930000011
单位流量q11经如下公式获取：
Figure FDA0003402732930000012
单位出力p11经如下公式获取：
Figure FDA0003402732930000013
比转速通过单位转速、单位流量和单位出力获取：
Figure FDA0003402732930000014
Figure FDA0003402732930000021
3.根据权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述步骤S1中：
比转速通过转速、流量、水头和出力获取：
Figure FDA0003402732930000022
Figure FDA0003402732930000023
4.根据权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述步骤S2中：两台水轮机即使单位转速、单位流量都不同，转轮几何尺寸也不相似，但只要这两台水轮机的比转速相差不超过±7％，则认为这两台水轮机满足弱相似理论。
5.根据权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法，其特征在于：所述步骤S3中：可以使用如下备用公式替换上述曲线误差拉压修正处理法推荐使用公式：。
单位转速坐标值n11＝原数据*现水轮机额定点n11/原水轮机额定点n11；
单位流量q11的坐标值＝原数据*现水轮机额定点q11/原水轮机额定点q11。
6.一种可逆式水轮机组特性曲线的获取装置，其特征在于：所述可逆式水轮机组特性曲线的获取装置包括：
现水轮机获取单元，所述现水轮机获取单元用于获取现水轮机对应的单位转速n11、单位流量q11、单位出力p11以及比转速；
原水轮机特性曲线选择单元，所述原水轮机特性曲线选择单元用于基于弱相似理论，选择与现水轮机的比转速相接近的原水轮机特性曲线，选择原则为：两者比转速相差不超过±7％；若是不能满足要求，则排除该水轮机特性曲线；
原水轮机特性曲线修正单元，所述原水轮机特性曲线修正单元用于采用曲线误差拉压修正处理法修正原水轮机特性曲线选择单元所获取的原水轮机特性曲线；
现水轮机的特性曲线获取单元，所述现水轮机的特性曲线获取单元用于将原水轮机特性曲线修正单元所处理过的特性曲线替代为现水轮机的特性曲线。
7.一种电子设备，所述电子设备包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，其特征在于：
存储器，所述存储器用于存储计算机程序，
处理器，所述处理器用于执行存储器上所存储的计算机程序以实现权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的可逆式水轮机组特性曲线的获取方法步骤。
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