一种水轮机水锤效应时间常数整定方法及实时监测系统与流程

1.本发明属于水轮机水锤效应参数分析技术领域，尤其涉及一种水轮机水锤效应时间常数整定方法及实时监测系统。


背景技术：

2.近年来，由于亟待解决的环境问题和不断增长的电力需求，可再生能源渗透率迅速升高，水力发电站是可再生能源系统的重要组成部分，除发电外，还具有调峰、填谷、调频、调相、事故备用等多种功能。但水轮机组在工作条件突然变化时，导叶开度会突然变化，引水管道各点水压也将变化，从而输入水轮机的机械功率也相应变化。当导水叶突然开大时，会引起流量增大的趋势，反而使得水压减小，水轮机的瞬时功率不是增大而是突然减小一下，然后再增加，反之亦然。因此，由导叶紧急关闭引起的严重水锤可能会使送出系统中陆续出现频率振荡现象，严重危害电网的安全稳定运行。
3.水锤效应时间常数tw能够直接影响水轮机组调速器的参数设置，以及机组调频性能，且tw与水轮机运行工况强相关，并不是一个恒定不变的常数。当前水电相关工程和研究在全年丰枯水季节和不同工况下均采用默认固定值，不能够准确地反映水锤效应对电网输出功率、频率等参数的影响。在科学研究领域已提出的现场实测方法需要单独进行甩负荷试验或调速器输入输出试验，会占用一定资源。因此，对正常运行下水锤效应时间常数tw的实时监测与整定是一项重要且必要的工作。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种水轮机水锤效应时间常数整定方法及实时监测系统，解决了水轮机水锤效应时间常数随季节、工况等因素变化的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种水轮机水锤效应时间常数整定方法，包括以下步骤：
7.s1、获取引水管道参数，并根据所述引水管道参数计算得到水电站引水管道的沿程水头损失系数与局部水头损失系数，并得到引水管道的总水头损失系数；
8.s2、获取水电站额定流量和额定水头；
9.s3、分别监测得到水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率；
10.s4、根据所述总水头损失系数、水电站额定流量、额定水头、水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率，计算得到水轮机水锤效应时间常数的实时数值。
11.本发明的有益效果是：在水电站的丰枯水季节和不同工况下均能够实时监测获取水电站运行数据，在一定误差范围内，通过计算机软件得到水锤效应时间常数的近似值。该实时监测与整定方法相比于默认固定值能够更加准确地反映水锤效应对电网输出功率、频率等参数的影响，也有助于更好地设计水轮机调速器各项参数，显著提升水电站对水力资
源的利用率；相比于已提出的水锤效应时间常数的其它现场实测方法，不需要单独进行甩负荷或调速器试验，能够节约大量运行和试验成本。
12.进一步地，所述步骤s1包括以下步骤：
13.s101、根据水电管道材料，查表得到沿程摩阻系数，并基于引水管道长度、管道直径和重力加速度，计算得到引水管道的沿程水头损失系数；
14.s102、根据水电管道的结构图，分析定位局部水头损失的管道段，并基于所述管道段，根据不同的管道形状与管道参数，查表得到局部阻力系数，计算得到局部水头损失系数；
15.s103、根据所述引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数，计算得到引水管道的总水头损失系数。
16.上述进一步方案的有益效果是：计算沿程和局部水头损失系数的参数是从引水管道结构与建筑材料直接获取的。除了引水管道出现结构变化的情况外，总水头损失系数在一般情况下基本保持恒定，因此只需在水电站投运初期计算确定，以年为单位定期检查修正，不需要进行实时监测。
17.再进一步地，所述沿程水头损失系数的表达式如下：
[0018][0019]
其中，αf表示沿程水头损系数，λ表示沿程摩阻系数，l表示引水管道长度，d表示引水管道直径，g表示重力加速度；
[0020]
所述局部水头损失系数的表达式如下：
[0021][0022]
n＝1,2,3,...,m
[0023]
其中，α
jn
表示局部水头损失系数，ξn表示各个局部阻力系数，n表示局部水头损失的管道段个数，m表示局部水头损失的管道段总个数；
[0024]
所述引水管道的总水头损失系数的表达式如下：
[0025]
αw＝αf ∑α
jn
[0026]
其中，αw表示引水管道的总水头损失系数，∑表示求和符号。
[0027]
上述进一步方案的有益效果是：同一引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数进行全部求和，可以得到该管道总水头损失系数。该计算方式符合水力学原理，基本不存在误差问题。
[0028]
再进一步地，所述步骤s4中水轮机水锤效应时间常数的实时数值的表达式如下：
[0029][0030]
其中，tw表示水轮机水锤效应时间常数的实时数值，qr表示水电站定额流量，hu表示上游实时水位，hd表示下游实时水位高度，q表示引水管道内实时流量，αw表示引水管道的
总水头损失系数，表示流量变化率，hr表示额定水头。
[0031]
上述进一步方案的有益效果是：基于引水管道液压系统动量方程和水锤效应物理原理，所得水锤效应时间常数计算公式中的数值可分为3类：额定值、恒定值与实时监测量。其中，hr和qr为额定值，hu、hd、q和为实时监测量，αw为在水电站投运初期计算得到的恒定值。因此，该整定公式适用于各种季节和工况下的水电站，且基本不受投运年限影响；不需要单独进行甩负荷试验或调速器输入输出试验，即可得到水锤效应时间常数的近似值。
[0032]
本发明还提供了一种水轮机水锤效应时间常数实时监测系统，包括：
[0033]
第一计算模块，用于获取引水管道参数，并根据所述引水管道参数计算得到水电站引水管道的沿程水头损失系数与局部水头损失系数，并得到引水管道的总水头损失系数；
[0034]
获取模块，用于获取水电站额定流量和额定水头；
[0035]
监测模块，用于分别监测得到水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率；
[0036]
第二计算模块，用于根据所述总水头损失系数、水电站额定流量、额定水头、水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率，计算得到水轮机水锤效应时间常数的实时数值。
[0037]
本发明的有益效果是：在水电站的丰枯水季节和不同工况下均能够实时监测获取水电站运行数据，在一定误差范围内，通过计算机软件得到水锤效应时间常数的近似值。该实时监测与整定方法相比于默认固定值能够更加准确地反映水锤效应对电网输出功率、频率等参数的影响，也有助于更好地设计水轮机调速器各项参数，显著提升水电站对水力资源的利用率；相比于已提出的水锤效应时间常数的其它现场实测方法，不需要单独进行甩负荷或调速器试验，能够节约大量运行和试验成本。
[0038]
进一步地，所述第一计算模块包括：
[0039]
第一计算单元，用于根据水电管道材料，查表得到沿程摩阻系数，并基于引水管道长度、管道直径和重力加速度，计算得到引水管道的沿程水头损失系数；
[0040]
第二计算单元，用于根据水电管道的结构图，分析定位局部水头损失的管道段，并基于所述管道段，根据不同的管道形状与管道参数，查表得到局部阻力系数，计算得到局部水头损失系数；
[0041]
第三计算单元，用于根据所述引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数，计算得到引水管道的总水头损失系数。
[0042]
上述进一步方案的有益效果是：将总水头损失系数αw根据水头损失的种类，划分为沿程水头损失系数和多个局部水头损失系数，各部分分别计算后再进行求和，能够得到较为准确的总水头损失系数αw。此外，当某个部分的管道结构出现变化时，可将对应的局部或沿程水头损失系数进行重新计算，再与其他无变化部分求和，而非从头重新计算，便于进行修正。
[0043]
再进一步地，所述沿程水头损失系数的表达式如下：
[0044][0045]
其中，αf表示沿程水头损系数，λ表示沿程摩阻系数，l表示引水管道长度，d表示引水管道直径，g表示重力加速度；
[0046]
所述局部水头损失系数的表达式如下：
[0047][0048]
n＝1,2,3,...,m
[0049]
其中，α
jn
表示局部水头损失系数，ξn表示各个局部阻力系数，n表示局部水头损失的管道段个数，m表示局部水头损失的管道段总个数；
[0050]
所述引水管道的总水头损失系数的表达式如下：
[0051]
αw＝αf ∑α
jn
[0052]
其中，αw表示引水管道的总水头损失系数，∑表示求和符号。
[0053]
上述进一步方案的有益效果是：同一引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数进行全部求和，可以得到该管道总水头损失系数。该计算方式符合水力学原理，基本不存在误差问题。
[0054]
再进一步地，所述水轮机水锤效应时间常数的实时数值的表达式如下：
[0055][0056]
其中，tw表示水轮机水锤效应时间常数的实时数值，qr表示水电站额定流量，hu表示上游实时水位，hu表示下游实时水位高度，q表示引水管道内实时流量，αw表示引水管道的总水头损失系数，表示流量变化率，hr表示额定水头。
[0057]
上述进一步方案的有益效果是：基于引水管道液压系统动量方程和水锤效应物理原理，得到水锤效应时间常数计算公式，式中的数值可分为3类：额定值、恒定值与实时监测量。其中，hr和qr为额定值，hu、hd、q和为实时检测量，αw为在水电站投运初期计算得到的恒定值。因此，该整定公式适用于各种季节和工况下的水电站，且不受投运年限影响；不需要单独进行甩负荷试验或调速器输入输出试验，即可得到水锤效应时间常数的近似值。
[0058]
再进一步地，所述监测模块包括：设置于上游蓄水池的上游水位监测单元、设置于尾水管出口下方的下游水位监测单元以及设置于进水口的流量及流量变化率监测单元；所述上游水位监测单元、下游水位监测单元以及流量及流量变化率监测单元均连接有与水电站控制室连接的信号传输信单元。
[0059]
上述进一步方案的有益效果是：上下游水位监测单元的安装位置能够直接获得水位数据，且位置紧靠水电站，便于供能和传输信号。此外，由于水锤效应对水轮机频率产生
的影响主要发生在厂房内的水轮机导叶附近，因此将流量及流量变化率监测单元装设在进水口处，能够更靠近导叶，更准确反映水锤效应的影响效果。
附图说明
[0060]
图1为水轮机水锤效应时间常数整定流程图。
[0061]
图2为水电站系统及监测装置示意图。
[0062]
图3为渐扩管和渐缩管的结构示意图。
[0063]
图4为水轮机水锤效应时间常数实时监测系统的结构框图。
[0064]
图5为水轮机调速器模型示意图。
[0065]
图6为水电单机系统等效电路图。
[0066]
图7为不同tw下水电单机系统的频率响应仿真结果示意图。
[0067]
图8为常见弯管局部水头损失计算表。
具体实施方式
[0068]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0069]
如图1所示，本发明提供了一种水轮机水锤效应时间常数整定方法，其实现方法如下：
[0070]
s1、获取引水管道参数，并根据所述引水管道参数计算得到水电站引水管道的沿程水头损失系数与局部水头损失系数，并得到引水管道的总水头损失系数，其实现方法如下：
[0071]
s101、根据水电管道材料，查表得到沿程摩阻系数，并基于引水管道长度、管道直径和重力加速度，计算得到引水管道的沿程水头损失系数；
[0072]
s102、根据水电管道的结构图，分析定位局部水头损失的管道段，并基于所述管道段，根据不同的管道形状与管道参数，查表得到局部阻力系数，计算得到局部水头损失系数；
[0073]
本实施例中，管理参数如下表1和图8中异径管、弯管的直径、角度等管道参数。
[0074]
s103、根据所述引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数，计算得到引水管道的总水头损失系数；
[0075]
本实施例中，在水力领域，根据边界条件的不同，把水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比的称为沿程水头损失，用hf表示；由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。
[0076]
根据公式(1)计算沿程水头损失hf：
[0077]
[0078]
其中，λ为沿程摩阻系数，l为引水管道长度，d为管道直径，v为引水管道中的水流速度，g为重力加速度。
[0079]
定义沿程水头损失系数αf，使其满足式(2)：
[0080][0081]
其中，hf为沿程水头损失，q为引水管道水流量。
[0082]
根据水流量和圆柱体横截面积的定义公式，可知式(3)：
[0083][0084]
其中，q为引水管道水流量，a为引水管道横截面积，v为引水管道中的水流速度，d为管道直径。
[0085]
将式(1)～式(3)联立得到由管道固定参数表示的沿程水头损失系数αf：
[0086][0087]
其中，λ为沿程摩阻系数，l为引水管道长度，d为管道直径，g为重力加速度。
[0088]
本实施例中，局部水头损失是由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失，用hj表示。在实际工程中，当水电站建设完成后，即可通过图纸来确定各处局部水头损失系数。
[0089]
本实施例中，水电站引水管道常见结构如图2所示，其中hu为上游水位，hd为下游水位，hf为沿程水头损失量，h
jn
为第n处局部水头损失量，n为局部水头损失的管道段编号。对于沿程水头损失中的沿程摩阻系数可根据管道建造材料和内壁粗糙程度查《水力学》中的莫迪图得到；对于局部水头损失，如首尾两端的渐扩、渐缩异径管及任意角度弯管等，根据管道形状和参数可查表得到相应的局部阻力系数ξn。图3是渐扩管和渐缩管的结构示意图，图3中，d 表示管道大端直径，d表示管道小端直径，v表示水流方向，θ表示锥形管间的夹角。表1和图8是《水力学》中提供的的局部阻力系数。其中，表1为常见异径管局部水头损失计算表，图8为常见弯管局部水头损失计算表。
[0090]
表1
[0091][0092]
通过公式(5)计算第1～n处局部水头损失h
jn
：
[0093][0094]
其中，ξn为局部阻力系数，v为引水管道中的水流速度，g为重力加速度。
[0095]
定义各个局部水头损失系数
jn
，使其满足式(6)：
[0096][0097]
其中，h
jn
为各部分沿程水头损失，q为引水管道水流量。
[0098]
将式(3)、式(5)、式(6)联立得到由管道固定参数表示的局部水头损失系数α
jn
：
[0099][0100]
其中，ξn为各个局部阻力系数，d为管道直径，g为重力加速度。
[0101]
由总水头损失的定义可知公式(8)：
[0102][0103]
其中，hf为沿程水头损失，为第1～m段局部水头损失之和，n表示局部水头损失的管道段个数，m表示局部水头损失的管道段总个数；
[0104]
将式(8)代入式(2)可得：
[0105][0106]
其中，f为沿程水头损失系数，为第1～m段局部水头损失系数之和。
[0107]
s2、获取水电站额定流量和额定水头；
[0108]
s3、分别监测得到水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率；
[0109]
s4、根据所述总水头损失系数、水电站额定流量、额定水头、水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率，计算得到水轮机水锤效应时间常数的实时数值。
[0110]
本实施例中，根据水电站参数与实时监测量计算确定水锤效应时间常数的实时数值。
[0111]
本实施例中，结合图3，可以得到该液压系统的动量方程为：
[0112][0113]
其中，l为引水管道总长度，g为重力加速度，a为管道横截面积，为流量变化率，hu为上游实时水位，hd为下游实时水位高度，w为引水管道总水头损失系数，q为引水管道内实时流量。
[0114]
定义无量纲参数如下：
[0115][0116]
其中，qr为额定流量，hr为额定水头，h为水头实测值，q为流量实测值。
[0117]
若忽略引水管道的弹性，则刚性引水管道水锤效应的数学表达式为：
[0118][0119]
其中，δh为水头变化量的无量纲参数，tw为水锤效应时间常数，为流量变化率的无量纲参数。
[0120]
将式(12)中的无量纲参数转化为现场实测值：
[0121]
[0122]
其中，hr为额定水头，qr为额定流量，tw为水锤效应时间常数，为流量变化率实测值。
[0123]
在实际水电站中，水头变化量的含义为上下游水位之差，再去除引水管道中的水头损失量，即：
[0124]
δh＝h
u-α
wq2-hdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0125]
其中，hu为上游实时水位，hd为下游实时水位高度，q为引水管道内实时流量，w为引水管道总水头损失系数。
[0126]
联立式(13)和式(14)可得到水锤效应时间常数的实时数值计算公式为：
[0127][0128]
其中，tw表示水轮机水锤效应时间常数的实时数值，qr表示水电站额定流量，hu表示上游实时水位，hu表示下游实时水位高度，q表示引水管道内实时流量，αw表示引水管道的总水头损失系数，表示流量变化率，hr表示额定水头。
[0129]
实施例2
[0130]
如图4所示，本发明提供了一种水轮机水锤效应时间常数实时监测系统，包括：
[0131]
第一计算模块，用于获取引水管道参数，并根据所述引水管道参数计算得到水电站引水管道的沿程水头损失系数与局部水头损失系数，并得到引水管道的总水头损失系数；
[0132]
获取模块，用于获取水电站额定流量和额定水头；
[0133]
监测模块，用于分别监测得到水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率；
[0134]
第二计算模块，用于根据所述总水头损失系数、水电站额定流量、额定水头、水电站上游水位、下游水位、管道内实时水流速度以及流速变化率，计算得到水轮机水锤效应时间常数的实时数值。
[0135]
在其是一个实施例中，所述第一计算模块包括：
[0136]
第一计算单元，用于根据水电管道材料，查表得到沿程摩阻系数，并基于引水管道长度、管道直径和重力加速度，计算得到引水管道的沿程水头损失系数；
[0137]
第二计算单元，用于根据水电管道的结构图，分析定位局部水头损失的管道段，并基于所述管道段，根据不同的管道形状与管道参数，查表得到局部阻力系数，计算得到局部水头损失系数；
[0138]
第三计算单元，用于根据所述引水管道的沿程水头损失系数和局部水头损失系数，计算得到引水管道的总水头损失系数。
[0139]
在其中一个实施例中，所述沿程水头损失系数的表达式如下：
[0140][0141]
其中，αf表示沿程水头损系数，λ表示沿程摩阻系数，l表示引水管道长度，d表示引水管道直径，g表示重力加速度；
[0142]
所述局部水头损失系数的表达式如下：
[0143][0144]
n＝1,2,3,...,m
[0145]
其中，α
jn
表示局部水头损失系数，ξn表示各个局部阻力系数，n表示局部水头损失的管道段个数，m表示局部水头损失的管道段总个数；
[0146]
所述引水管道的总水头损失系数的表达式如下：
[0147]
αw＝αf ∑α
jn
[0148]
其中，αw表示引水管道的总水头损失系数，∑表示求和符号。
[0149]
在其中一个实施例中，所述水轮机水锤效应时间常数的实时数值的表达式如下：
[0150][0151]
其中，tw表示水轮机水锤效应时间常数的实时数值，qr表示水电站额定流量，hu表示上游实时水位，hu表示下游实时水位高度，q表示引水管道内实时流量，αw表示引水管道的总水头损失系数，表示流量变化率，hr表示额定水头。
[0152]
在其中一个实施例中，所述监测模块包括：设置于上游蓄水池的上游水位监测单元、设置于尾水管出口下方的下游水位监测单元以及设置于进水口的流量及流量变化率监测单元；所述上游水位监测单元、下游水位监测单元以及流量及流量变化率监测单元均连接有与水电站控制室连接的信号传输信单元。
[0153]
本实施例中，采用水轮机单机系统验证水锤效应时间常数tw对电网频率的影响，水轮机调速器模型如图5所示，充分体现tw在水轮机调速器中的关键作用，水轮机单机系统等效电路图如图6。系统基准容量为100mva，基准电压为230kv。水轮机调速器控制参数设置为k
p
＝3.5，ki＝2.7，kd＝3，b
p
＝0.05，tg＝0.2， d＝0.8，负载参数为p＝100mw，q＝30mvar。根据水轮机运行原理可知，水锤效应时间常数tw通过改变调速器传递函数，进而影响水轮机频率调节效果。因此，本发明分别将tw设置为0.5s、1.0s、1.5s、2s、2.5s五种情况，基于图6所示的单机系统，在matlab/simulink中进行仿真，设置在t＝0s时负载突增30％，得到不同tw下系统的频率响应曲线如图7所示。
[0154]
由图7可知，不同tw的水轮机频率响应曲线存在较大差异，振荡严重程度随着tw的增大而增大。当tw＝0.5s、1.0s、1.5s、2.0s时，系统频率在负荷突增后出现振荡但逐渐趋于稳定；当tw＝2.5s时，频率振荡呈发散状逐渐加剧。仿真结果说明，tw的取值对电力系统频率
稳定性和安全运行产生影响十分显著，较小的取值差异便会导致明显的频率偏差。然而，在实际工程与生产中，甚至在科学研究领域，当前大部分工作都将同一水电站的tw视为默认固定值，忽略了其随工况和季节变化而变化的客观现实，使得电网运行分析和科学研究的结果产生较大误差。本发明采取的tw实时监测整定方法从水轮机水锤效应根本原理上出发，结合西南电网实际工作需要，能够给出tw近似准确值，对水电频率分析问题提供更为准确的数据支持。
[0155]
如图4所示，实施例提供的水轮机水锤效应时间常数实时监测系统可以执行上述方法实施例水轮机水锤效应时间常数实时监测方法所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不再赘述。
[0156]
本实施例中，本技术可以根据水轮机水锤效应时间常数实时监测方法进行功能单元的划分，例如可以将各个功能划分为各个功能单元，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理单元中。上述集成单元即可以采用硬件的形式来实现，也可以采用软件功能单元的形式来实现。需要说明的是，本发明中对单元的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
[0157]
本实施例中，水轮机水锤效应时间常数实时监测系统为了实现水轮机水锤效应时间常数实时监测方法的原理与有益效果，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本发明所公开的实施例描述的各示意单元及算法步骤，本发明能够以硬件和/或硬件和计算机软件结合的形式来实现，某个功能以硬件还是计算机软件驱动的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件，可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0158]
本发明通过以上设计，在水电站的丰枯水季节和不同工况下均能够实时监测获取水电站运行数据，在一定误差范围内，通过计算机软件得到水锤效应时间常数的近似值。该实时监测与整定方法相比于直接取默认固定值，能够更加准确地反映水锤效应对电网功率、频率等参数的影响，有助于设计更优的水轮机调速器参数，显著提升水电站对水力资源的利用率；相比于已提出的水锤效应时间常数的其它现场实测方法，不需要单独进行甩负荷或调速器试验，能够节约大量运行和试验成本。
[0159]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。