一种轴流定桨水轮机强制补气的控制方法与流程

1.本发明属于流体机械及工程设备技术领域，具体涉及一种轴流定桨水轮机强制补气的控制方法。


背景技术：

2.由于轴流定桨水轮机的转轮叶片被刚性固结在轮毂上。因此当水头变化时，往往只能通过调节活动导叶的开度，达到调节出力大小的目的。这类水轮机组常运行在偏工况下，却又无法较好地适应偏工况条件，因而降低了能量转换效率，同时还带来水力振动等危害，影响机组正常稳定运行。造成水力振动的主要原因是尾水管内形成涡带，造成压力脉动，该压力脉动向上游传播，继而引起水轮机组的振动。
3.为减轻或消除涡带引起的水力振动，常使用在尾水管内补入气体的方式消除涡带的压力差。补气可分为自然补气和强制补气两种方式，即使用补气装置将尾水管内外自然连通或使用补气装置和空压机强行泵入气体。
4.现有的轴流定桨水轮机强制补气控制方法多为使用自然补气，或使用空压机，采用固定补气流量进行强制补气。这种补气控制方法不能很好地适应多种不同的水轮机工况水平。在小流量工况条件下，因涡带强度大，容易造成补气不足无法消除涡带的问题；在较大流量工况下，因涡带强度小，容易造成补气过量，而浪费驱动空压机气源的能源，且影响轴流定桨水轮机的能量转换效率，造成经济损失。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种轴流定桨水轮机强制补气的控制方法，以解决现有的强制补气方法不能适应多种不同的水轮机工况水平的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
7.本发明提供一种轴流定桨水轮机强制补气的控制方法，包括：
8.s1：采集水轮机水位传感器数据，计算水轮机水头；
9.s2：采集水轮机实时功率数据；
10.s3：结合水轮机水头和实时功率数据，与水轮机运行特性曲线图作对比，判断水轮机处于涡带区或非涡带区，通过可编程控制器确定是否进行强制补气；
11.s4：若需要进行强制补气，可编程控制器根据不同工况条件下强制补气的补气体积流量-功率控制曲线自动计算得到实时补气体积流量，进行强制补气。
12.进一步的，若不需强制补气，可编程控制器自动驱动空压机保持停止状态。
13.进一步的，所述采集水轮机水位传感器数据，计算水轮机水头的步骤，包括：
14.通过上游水位传感器和下游水位传感器，采集水轮机的上游水位传感器数据和下游水位传感器数据，实时监测得到水轮机上下游水位差，计算得到该工况下的水轮机水头。
15.进一步的，所述采集水轮机实时功率数据的步骤，包括：
16.通过水轮机输出功率检测传感器，采集水轮机实时功率数据。
17.进一步的，所述水轮机运行特性曲线图基于定桨水轮机的涡带试验数据，以尾水管内是否产生明显的涡带，尾水管各部位是否有明显的压力脉动现象为依据，划定涡带分界线；以涡带分界线为界，分界线左侧的区域为尾水管涡带区，分界线右侧的区域为无涡带区。
18.进一步的，所述水轮机处于涡带区时，对水轮机进行强制补气。
19.进一步的，所述可编程控制器自动计算得到实时补气体积流量，包括：调用可编程控制器中存储的补气体积流量数据，自动计算得到实时补气体积流量；补气体积流量与水轮机实时工况下的水头、功率有关，根据不同工况条件下强制补气的补气体积流量-功率控制曲线得到补气体积流量。
20.进一步的，所述可编程控制器控制空压机输出补气体积流量至强制补气装置，对水轮机进行强制补气。
21.进一步的，补气体积流量与水轮机实时工况下的水头参数有关，且关于功率的函数为一个具有负对数性质的分段函数，其函数表达式为：
[0022][0023]
式中：v是补气体积流量，单位为m3/s；p是水轮机实时运行功率，单位为mw；h是水轮机实时运行水头，单位为m；k和b均为拟合参数，其中k的值介于0.5-0.8之间，b的值介于4-8之间；p0为水轮机运行特性曲线示意图中涡带分界线上的运行功率；该控制函数在涡带区时表现为负对数关系，在无涡带区时表现为补气体积流量为零。
[0024]
进一步的，在尾水管涡带区时，当处于小流量工况条件下，可编程控制器驱动空压机自动调大补气流量；当处于大流量工况条件下，可编程控制器驱动空压机自动自动调整补气体积流量变小。
[0025]
本发明至少具有以下有益效果：
[0026]
1、本发明通过采集水轮机水头和实时功率数据，与水轮机运行特性曲线图作对比，判断水轮机处于涡带区或非涡带区，当处于涡带区时进行强制补气，当处于无涡带区时，自动关闭强制补气装置，节约了驱动空压机气源的能源。本发明适应多种不同的水轮机工况水平，通过该控制方法，可以实现在水轮机不同工况条件下自动启停补气装置，控制补气流量的目的。在保证轴流定桨水轮机能量转换效率的基础上，充分防止因补气不足无法消除涡带，继而造成尾水管部件发生水力振动的问题，杜绝因补气过量而浪费驱动空压机气源的能源的问题。
[0027]
2、本发明在尾水管涡带区时，当处于小流量工况条件下，适当调大补气流量，充分消除涡带，减小因涡带造成的水力振动现象；当处于大流量工况条件下，因涡带强度较小，自动调整补气体积流量至较小的水平，最大程度降低了对轴流定桨水轮机能量转换效率的影响。
附图说明
[0028]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0029]
图1为本发明流程示意图；
[0030]
图2为本发明水轮机运行特性曲线图示意图；
[0031]
图3为本发明不同工况条件下强制补气的补气体积流量-功率控制曲线。
具体实施方式
[0032]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0034]
如图1所示，一种轴流定桨水轮机强制补气的控制方法，包括：
[0035]
s1：通过上游水位传感器和下游水位传感器，采集水轮机的上游水位传感器数据和下游水位传感器数据，可实时监测得到水轮机上下游水位差，计算得到该工况下的水轮机水头。
[0036]
s2：通过水轮机输出功率检测传感器，采集水轮机实时功率数据。
[0037]
s3：结合水轮机水头和实时功率数据，与水轮机运行特性曲线图作对比，确定水轮机运行时的工况点在水轮机特性曲线图的位置，得到实时工况距离涡带分界线的距离；判断水轮机处于涡带区或非涡带区；通过可编程控制器确定手进行强制补气；若水轮机处于涡带区，则对水轮机进行强制补气。
[0038]
如图2所示为水轮机运行特性曲线图，水轮机水头h(m)与功率p(kw)的关系；水轮机运行特性曲线图基于某型定桨水轮机的涡带试验数据，以尾水管内是否产生明显的涡带，尾水管各部位是否有明显的压力脉动现象为依据，划定涡带分界线；以涡带分界线为界，分界线左侧的区域为尾水管涡带区，分界线右侧的区域为无涡带区；当水轮机工况处于尾水管涡带区时，距离涡带分界线的距离越远，产生的涡带越大，所需的补气量越大。
[0039]
s4：若需要进行强制补气，调用可编程控制器中存储的补气体积流量数据，自动计算得到实时补气体积流量，补气体积流量与水轮机实时工况下的水头、功率有关，根据不同工况条件下强制补气的补气体积流量-功率控制曲线得到补气体积流量；并转化为空压机气源压力的电信号，输出至空压机，控制空压机输出补气体积流量至强制补气装置。若不需强制补气，则可编程控制器自动驱动空压机保持停止状态。
[0040]
如图3所示为水轮机不同工况条件下的补气体积流量-功率控制曲线；补气体积流量(m3/s)关于功率(mw)的函数关系为一个分段函数，在涡带区时表现为负对数关系，在无涡带区时表现为补气体积流量为零。其中补气体积流量与水轮机实时工况下的水头参数有关，且关于功率的函数为一个具有负对数性质的分段函数，其函数表达式为：
[0041][0042]
上式中v是补气体积流量，单位为m3/s；p是水轮机实时运行功率，单位为mw；h是水轮机实时运行水头，单位为m；k和b均为拟合参数，其中k的值介于0.5-0.8之间，b的值介于4-8之间。p0为水轮机运行特性曲线示意图中涡带分界线上的运行功率。补气体积流量根据水轮机不同工况水头情况下的补气体积流量-功率控制曲线获得；在尾水管涡带区时，当处
于小流量工况条件，即实际运行于如水轮机运行特性曲线示意图中所示的涡带分界线左侧的区域时，可编程控制器驱动空压机适当调大补气流量，充分消除涡带，减小因涡带造成的水力振动现象；当处于大流量工况条件下，即实际运行于如水轮机运行特性曲线示意图中所示的涡带分界线右侧的区域时，因涡带强度较小，可编程控制器驱动空压机自动调整补气体积流量至较小的水平，最大程度降低了对轴流定桨水轮机能量转换效率的影响。
[0043]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
[0044]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。