[发明专利]水轮机内部能量损失的动态监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及水轮发电机组运行稳定性分析领域，具体地说是水轮机运行中内部能量损 失的动态监测方法。

背景技术

研究水轮机性能主要有两种方法：一是制作模型转轮在试验台上进行能量试验和气蚀 性能试验获得转轮的综合特性曲线。按照水轮机相似理论，以此综合特性曲线为依据，略 加修正后获得实际机组的运转特性。这是一种比较传统的研究方式，本质上是通过测量转 轮的外特性，来获得转轮的总体性能指标。目前仅在少数大型制造厂开发新型转轮的时候 才采用。二是近年来发展起来的流场数值计算方法，该方法通过计算转轮流场以实现转轮 的优化设计。该方法由于开发成本低，近年来获得了广泛的应用，并且以流场计算为主对 转轮各方面的分析研究都取得了许多成果。

在研究机组运行控制时采用基于水轮机外特性的描述方法即水轮机模型。水轮机模型 也可分为两类。一是以传递系数构成的线性化模型，在涉及水轮机调节系统的分析中，线 性化模型中的传递系数依据水轮机特性曲线进行计算，线性化模型在小扰动分析中的应用 是比较成功的。在大波动研究中需要进行分段线性化处理，分段求取传递系数，并且在小 开度工况时，需要对水轮机特性曲线进行扩展，应用不便。在电力系统分析中为了简化计 算，将线性化模型中的传递系数简单地取为常数，或者其它更简单的模型。二是IEEE Working Group(1992)模型及其相似的模型，统称为非线性水轮机模型。非线性模型由于 其形式简单应用方便，在电力系统分析中获得广泛的应用。但是，非线性模型中，其非线 性主要体现在水力系统动态上，而对输出功率的描述采用一种近似的线性化处理，误差较 大。

然而，由于水轮机流道和水流流态的复杂性，现有的研究方法和手段难以区分或划分 水轮机能量转换过程中损失的构成情况。因此，不能从水轮机能量损失构成的角度，进行 针对性的分析、计算和优化，以改善水轮机的运行特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种水轮机内部能量损失的动态监测方法，以水轮机能量损失来 描述的水轮机模型，在机组计算机监控系统中利用该模型提供的方法，从实测机组运行数 据分离出各种工况下，水轮机各种能量的变化情况，为研究和改善水轮机的运行特性提供 依据。

本发明解决这一问题的基本思路：首先分析水轮机内部能量损失及其基本形式，给出 各项损失的显式表达式和相应损失系数的率定方法。其次，定义一组折算参数将水轮机模 型换算为便于应用的形式。本发明的方法如下：

1、以内部能量描述水轮机出力

水轮机输出的轴功率可以表示为：

N_t＝γQH-ΔN_m-ΔN_h-ΔN_v-ΔN_z    (1)

其中：N_t是水轮机输出轴功率；ΔN_m是机械摩擦损失功率；ΔN_h是水力损失功率；ΔN_v是容 积损失功率；ΔN_z是撞击损失功率；γQH是输入水流功率；γ是水的密度(9.81KN/m³)；Q 是水轮机流量；H是水轮机水头。

容积损失功率可表示为：

ΔN_v＝γk_vQH    (2)

k_v为容积损失系数，它与水轮机的密封有关，现代大型水轮机，k_v＝0.0025～0.005。

水轮机区域的水力损失以沿程损失为主，而水头沿程损失的基本形式为kQ²/2g，因此， 水力损失功率可表示为：

ΔN_h＝k_hQ³    (3)

k_h定义为水轮机流道损失特性系数，与水轮机过流部件有关，它反映了水轮机流道损 失特性。

水轮机在非最优工况时，在转轮进口边水流产生撞击损失，在出口边出现非法向出口 环量，形成尾水管涡带，造成水轮机能量的损失。该项损失构成比较复杂，难以用准确的 名称来命名，在本发明中该项损失简称为撞击损失。

假设1：在同一水头下最高效率点的撞击损失为零，偏离最高效率点时产生的损失与 偏离程度有关。