一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法与流程

1.本发明涉及水电站工程技术领域，尤其是涉及一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法。

背景技术：

2.目前我国为保护环境正在加大力度进行绿能源开发，其中水利水电工程作为绿可再生能源成为国家优先发展的方向，一大批水利水电工程相继开发，一些引水隧洞或者尾水隧洞较长的电站通常需要设置调压室达到防止过大的水击压力传播到压力引水道中去、减小高压管道中的水击值、改善负荷变化时机组运行条件的目的。一些水电工程，尤其是大型水电工程，为了减小调压室与机组间的距离，将调压室阻抗孔设置在支管上，然后共用一大室的连接方式。这样的引水发电系统在进行水力过渡过程数值仿真计算中仿真难度较大，其主要原因在于，三孔阻抗式调压室的初始稳态的确定与单孔阻抗式调压室相比难度增加很多。目前一般均考虑将多个阻抗孔进行合并将其放置到岔管位置并且不考虑调压室内水体惯性和井壁与水体的摩擦进行简化处理。虽然简化处理后便于数值仿真计算，但是实际上由于压力的不平衡，即使恒定流状态下各阻抗孔之间仍然有水体流动，大、小波动过程中各个支管之间通过调压室进行的水力联系以及调压室水体惯性、井壁与水体的摩擦无法体现，因此数值仿真结果的可信度大大降低。如何精确的进行三孔阻抗调压室水力特性预测控制，对水电站工程的精细化设计及运行过程中所体现的水力学特性具有十分重要的意义。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，以解决现有技术中存在的水力特性预测控制不精确的技术问题。
4.本发明提供的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，包括如下步骤：s1.构建三孔阻抗调压室原始矩阵，
[0005][0006]
式中，h1，h2，h3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的水头，q1，q2，q3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的流量，h4为调压室内的水头，q4为调压室内的流量，k1，k2，k3分别为三个阻抗孔口的阻抗系数，a为调压室横断面面积；
[0007]
s2.构建稳态水力特性控制矩阵，
[0008][0009]
用于获取稳态时刻三个阻抗孔部位的水力特性参数，式中，用于获取稳态时刻三个阻抗孔部位的水力特性参数，式中，y
21
＝y
12
，，y
31
＝y
13
，y
32
＝y
23
，其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|；
[0010]
s3.构建瞬态水力特性控制矩阵，
[0011][0012]
式中，y
12
＝y
13
＝y
21
＝y
23
＝y
31
＝y
32
＝0，其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|；
[0013]
s4.计算初始稳定状态的水力特性参数；
[0014]
s5.完成整个瞬态过程的水力特性控制预测计算。
[0015]
进一步的，所述s4中计算初始稳定状态的方法包括：将s2中的稳态水力特性控制矩阵与s1中的原始矩阵联合求解，得到初始稳定状态的水力特性参数。
[0016]
进一步的，所述s1、s2、s3构建的矩阵采用结构矩阵法。
[0017]
进一步的，所述s5的瞬态过程的预测计算包括设有多个时间步长，所述瞬态过程的水力特性控制预测计算步骤包括：s51.将所述初始稳定状态的水力特性参数带入所述s3中的瞬态水力特性控制矩阵中，计算得到第一时间步长迭代参数；s52.判断所述迭代参数是否满足精度要求，若满足要求，则将迭代参数作为当前时间步长的水力特性参数；若不满足要求，则将所述迭代参数带入s3中的瞬态水力特性控制矩阵中继续进行迭代训练，直到满足精度要求；s53.将第n时间步长水力特性参数输入s3中的瞬态水力特性控制矩阵，得到第n+1时间步长迭代参数，其中，n为自然数，重复步骤s52、s53，得到整个瞬态过程的水力特性控制预测计算结果。
[0018]
本发明提供的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，通过运用结构矩阵法，解决了现有技术中存在的一个调压室与多个支管相连的水力过渡过程数值仿真不精确的技术问题，能够模拟出恒定流状态下阻抗孔之间的水体流动、大、小波动过程中不同支管之间水力联系、调压室水体惯性和井壁与水体的摩擦等真实情况，能够更好的为工程建设服务。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1是本实施例提供的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法原理图；
[0021]
图2是本实施例提供的三孔阻抗调压室的计算简图；
[0022]
图3是本实施例提供的三孔阻抗调压室的等效图；
[0023]
图4是本实施例提供的三孔阻抗调压室典型纵剖面布置图；
[0024]
图5是本实施例提供的三孔阻抗调压室典型平面布置图；
[0025]
图6是本实施例提供的简化模型和三联模型的过渡过程的计算结果。
具体实施方式
[0026]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
本实施例提供的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，包括如下步骤：s1.构建三孔阻抗调压室原始矩阵；s2.构建稳态水力特性控制矩阵；s3.构建瞬态水力特性控制矩阵；s4.计算初始稳定状态的水力特性参数；s5.完成整个瞬态过程的水力特性控制预测计算。其中，步骤s1、s2、s3构建三孔阻抗调压室水力特性控制矩阵时，采用结构矩阵法。
[0028]
以三孔阻抗调压室为例，三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法具体包括如下步骤：
[0029]
s1.构建三孔阻抗调压室原始矩阵
[0030][0031]
式中：h1，h2，h3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的水头，q1，q2，q3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的流量；h4为调压室内的水头；q4为调压室内的流量；k1，k2，k3分别为三个阻抗孔口的阻抗系数；a为调压室横断面面积。原始矩阵的维数与元素的端点数相同，且为对称矩阵。
[0032]
s2.构建三孔阻抗调压室稳态水力特性控制矩阵，
[0033][0034]
用于获取稳态时刻三个阻抗孔部位的水力特性参数，包括稳态压力和稳态流量。
式中，y
21
＝y
12
，y
31
＝y
13
，y
32
＝y
23
，其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|。
[0035]
s3.构建三孔阻抗调压室瞬态水力特性控制矩阵，
[0036][0037]
其中，y
12
＝y
13
＝y
21
＝y
23
＝y
31
＝y
32
＝0。其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|，
[0038]
s4.计算初始状态的水力特性参数，包括三个阻抗孔口的稳态压力和稳态流量。调压室初始稳定状态流量为零，水头不为零。其中，计算初始状态的水力特性参数的方法包括：将s1中的原始矩阵与s2中的稳态水力特性控制矩阵联合求解，得到求解结果。比较求解结果和输入的给定值的差异，判断是否满足精度要求。若满足要求，则设定此次求解结果作为初始时刻的水力特性参数。若不满足要求，则将此次求解结果带入s2中的稳态水力特性控制矩阵中继续进行迭代，直到满足精度要求。
[0039]
s5.计算三孔阻抗调压室整个瞬态过程的水力特性参数。整个瞬态过程的预测计算包括设有多个时间步长，瞬态过程的水力特性控制预测计算步骤包括：s51.将初始稳定状态的水力特性参数带入s3中的瞬态水力特性控制矩阵中，计算得到第一时间步长迭代参数；s52.判断迭代参数是否满足精度要求，若满足要求，则将迭代参数作为当前时间步长的水力特性参数；若不满足要求，则将迭代参数带入s3中的瞬态水力特性控制矩阵中继续进行迭代训练，直到满足精度要求；s53.将第n时间步长水力特性参数输入s3中的瞬态水力特性控制矩阵，得到第n+1时间步长迭代参数，其中，n为自然数，重复步骤s52、s53，得到整个瞬态过程的水力特性控制预测计算结果，即整个瞬态过程中的三孔阻抗的压力、流量及内部流动特性。
[0040]
在上述三孔阻抗调压室水力特性预测的基础上，对于双孔阻抗调压室水力特性的预测计算，仅需要将上述的h3、q3置于零，三维矩阵改为对应的二维矩阵，即可实现计算。
[0041]
下列试验用于本实施例提供的水力特性预测控制方法与现有技术的比较。
[0042]
某电站装有3台800mw混流式水轮机，总装机机容量2400mw，水轮机额定流量437.9m3/s。电站引水隧洞采用单机单洞供水，尾水系统采用三台机组共用一条尾水洞的布置方案。尾水支洞上设置一个长廊形阻抗式尾水调压室，尾水调压室与厂房机组中心线间距为150.0m，调压室尺寸25
×
105m，调压室下部由二道隔墙分隔为三室，调压室内上游侧设尾水管检修闸门一道，闸门井兼做阻抗孔口，孔口尺寸3
×
14.4m，净面积42.24m2。上游正常蓄水位825.00m，下游正常尾水位583.81m，三台机以额定出力1000mw运行，所有机组突然甩
全部负荷，机组导叶采用13s一段直线方式关闭，得到结果如图6所示。在图6中，三联模型表示运用本实施例提供的三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法得到的模拟结果，简化模型表示运用现有技术的预测控制方法得到的模拟结果。可以看出，对于含三联调压室水电站的大波动过渡过程计算，简化模型与三联模型相比，尾水进口压力的初始值并无差别，但是在过渡过程期间的差值较大。在导叶完全关闭之前，三联模型的尾水管进口压力下降值小于简化模型，说明其水锤反射效果较好。与简化模型的甩负荷过渡过程模拟结果相比，三联模型更能准确的反映稳定工况调压室底部流态，更真实的反映过渡过程中尾水压力的变化情况，本实施例提供的三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法相较于现有技术提高了水力特性预测控制的精确性。
[0043]
另外，本实施例提供的三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法不仅能够用于三孔阻抗调压室、双孔阻抗调压室，对于四孔阻抗甚至更多的连接方式的数值模拟问题均能得到很好的解决，具有应用的普遍性。
[0044]
最后应说明的是：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，本领域的普通技术人员应当理解：其依然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；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技术方案的范围。

技术特征：

1.一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.构建三孔阻抗调压室原始矩阵，式中，h1，h2，h3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的水头，q1，q2，q3分别为三个阻抗孔口与管道连接处的流量，h4为调压室内的水头，q4为调压室内的流量，k1，k2，k3分别为三个阻抗孔口的阻抗系数，a为调压室横断面面积；s2.构建稳态水力特性控制矩阵，用于获取稳态时刻三个阻抗孔部位的水力特性参数，式中，用于获取稳态时刻三个阻抗孔部位的水力特性参数，式中，y
21
＝y
12
，，y
31
＝y
13
，y
32
＝y
23
，其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|；s3.构建瞬态水力特性控制矩阵，式中，y
12
＝y
13
＝y
21
＝y
23
＝y
31
＝y
32
＝0，其中h
i0
、q
i0
为前一迭代步的水头、流量，i＝1，2，3，r1＝2k1|q
10
|，r2＝2k2|q
20
|，r3＝2k
30
|q
30
|；s4.计算初始稳定状态的水力特性参数；s5.完成整个瞬态过程的水力特性控制预测计算。2.根据权利要求1所述的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，其特征在于，所述s4中计算初始稳定状态的方法包括：将s2中的稳态水力特性控制矩阵与s1中的原始矩阵联合求解，得到初始稳定状态的水力特性参数。3.根据权利要求1所述的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，其特征在于，所述s1、s2、s3构建的矩阵采用结构矩阵法。4.根据权利要求1所述的一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，其特征在于，所
述s5的瞬态过程的预测计算包括设有多个时间步长，所述瞬态过程的水力特性控制预测计算步骤包括：s51.将所述初始稳定状态的水力特性参数带入所述s3中的瞬态水力特性控制矩阵中，计算得到第一时间步长迭代参数；s52.判断所述迭代参数是否满足精度要求，若满足要求，则将迭代参数作为当前时间步长的水力特性参数；若不满足要求，则将所述迭代参数带入s3中的瞬态水力特性控制矩阵中继续进行迭代训练，直到满足精度要求；s53.将第n时间步长水力特性参数输入s3中的瞬态水力特性控制矩阵，得到第n+1时间步长迭代参数，其中，n为自然数，重复步骤s52、s53，得到整个瞬态过程的水力特性控制预测计算结果。

技术总结

本发明提供了一种三孔阻抗调压室水力特性预测控制方法，包括如下步骤：S1.构建三孔阻抗调压室原始矩阵；S2.构建稳态水力特性控制矩阵；S3.构建瞬态水力特性控制矩阵；S4.计算初始稳定状态的水力特性参数；S5.完成整个瞬态过程的水力特性控制预测计算，解决了现有技术中存在的一个调压室与多个支管相连的水力过渡过程数值仿真不精确的技术问题。过渡过程数值仿真不精确的技术问题。过渡过程数值仿真不精确的技术问题。