本發(fā)明涉及水力發(fā)電，具體涉及一種基于調(diào)壓室涌浪法的水輪機(jī)絕對(duì)效率測(cè)試方法。

背景技術(shù)：

1、水輪機(jī)作為水力發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其效率直接關(guān)系到水電站的發(fā)電效益和能源利用水平。準(zhǔn)確測(cè)量水輪機(jī)的效率，對(duì)于優(yōu)化水電站運(yùn)行、評(píng)估機(jī)組性能、制定檢修計(jì)劃以及提高水電能源的競(jìng)爭(zhēng)力都具有重要意義。通過(guò)精確的效率測(cè)試，能夠深入了解水輪機(jī)在不同工況下的能量轉(zhuǎn)換能力，為提高水電站的整體運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益提供關(guān)鍵依據(jù)。

2、目前水輪機(jī)真機(jī)絕對(duì)效率主要還是通過(guò)模型綜合特性曲線推算獲得，其主要方法為通過(guò)水輪機(jī)模型試驗(yàn)得到模型水輪機(jī)的效率，然后通過(guò)水輪機(jī)相似性定律推算出真機(jī)的水輪機(jī)絕對(duì)效率。雖然該方法能夠方便快捷的得到水輪機(jī)的真機(jī)絕對(duì)效率，但是由于水輪機(jī)真機(jī)的制造、安裝等因素的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在誤差，與實(shí)際機(jī)組情況不一致。

3、通過(guò)真機(jī)的水輪機(jī)效率試驗(yàn)是得到水輪機(jī)真機(jī)絕對(duì)效率是最準(zhǔn)確的方法。根據(jù)水輪機(jī)出力公式pm＝9.81qhη，要準(zhǔn)確的獲得水輪機(jī)效率需要測(cè)量水輪機(jī)出力pm、水頭h以及水輪機(jī)流量q，其中水輪機(jī)出力pm和水頭h都能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，但是真機(jī)的水輪機(jī)流量的精確測(cè)量卻十分困難，水輪機(jī)真機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)的一個(gè)重要的技術(shù)難點(diǎn)就是水輪機(jī)真機(jī)流量的準(zhǔn)確測(cè)試，目前常用的方法主要有蝸殼差壓法、流速儀法和超聲波流量計(jì)法。

4、蝸殼差壓法測(cè)流主要原理是根據(jù)水流流經(jīng)蝸殼進(jìn)入水輪機(jī)時(shí)，遵循等速度矩原理通過(guò)測(cè)量蝸殼差壓h實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)流量q的測(cè)量。該方法簡(jiǎn)單易行，不需要在水輪機(jī)流道內(nèi)布置復(fù)雜的測(cè)流量的儀器，測(cè)量方便。其主要缺點(diǎn)就是需要準(zhǔn)確確定流量系數(shù)k，對(duì)于不同的機(jī)組蝸殼或同一蝸殼不同的測(cè)壓孔，其蝸殼流量系數(shù)是不同的常數(shù)。若要準(zhǔn)確測(cè)量流量，需事先通過(guò)其他精確方法對(duì)特定機(jī)組的蝸殼流量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，否則無(wú)法獲得水輪機(jī)的真實(shí)流量。

5、流速儀法測(cè)流的基本原理是通過(guò)測(cè)量水流中多個(gè)點(diǎn)的流速，再結(jié)合過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e，利用一定的數(shù)學(xué)方法來(lái)計(jì)算流量q。在進(jìn)行真機(jī)水輪機(jī)測(cè)流時(shí)需要在水輪機(jī)過(guò)水流道中布置大量的流速儀。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、原理比較簡(jiǎn)單。其主要缺點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程十分繁瑣，對(duì)于大斷面的水電機(jī)組，需要在過(guò)水?dāng)嗝嫔喜贾么罅康臏y(cè)點(diǎn)，測(cè)量工作耗時(shí)費(fèi)力，效率較低，而且流速儀在高速水流中容易脫落、變形，影響測(cè)量效果。

6、超聲波流量計(jì)法測(cè)流目前主要是采用多普勒超聲波法，根據(jù)多普勒頻移的大小與流體流速之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量頻移量計(jì)算出流體中散射體的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而得到流體的流速。在實(shí)際測(cè)量中分為外夾式超聲波測(cè)流和內(nèi)附式超聲波測(cè)流。外夾式超聲波測(cè)流需要在管道外部安裝超聲波探頭，只能適用于較小的管道；內(nèi)附式超聲波測(cè)流是在流道內(nèi)部安裝超聲波探頭，需要采用工程措施進(jìn)行安裝和固定以及信號(hào)電纜的敷設(shè)。此外超聲波測(cè)流還有一個(gè)缺點(diǎn)就是受管道條件限制，需要管道有大約10～15倍管徑的平直段，這在實(shí)際水電站管道中是很難滿足的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：如何實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)流量準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)而得到水輪機(jī)的絕對(duì)效率。

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種基于調(diào)壓室涌浪法的水輪機(jī)絕對(duì)效率測(cè)試方法，結(jié)合機(jī)組的甩負(fù)荷試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量調(diào)壓室涌浪實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)流量的精確測(cè)量，再結(jié)合蝸殼差壓法，能夠方便而準(zhǔn)確的得到各個(gè)工況下的水輪機(jī)的流量，從而實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)絕對(duì)效率準(zhǔn)確計(jì)算。

3、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

4、一種基于調(diào)壓室涌浪法的水輪機(jī)絕對(duì)效率測(cè)試方法，應(yīng)用于設(shè)置有上游調(diào)壓室或者下游調(diào)壓室的水力發(fā)電系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：

5、s101)測(cè)定水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)，并測(cè)定正常運(yùn)行的水電機(jī)組甩負(fù)荷后，上游調(diào)壓室或者下游調(diào)壓室形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)；

6、s102)將水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)與形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)代入機(jī)組流量方程，并求解機(jī)組流量方程得到水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)組流量；

7、s103)改變水輪機(jī)正常運(yùn)行初始負(fù)荷，跳轉(zhuǎn)步驟s101，直到達(dá)到指定次數(shù)，根據(jù)每一次得出的機(jī)組流量與對(duì)應(yīng)水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)中的蝸殼壓差標(biāo)定蝸殼流量系數(shù)；

8、s104)使用蝸殼差壓測(cè)流法測(cè)定當(dāng)前工況的機(jī)組流量，根據(jù)當(dāng)前工況的機(jī)組流量計(jì)算水輪機(jī)工作水頭后，利用水輪機(jī)出力公式反算得出水輪機(jī)絕對(duì)效率。

9、進(jìn)一步的，若所述調(diào)壓室為上游調(diào)壓室，水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)包括上游水庫(kù)水位值z(mì)庫(kù)、上游調(diào)壓室水位值z(mì)0、蝸殼壓差h；形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)包括上游調(diào)壓室的調(diào)壓室最高涌浪水位值z(mì)max；

10、若所述調(diào)壓室為下游調(diào)壓室，水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)包括下游水庫(kù)水位值z(mì)庫(kù)下、下游調(diào)壓室水位值z(mì)0下、蝸殼壓差h；形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)包括下游調(diào)壓室的調(diào)壓室最低涌浪水位值z(mì)min。

11、進(jìn)一步的，若所述調(diào)壓室為上游調(diào)壓室且為上游簡(jiǎn)單式調(diào)壓室，所述機(jī)組流量方程表達(dá)式如下：

12、

13、式中，q0為待求解的機(jī)組流量，hw0＝z庫(kù)-z0；δzmax＝z庫(kù)-zmax；l為壓力引水道管道長(zhǎng)度，f為壓力引水道管道面積，f為上游調(diào)壓室橫截面積，g為重力加速度。

14、進(jìn)一步的，若所述調(diào)壓室為上游調(diào)壓室且為上游阻抗式調(diào)壓室，所述機(jī)組流量方程包括多個(gè)不同條件下的機(jī)組流量方程，將水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)與形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)代入與調(diào)壓室的類型相對(duì)應(yīng)的機(jī)組流量方程，并求解機(jī)組流量方程時(shí)，具體是將水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)與形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)代入所有機(jī)組流量方程，并對(duì)所有機(jī)組流量方程全部求解后，使用每個(gè)機(jī)組流量方程的解驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的條件，并選擇通過(guò)驗(yàn)證的機(jī)組流量方程的解作為最終解，所述機(jī)組流量方程表達(dá)式如下：

15、當(dāng)λ′hc0<1時(shí)：

16、

17、當(dāng)λ′hc0>1時(shí)：

18、

19、當(dāng)λ′hc0＝1時(shí)：

20、

21、式中，hc0為上游調(diào)壓室阻抗口水頭損失，q0為待求解的機(jī)組流量，hw0＝z庫(kù)-z0；δzmax＝z庫(kù)-zmax；l為壓力引水道管道長(zhǎng)度，f為壓力引水道管道面積，f為上游調(diào)壓室橫截面積，g為重力加速度，為調(diào)壓室阻抗孔流量系數(shù)，s為調(diào)壓室阻抗孔斷面面積。

22、進(jìn)一步的，若所述調(diào)壓室為下游調(diào)壓室且為下游簡(jiǎn)單式調(diào)壓室，所述機(jī)組流量方程表達(dá)式如下：

23、

24、式中，q0為待求解的機(jī)組流量，hw0x＝z0下-z庫(kù)下；△zmin＝z庫(kù)下-zmin；lx為尾水道管道長(zhǎng)度，fx為尾水道管道面積，fx為下游調(diào)壓室橫截面積，g為重力加速度。

25、進(jìn)一步的，若所述調(diào)壓室為下游調(diào)壓室且為下游阻抗式調(diào)壓室，所述機(jī)組流量方程包括多個(gè)不同條件下的機(jī)組流量方程，將水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)與形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)代入與調(diào)壓室的類型相對(duì)應(yīng)的機(jī)組流量方程，并求解機(jī)組流量方程時(shí)，具體是將水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)與形成調(diào)壓室涌浪時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)代入所有機(jī)組流量方程，并對(duì)所有機(jī)組流量方程全部求解后，使用每個(gè)機(jī)組流量方程的解驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的條件，并選擇通過(guò)驗(yàn)證的機(jī)組流量方程的解作為最終解，所述機(jī)組流量方程表達(dá)式如下：

26、當(dāng)β'hc0x<1時(shí)：

27、

28、當(dāng)β'hc0x>1時(shí)：

29、

30、當(dāng)β'hc0x＝1時(shí)：

31、

32、式中，hc0x為下游調(diào)壓室阻抗口水頭損失，q0為待求解的機(jī)組流量，hw0x＝z0下-z庫(kù)下；△zmin＝z庫(kù)下-zmin；lx為尾水道管道長(zhǎng)度，fx為尾水道管道面積，fx為下游調(diào)壓室橫截面積，g為重力加速度，為調(diào)壓室阻抗孔流量系數(shù)、s為調(diào)壓室阻抗孔斷面面積。

33、進(jìn)一步的，水電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)還包括水輪導(dǎo)葉開(kāi)度y0、蝸殼進(jìn)口壓力值z(mì)1和尾水管出口壓力值z(mì)2，求解機(jī)組流量方程得到水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)組流量時(shí)，包括：

34、計(jì)算蝸殼進(jìn)口壓力值z(mì)1和尾水管出口壓力值z(mì)2的差值，得到水輪機(jī)測(cè)壓管水頭hc；

35、從水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線獲取n條導(dǎo)葉等開(kāi)度線與m個(gè)水輪機(jī)水頭，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)流量矩陣，水輪機(jī)流量矩陣的行數(shù)等于導(dǎo)葉等開(kāi)度線數(shù)量且列數(shù)等于水輪機(jī)水頭數(shù)量，水輪機(jī)流量矩陣中的元素為在列數(shù)對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)水頭下且行數(shù)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度下的機(jī)組流量；

36、找出水輪機(jī)測(cè)壓管水頭hc在m個(gè)水輪機(jī)水頭中的所處的區(qū)間，并找出水輪導(dǎo)葉開(kāi)度y0在n條導(dǎo)葉等開(kāi)度線中的所處區(qū)間，然后對(duì)水輪機(jī)流量矩陣對(duì)應(yīng)區(qū)間的機(jī)組流量進(jìn)行線性插值，得到在水頭hc下導(dǎo)葉開(kāi)度y0下的機(jī)組流量初始值q00；

37、將機(jī)組流量當(dāng)前值代入機(jī)組流量方程與機(jī)組流量方程的導(dǎo)數(shù)，并根據(jù)機(jī)組流量方程與機(jī)組流量方程的導(dǎo)數(shù)以及機(jī)組流量當(dāng)前值計(jì)算機(jī)組流量下一值，若機(jī)組流量下一值與機(jī)組流量當(dāng)前值的差的絕對(duì)值不滿足精度要求，將機(jī)組流量下一值替換機(jī)組流量當(dāng)前值，并重復(fù)執(zhí)行本步驟，直到機(jī)組流量下一值與機(jī)組流量當(dāng)前值的差的絕對(duì)值滿足精度要求，將機(jī)組流量下一值作為機(jī)組流量方程的根。

38、進(jìn)一步的，機(jī)組流量下一值表達(dá)式如下：

39、

40、其中，q0k表示機(jī)組流量當(dāng)前值，f(q0k)表示機(jī)組流量方程代入機(jī)組流量當(dāng)前值后的值，f′(q0k)表示機(jī)組流量方程的導(dǎo)數(shù)代入機(jī)組流量當(dāng)前值后的值。

41、進(jìn)一步的，對(duì)水輪機(jī)流量矩陣對(duì)應(yīng)區(qū)間的機(jī)組流量進(jìn)行線性插值時(shí)，包括：

42、獲取水輪機(jī)測(cè)壓管水頭hc在m個(gè)水輪機(jī)水頭中的所處的區(qū)間hk-1<hc<hk，以及水輪導(dǎo)葉開(kāi)度y0在n條導(dǎo)葉等開(kāi)度線中的所處區(qū)間yj-1<y0<yj，確定水輪機(jī)流量矩陣對(duì)應(yīng)的機(jī)組流量并進(jìn)行水頭插值，表達(dá)式如下：

43、

44、其中，qj-1,k-1表示水輪機(jī)流量矩陣中在水輪機(jī)水頭hk-1下且導(dǎo)葉開(kāi)度yj-1下的機(jī)組流量，qj-1,k表示水輪機(jī)流量矩陣中在水輪機(jī)水頭hk下且導(dǎo)葉開(kāi)度yj-1下的機(jī)組流量，qj,k-1表示水輪機(jī)流量矩陣中在水輪機(jī)水頭hk-1下且導(dǎo)葉開(kāi)度yj下的機(jī)組流量，qj,k表示水輪機(jī)流量矩陣中在水輪機(jī)水頭hk下且導(dǎo)葉開(kāi)度yj下的機(jī)組流量；

45、根據(jù)水頭插值后的值，計(jì)算得到在水頭hc下導(dǎo)葉開(kāi)度y0下的機(jī)組流量q00，表達(dá)式如下：

46、

47、其中，qj-1,0表示水輪機(jī)流量矩陣中的元素qj-1,k-1和qj-1,k之間的插值，qj,0表示水輪機(jī)流量矩陣中的元素qj,k和qj,k-1之間的插值。

48、進(jìn)一步的，水輪機(jī)工作水頭的表達(dá)式如下：

49、

50、其中，q為當(dāng)前工況的機(jī)組流量測(cè)量值，a1為蝸殼進(jìn)口斷面面積，a2為尾水管出口斷面面積，z1為蝸殼進(jìn)口壓力值，z2為尾水管出口壓力值，g為重力加速度；

51、水輪機(jī)絕對(duì)效率的表達(dá)式如下：

52、

53、其中，ng為當(dāng)前工況下實(shí)測(cè)的水輪發(fā)電機(jī)的輸出功率，ηg為當(dāng)前工況下的水輪發(fā)電機(jī)效率。

54、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

55、本發(fā)明根據(jù)水電站調(diào)壓室的位置和型式，結(jié)合水電站調(diào)壓室最高或最低涌浪建立不同的機(jī)組流量方程，通過(guò)求解機(jī)組流量方程得到的水輪機(jī)流量，再對(duì)蝸殼流量系數(shù)k進(jìn)行標(biāo)定，得到準(zhǔn)確的蝸殼流量系數(shù)，最后結(jié)合蝸殼差壓法，根據(jù)不同蝸殼壓差值進(jìn)行水輪機(jī)流量測(cè)量，能夠較為容易的獲得不同工況下水輪機(jī)的真機(jī)流量。

56、本發(fā)明的機(jī)組流量方程是以甩負(fù)荷前水輪機(jī)流量q0為未知數(shù)的超越方程f(q0)＝0，并采用牛頓迭代法求解超越方程f(q0)＝0，由于牛頓迭代法的求解速度和穩(wěn)定性與迭代初始值密切相關(guān)，本發(fā)明根據(jù)水輪機(jī)測(cè)壓管水頭和導(dǎo)葉開(kāi)度的測(cè)量值，結(jié)合水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線得到迭代的初始值q00，該值與計(jì)算值較為接近，可以大大加快求解速度并保證了迭代過(guò)程具有良好的收斂性。