CN116906256B - 一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，属于水力发电领域。本发明通过在主轴的主轴中心孔内设置电磁阀和气体质量流量计，利用水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值的变化，自动判定水轮机是否需要进行自然补气操作，并通过电磁阀的启闭动作，完成水轮机自然补气动作的优化操作，最终实现通过自然补气保证机组安全稳定运行的目的。

Description

一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法

技术领域

本发明属于水力发电领域，尤其涉及一种基于机组稳定性指标优化水轮机自然补气效果的方法。

背景技术

水轮发电机组以其技术成熟、适应范围广的特点，成为应用最广泛的水力发电设备类型。水轮机将水能转换成机械能，水轮发电机将机械能转换成电能，从而完成由水能到电能的能量转换。在上述能量转换过程中，水轮机作为原动机，必须根据电网需要在很宽的负荷范围内运行，不能始终运行在最优运行区域内。混流式水轮机和轴流定浆式水轮机作为单调节水轮机，由于其本身型式的限制，在水轮机偏离最优运行区域运行时，会导致流道内流动状态的恶化，典型现象为部分负荷时转轮出口处压力急剧下降，产生自转轮出口向尾水管延伸的旋转涡带。旋转涡带是导致混流式水轮机和轴流定浆式水轮机尾水管压力脉动增大的主要原因。混流式水轮机和轴流定浆式水轮机尾水管压力脉动的增大，往往会引起水轮发电机组振动和摆度值的增大，对顶盖处振动值的影响尤为严重。常规处理方法是在水轮机主轴中心孔处安装一只逆止阀，当主轴向转轮出口方向的压力差大于定值时，逆止阀开通，否则，逆止阀关闭。一旦混流式和轴流定浆式水轮发电机组发生由水轮机尾水管旋转涡带引起的压力脉动幅值增大，进而导致顶盖振动值增大的现象，由于在水轮机转轮出口处存在尾水管旋转涡带，且其中心部分压力低于大气压力，则逆止阀开通，以自然补气的方式通过水轮机主轴中心孔向转轮出口处补入空气，将水轮机尾水管旋转涡带中心部分压力值升高，减弱乃至消除旋转涡带，最大限度地降低旋转涡带的强度，进而降低由旋转涡带引起的压力脉动幅值，最终实现降低顶盖处振动值，保证机组安全稳定运行的目的。

在混流式水轮机和轴流定浆式水轮机实际运行过程中，转轮出口处的压力除了在部分负荷的旋转涡带区时低于大气压力外，在小负荷区的碎涡区域和满负荷区域附近的反向柱状涡带区的压力也会低于大气压力，此时逆止阀也会开通，空气也会沿主轴中心孔进入到水轮机转轮出口处。由于上述两工况水轮机内的流动状态均处于相对平稳的状态，对水轮发电机组稳定性的影响不大，反而是空气补入水轮机流道内后，造成了该局部尾水管水流流动状态的紊乱，可能会导致压力脉动幅值增大，进而导致顶盖等机组部件的振动值和轴系摆度值的加大。

如果能够开发出一种方法，仅在机组部分负荷下产生旋转涡带时，通过水轮机主轴中心孔向转轮出口处自然补气来消除尾水管压力脉动导致的机组振动摆度值的增加。而同样转轮出口处的压力低于大气压力的小负荷区的碎涡区域和满负荷区附近的反向柱状涡带区域不进行自然补气，避免干扰上述两工况的尾水管流动状态，避免因该局部水流流动状态紊乱程度的加剧导致尾水管压力脉动幅值上升，进而导致顶盖等机组部件的振动值加大的不利情况发生的话，对于保证机组的安全稳定运行具有重要的意义。

有鉴于此，有必要开发一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，以解决传统方法中仅根据转轮出口处压力低于大气压力即进行自然补气，造成小负荷区域和满负荷区域流动状态进一步紊乱导致的压力脉动增大、顶盖等部件振动上升、影响机组安全稳定运行的问题。本发明所采用的技术方案如下：

一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，所述方法是通过如下步骤实现的：

S1：开启电磁阀；

S2：水轮发电机组稳定运行；

S3：测量水轮发电机组的工况数据；

S4：测量水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度数据；

S5：通过气体质量流量计确定是否有补气现象发生：如果发生补气现象，则执行S6；否则，执行S2；

S6：判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S7；否则，执行S2；

S7：判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否增大：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大，则执行S8；否则，执行S2；

S8：关闭电磁阀；

S9：判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否降低：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低，则执行S10；否则，执行S1；

S10：水轮发电机组稳定运行；

S11：判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S1；否则，执行S10。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S1，还包括在水轮机上构造自转轮，经主轴连通至大气的主轴中心孔步骤。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S1，还包括主轴中心孔中设置逆止阀步骤。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S1，还包括主轴中心孔中设置气体质量流量计步骤。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S1，还包括主轴中心孔中设置电磁阀步骤。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S4，水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否发生变化按下面的程序执行：

（1）

式（1）中：

△ν：水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值相对变化率；

ν₀：电磁阀（5）开启状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值；

ν_c：电磁阀（5）关闭状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值。

若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c>0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低；若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c<0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大。

在上述基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法中，所述S6中，水轮发电机组运行工况是否发生变化按下面的程序执行：

（2）

式（2）中：

△H：水头变化率；

H₀：前一时刻的水头；

H₁：下一时刻的水头。

（3）

式（3）中：

△P：水轮发电机组出力变化率；

P₀：前一时刻的水轮发电机组出力；

P₁：下一时刻的水轮发电机组出力。

若满足△H≥3%或△P≥2%条件，则判断水轮发电机组运行工况发生变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

混流式水轮机和轴流定浆式水轮机运行在旋转涡带区自然补气时，本发明通过增加一套判定控制环节，成功解决了常规混流式水轮机和轴流定浆式水轮机在自然补气时，仅根据大气压力与转轮出口处压力差值达到一个定值就开始补气，进而产生补气区域增大，小负荷区域和满负荷区域尾水管流动状态紊乱、尾水管压力脉动增大，从而导致顶盖振动和主轴摆度值上升、影响机组安全稳定运行的问题。

具体效果实现如下：

1. 提高了混流式水轮机和轴流定浆式水轮机通过自然补气保证机组稳定运行的精准性；

2. 避免了对小负荷区域和满负荷区域混流式水轮机和轴流定浆式水轮机尾水管流动状态的干扰；

3. 真正实现了通过自然补气改善混流式水轮机和轴流定浆式水轮机尾水管流动状态的目的。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法的实施流程框图；

图2 为水轮机自然补气系统示意图；

图3 为水轮机运转特性曲线。

图中标记说明：1-转轮、2-主轴、3-主轴中心孔、4-主轴中心孔发电机端、5-电磁阀、6-气体质量流量计、7-逆止阀、8-主轴中心孔转轮出口端、9-水轮机运行范围、10-碎涡区、11-旋转涡带区、12-反向柱状涡带区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图以及具体实施方式做进一步的解释说明，但是，各个实施方式并不构成对本发明的限定。通过附图描述的具体实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，所述方法是通过如下实现的：

S1、开启电磁阀5；

S2、水轮发电机组稳定运行；

S3、测量水轮发电机组的工况数据；

S4、测量水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度数据；

S5、通过气体质量流量计6确定是否有补气现象发生：如果发生补气现象，则执行S6；否则，执行S2；

S6、判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S7；否则，执行S2；

S7、判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否增大：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大，则执行S8；否则，执行S2；

S8、关闭电磁阀5；

S9、判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否降低：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低，则执行S10；否则，执行S1；

S10、水轮发电机组稳定运行；

S11、判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S1；否则，执行S10。

如图3所示，混流式水轮机和轴流定浆式水轮机在水轮机运行范围9标注的范围内运行。在部分负荷运行时，由于偏离最优设计工况，会产生旋转涡带。水轮机一旦形成旋转涡带，尾水管压力脉动值将会升高，同时还会引起混流式水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值的上升。机组的振动摆度值的增大，会直接影响到混流式水轮发电机组的安全稳定运行。必须采取措施减弱或消除旋转涡带现象。

由于混流式水轮机和轴流定浆式水轮机旋转涡带为自转轮1出口的主轴中心孔转轮出口端8处开始一直向水轮机下游延伸的螺旋形空腔，而该螺旋形空腔内的压力为水的气化压力，远低于大气压力，一般来讲，工程上是通过自然补气的方法来减弱或消除旋转涡带现象的。混流式水轮机和轴流定浆式水轮机的自然补气是通过混流式水轮机和轴流定浆式水轮机自然补气系统实现的。

常规的混流式水轮机和轴流定浆式水轮机自然补气系统是按下列原则设计的：在混流式水轮机和轴流定浆式水轮机主轴2上的主轴中心孔3上设置一只逆止阀7，逆止阀7为单向阀，仅允许空气通过主轴中心孔3自主轴中心孔发电机端4至主轴中心孔转轮出口端8方向进入水轮机流道中。正常情况下，主轴中心孔转轮出口端8处的水压力不会小于大气压力，空气不会经主轴中心孔3进入主轴中心孔转轮出口端8处的水流中；当水轮机运行在某些特定工况下时，主轴中心孔转轮出口端8处的水压力对产生大幅度的降低，当主轴中心孔3中逆止阀7处主轴中心孔发电机端4与主轴中心孔转轮出口端8间的压力差大于逆止阀7的设定值时，逆止阀7开通，空气自主轴中心孔3沿主轴中心孔发电机端4至主轴中心孔转轮出口端8方向进入水轮机流道中。随着空气的不断补入，将会影响到主轴中心孔转轮出口端8处水流的压力分布，该处的局部压力会随之上升。待主轴中心孔转轮出口端8处的压力上升至主轴中心孔发电机端4与主轴中心孔转轮出口端8间的压力差小于逆止阀7的设定值时，逆止阀7自动关闭。

常规的混流式水轮机和轴流定浆式水轮机自然补气系统能够很好地通过自然补气减弱或消除旋转涡带现象。但是，也存在不足之处。在混流式水轮机和轴流定浆式水轮机实际运行过程中，转轮1出口主轴中心孔转轮出口端8处的压力除了在部分负荷的旋转涡带区11时低于大气压力外，在小负荷区域的碎涡区10和满负荷区域附近的反向柱状涡带区12的压力也会低于大气压力，此时逆止阀7会开通，空气也会沿主轴中心孔3进入到水轮机转轮出口处。由于上述两工况水轮机内的流动状态均处于相对平稳的状态，对水轮发电机组运行稳定性的影响不大，反而是空气补入水轮机流道内后，造成了该局部尾水管水流流动状态的紊乱，可能会导致压力脉动幅值增大，反而导致了机组相应部件的振动摆度值的加大。

有鉴于此，本发明在常规的混流式水轮机和轴流定浆式水轮机自然补气系统基础上，在主轴2上的主轴中心孔3中增设了一只电磁阀5和一只气体质量流量计6，以保证仅在水轮发电机组运行在旋转涡带区11时才进行自然补气，其他工况不允许进行自然补气，即如果混流式水轮机和轴流定浆式水轮机没有在旋转涡带区11运行，则电磁阀5关闭；如果混流式水轮机和轴流定浆式水轮机在旋转涡带区11内运行，则电磁阀5开启，由于主轴中心孔转轮出口端8处的旋转涡带空腔内的压力很低，主轴中心孔3中逆止阀7处主轴中心孔发电机端4与主轴中心孔转轮出口端8间的压力差大于逆止阀7的设定值时，逆止阀7开通，空气自主轴中心孔3沿主轴中心孔发电机端4至主轴中心孔转轮出口端8方向进入水轮机流道中，开始自然补气。

具体操作过程：在混流式水轮机和轴流定浆式水轮机运行过程中，电磁阀5为常开状态。机组工况的变化和机组顶盖振动和主轴摆度值的变化决定是否允许机组进行自然补气动作。根据实际测量得到的工作水头和机组出力值，确定机组的工作状态。在相同工作状态下，首先通过气体质量流量计6检测是否有补气现象发生，如果发生了补气现象，则通过判断机组顶盖振动和主轴摆度值是否增大来决定是否关闭电磁阀5，以确定随着空气的补入水轮机水流流动状态是否发生了紊乱，造成尾水管压力脉动值增大，从而导致机组顶盖振动和主轴摆度值的加大。如果确认关闭电磁阀5可以降低机组顶盖振动和主轴摆度值，则保持该状态直至机组运行工况发生变化。否则，恢复电磁阀5的常开状态。

本发明既保证了混流式水轮机和轴流定浆式水轮机能够在旋转涡带区11实现自然补气，从而降低乃至消除旋转涡带，保证混流式水轮机和轴流定浆式水轮机的振动摆度值处于安全正常状态，又防止了在非旋转涡带区空气通过自然补气系统进入水轮机流道内，造成尾水管水流流动状态紊乱，使压力脉动幅值增大，导致机组顶盖振动和主轴摆度值加大问题。

混流式水轮机和轴流定浆式水轮机构造了自转轮1起，经主轴2连通至大气的主轴中心孔3。明确了自然补气过程中空气运动的路径通道。

主轴中心孔3中设置逆止阀7。明确了自然补气过程的单向性。保证当主轴中心孔3中逆止阀7处主轴中心孔发电机端4与主轴中心孔转轮出口端8间的压力差大于逆止阀7的设定值时，逆止阀7开通，空气能够自主轴中心孔3沿主轴中心孔发电机端4至主轴中心孔转轮出口端8方向进入水轮机流道中。设置逆止阀7还保证了一旦发生主轴中心孔3中主轴中心孔转轮出口端8处压力高于主轴中心孔发电机端4处压力的情况，水轮机中的压力水不会通过主轴中心孔3溢出造成事故。

主轴中心孔3中设置电磁阀5。通过电磁阀5的设置，实现了仅对尾水管旋转涡带区域进行精准自然补气的目的，保证了混流式水轮发电机组的安区稳定运行。

主轴中心孔3中设置气体质量流量计6。设置气体质量流量计6的目的就是能够直观地表示出是否发生了自然补气，以帮助精准判定机组顶盖振动和主轴摆度值的变化是否是由自然补气引起的。

水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否发生变化按下面的程序执行：

（1）

式（1）中：

△ν：水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值相对变化率；

ν₀：电磁阀5开启状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值；

ν_c：电磁阀5关闭状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值。

若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c>0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低；若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c<0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大。

上述程序提供了对水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值变化的判定依据。

水轮发电机组的工况数据为工作水头和机组出力。而水轮发电机组运行工况是否发生变化按下面的程序执行：

（2）

式（2）中：

△H：水头变化率；

H₀：前一时刻的水头；

H₁：下一时刻的水头。

（3）

式（3）中：

△P：水轮发电机组出力变化率；

P₀：前一时刻的水轮发电机组出力；

P₁：下一时刻的水轮发电机组出力。

若满足△H≥3%或△P≥2%条件，则判断水轮发电机组运行工况发生变化。

上述程序提供了对水轮发电机组工况变化的判定依据。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当清楚：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；然而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案范围。

Claims (7)

1.一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述方法是通过如下步骤实现的：

S1、开启电磁阀（5）；

S2、水轮发电机组稳定运行；

S3、测量水轮发电机组的工况数据；

S4、测量水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度数据，并计算水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否发生变化；

S5、通过气体质量流量计（6）确定是否有补气现象发生：如果发生补气现象，则执行S6；否则，执行S2；

S6、判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S7；否则，执行S2；

S7、判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否增大：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大，则执行S8；否则，执行S2；

S8、关闭电磁阀（5）；

S9：判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否降低：如果水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低，则执行S10；否则，执行S1；

S10、水轮发电机组稳定运行；

S11、判断水轮发电机组运行工况是否发生变化：如果水轮发电机组运行工况发生变化，则执行S1；否则，执行S10。

2.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S1中，还包括水轮机设置了自转轮（1），经主轴（2）连通至大气的主轴中心孔（3）的补气通道的步骤。

3.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S1中，还包括主轴中心孔（3）中设置逆止阀（7）的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S1中，还包括主轴中心孔（3）中设置气体质量流量计（6）的步骤。

5.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S1中，还包括主轴中心孔（3）中设置电磁阀（5）的步骤。

6.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S4中，水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值是否发生变化按下面的程序执行：

（1）

式（1）中：

△ν：水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值相对变化率；

ν₀：电磁阀（5）开启状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值；

ν_c：电磁阀（5）关闭状态下，水轮发电机组的顶盖振动和主轴摆度值；

若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c>0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值降低；若满足△ν≥10%且ν₀-ν_c<0条件，则判断水轮发电机组顶盖振动和主轴摆度值增大。

7.根据权利要求1所述的一种基于水轮发电机组稳定性指标的水轮机自然补气方法，其特征在于：所述S6中，水轮发电机组运行工况是否发生变化按下面的程序执行：

（2）

式（2）中：

△H：水头变化率；

H ₀：所述S6执行期间初始的水头；

H ₁：所述S6执行期间任意时刻的水头；

（3）

式（3）中：

△P：水轮发电机组出力变化率；

P ₀：所述S6执行期间初始的水轮机发电机组出力；

P ₁：所述S6执行期间任意时刻水轮机发电机组出力；

若满足△H≥3%或△P≥2%条件，则判断水轮发电机组运行工况发生变化。