可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法

1.本发明属于水力发电控制的技术领域，具体涉及一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法。

背景技术：

2.抽水蓄能是当代技术最成熟，经济效益最优，最具大规模开发条件的绿低碳能源，目前，抽水蓄能机组不断向大容量、高水头方向发展，空化对可逆式水泵水轮机和尾水管道的危害愈发明显，尤其是机组甩负荷过渡过程中尾水管进口处压力降低到汽化压力后产生的水流中断现象。
3.抽水蓄能电站在事故甩负荷等过渡过程中局部压力低于汽化压力时，会产生空穴甚至液柱分离现象，液柱分离及弥合产生的反水锤不仅对转轮、传动装置及机组产生疲劳损害，也会对输水系统产生危害，严重时会引起抬机、爆管等事故。对于液柱分离的定义为：局部瞬变压力降至汽化压力时，空穴会在液体中形成和发展，当空穴充满管道整个截面，就是所谓的液柱分离。可通过一定的防护措施，如选用耐蚀、耐冲击的材料，避免机组在可能出现液柱分离的工况区运行，适当降低安装高程等。其中，降低安装高程可有效防止尾水管压力低于汽化压力，但是水电站土建开挖量将会增加，这将大大增加工程成本和周期。
4.目前对可逆式水泵水轮机尾水管液柱分离的研究较少，液柱分离的产生、发展、弥合以及再生成的现象仍未得到详尽分析，液柱分离的判别条件也未得到总结。抽水蓄能电站运行中无法通过观察尾水管现象判断机组是否产生液柱分离，因此如何概括可逆式水泵水轮机液柱分离与各物理参量之间的内在关系，从而实现可逆式水泵水轮机液柱分离的判别，监控可逆式水泵水轮机的运行状态，对可逆式水泵水轮机机组的液柱分离现象做出快速判断是研究的难点。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，该方法能够对可逆式水泵水轮机是否发生液柱分离现象进行判别，为保证抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机机组安全稳定运行提供了有效的技术手段。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，包括如下步骤：
8.步骤1，在可逆式水泵水轮机机组处布设监测装置，监测装置在可逆式水泵水轮机运行过程实时收集其运行数据；
9.步骤2，将步骤1布设的监测装置收集到的数据进行处理以获取可逆式水泵水轮机的实时单位流量和单位转速；
10.步骤3，根据步骤2获取的实时单位流量和单位转速将可逆式水泵水轮机实时运行轨迹线绘制在其全特性曲线上；
11.步骤4，将可逆式水泵水轮机运行轨迹线与全特征曲线对比分析，其中，全特性曲
线被飞逸线和横轴依次划分为水轮机工况区、水轮机制动工况区和反水泵工况区，若可逆式水泵水轮机的运行轨迹线在进入水轮机制动工况区后在该区发生了正反斜率来回变换的现象，则判断可逆式水泵水轮机发生了液柱分离；反之，则判断未发生液柱分离。
12.进一步地，步骤1中布设的监测装置包括压力传感器、流量传感器和转速传感器。
13.进一步地，压力传感器分别安装在可逆式水泵水轮机的蜗壳末端以及尾水管的进口处；流量传感器安装在可逆式水泵水轮机的蜗壳之前的压力管道中；转速传感器安装在可逆式水泵水轮机的机组轴端。
14.进一步地，步骤2包括：
15.s21.根据步骤1中流量传感器实时采集的流量数据q以及转速传感器采集的转速数据n绘制q-t曲线n-t曲线；
16.s22.将压力传感器实时采集的蜗壳末端压力p
in
、尾水管进口压力p
out
结合伯努利方程，计算机组工作水头：
[0017][0018]
其中，h为机组工作水头，ρ为水的密度，g为重力常数，z
in
为蜗壳末端测点高程，z
out
为尾水管进口测点高程；
[0019]
s23.根据相似定律，将实验数据换算为单位参数；
[0020][0021][0022]
其中，q
11
为单位流量，n
11
为单位转速，d1为可逆式水泵水轮机出口直径。
[0023]
进一步地，步骤4中，若运行轨迹线在从水轮机制动工况区进入反水泵工况区的过程中始终保持正斜率则判断其未发生液柱分离，若运行轨迹线从水轮机制动工况区进入反水泵工况区的过程中在水轮机制动工况区形成了类环式曲线轨迹，则判断其发生了液柱分离。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0025]
1)本发明提供的一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法是基于模型试验及机理分析得出，而非数学推导或数值模拟，且已经过现场实测验证，具有较高的可靠性；
[0026]
2)本发明提供的一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法采用可逆式水泵水轮机运行轨迹线展示了可逆式水泵水轮机参数与液柱分离之间的联系，开创性地量化了液柱分离与可逆式水泵水轮机参数之间的关系，从而实现了对可逆式水泵水轮机机组是否发生液柱分离现象做出快速判断，，为保证抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机机组安全稳定运行提供了有效的技术手段；该内在机理使得液柱分离判断条件更加简单高效，有效解决了实际抽水蓄能电站过渡过程中液柱分离的判别难题，为抽水蓄能电站的设计和运行提供了新的参考；
[0027]
3)本发明提供的一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法测点布置与抽水蓄能电站相同，已经建成的抽水蓄能电站不需要进行改造就能实现液柱分离的监测，满足工程要求，不增加成本。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法的流程示意图；
[0029]
图2为本发明实施例的可逆式水泵水轮机机组装置示意图；
[0030]
图3为本发明实施例未发生液柱分离的机组运行轨迹线；
[0031]
图4为本发明实施例发生液柱分离的机组运行轨迹线。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
[0033]
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。
[0034]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0035]
如图1所示，本发明实施例公开了一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，包括如下步骤：
[0036]
步骤1，在可逆式水泵水轮机机组处布设监测装置，监测装置在可逆式水泵水轮机7运行过程实时收集其运行数据；
[0037]
在该步骤中，见图2，布设的监测装置包括压力传感器1，2、流量传感器3和转速传感器4；其中，压力传感器1，2为绝对压力传感器，其分别安装在可逆式水泵水轮机蜗壳5末端及其尾水管6的进口处，其分别用于实时监测蜗壳5末端压力p
in
和尾水管6进口压力p
out
；流量传感器3为电磁流量计，其安装在可逆式水泵水轮机蜗壳5之前的压力管道中，用于实时监测流量数据q；转速传感器为磁电式转速传感器，安装在可逆式水泵水轮机机组的轴端，用于实时监测转速数据n。此外，压力传感器1，2、流量传感器3和转速传感器4均与数据采集装置8连接，而数据采集装置8则与处理器9电连接。压力传感器1，2、流量传感器3和转速传感器4将实时采集的数据传递给数据采集装置8，数据采集装置8再传递给处理器9，处理器9将接收的数据进行处理。
[0038]
步骤2，将步骤1布设的监测装置收集到的数据进行处理以获取可逆式水泵水轮机的实时单位流量和单位转速；
[0039]
步骤2.1：抽水蓄能电站正常运行；
[0040]
步骤2.2：处理器9实时接收采集到的流量数据q与转速数据n，并对上述数据进行处理，绘制q-t曲线n-t曲线；
[0041]
步骤2.3：处理器9实时接收抽水蓄能电站过渡过程中的蜗壳末端压力p
in
、尾水管进口压力p
out
并根据伯努利方程，计算机组工作水头/扬程；
[0042][0043]
其中，h为机组工作水头/扬程，ρ为水的密度，g为重力常数，z
in
为蜗壳末端测点高程，z
out
为尾水管进口测点高程；
[0044]
机组水头/扬程为根据采集的数据直接计算得到，不需要进行滤波等数据处理；
[0045]
步骤2.4：根据相似定律，将采集的数据换算为单位参数：
[0046][0047][0048]
其中，q
11
为单位流量，n
11
为单位转速，h为对应的工作水头，d1为可逆式水泵水轮机出口直径.
[0049]
步骤3，根据步骤2获取的实时单位流量和单位转速将可逆式水泵水轮机实时运行轨迹线绘制在其全特性曲线上；在该步骤中，根据步骤2计算的q
11
和n
11
数据将可逆式水泵水轮机运行轨迹线13绘制在全特性曲线上，如图3和图4所示。
[0050]
步骤4，将可逆式水泵水轮机运行轨迹线与全特征曲线对比分析，其中，全特性曲线被飞逸线和横轴依次划分为水轮机工况区、水轮机制动工况区和反水泵工况区，若可逆式水泵水轮机的运行轨迹线在进入水轮机制动工况区后在该区发生了正反斜率来回变换的现象，则判断可逆式水泵水轮机发生了液柱分离；反之，则判断未发生液柱分离；
[0051]
如图3和图4所示，在全特性曲线上，位于第一象限的飞逸线14以及横轴将全特性曲线划分为三个区域，依次表征为水轮机工况区12、水轮机制动工况区15和反水泵工况区16。图3为未发生液柱分离的运行轨迹线13，从图3可以看出，正常的可逆式水泵水轮机运行轨迹线依次穿过全特性曲线上的水轮机工况区12、水轮机制动工况区15、反水泵工况区16、水轮机制动工况区15以及水轮机工况区12；其中，在未发生液柱分离时，运行轨迹线13穿过飞逸线14进入水轮机制动工况区15后始终保持正斜率进入反水泵工况区16。
[0052]
图4为发生液柱分离的机组运行轨迹线13，运行轨迹线13穿过飞逸线14进入水轮机制动工况区15后，在水轮机制动工况区，运行轨迹线13的斜率发生了变化，运行轨迹线13由正斜率变为负斜率又变为正斜率后再进入反水泵工况区16，运行轨迹线13在水轮机制动工况区15形成类环式曲线路径，在此处将该类环式曲线路径命名为制动环17。因此，若运行轨迹线13经过水轮机制动工况区15产生制动环17，则判断可逆式水泵水轮机机组7发生了液柱分离，后续需要进行机组检查。制动环17为运行轨迹线13运行到水轮机制动工况区15产生的类环式曲线，运行轨迹线13发生液柱分离时会产生至少一个制动环17。
[0053]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在可逆式水泵水轮机机组处布设监测装置，监测装置在可逆式水泵水轮机运行过程实时收集其运行数据；步骤2，将步骤1布设的监测装置收集到的数据进行处理以获取可逆式水泵水轮机的实时单位流量和单位转速；步骤3，根据步骤2获取的实时单位流量和单位转速将可逆式水泵水轮机实时运行轨迹线绘制在其全特性曲线上；步骤4，将可逆式水泵水轮机运行轨迹线与全特征曲线对比分析，其中，全特性曲线被飞逸线和横轴依次划分为水轮机工况区、水轮机制动工况区和反水泵工况区，若可逆式水泵水轮机的运行轨迹线在进入水轮机制动工况区后在该区发生了正反斜率来回变换的现象，则判断可逆式水泵水轮机发生了液柱分离；反之，则判断未发生液柱分离。2.根据权利要求1所述的可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，其特征在于，步骤1中布设的监测装置包括压力传感器、流量传感器和转速传感器。3.根据权利要求2所述的可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，其特征在于，压力传感器分别安装在可逆式水泵水轮机的蜗壳末端以及尾水管的进口处；流量传感器安装在可逆式水泵水轮机的蜗壳之前的压力管道中；转速传感器安装在可逆式水泵水轮机的机组轴端。4.根据权利要求3所述的可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，其特征在于，步骤2包括：s21.根据步骤1中流量传感器实时采集的流量数据q以及转速传感器采集的转速数据n绘制q-t曲线n-t曲线；s22.将压力传感器实时采集的蜗壳末端压力p
in
、尾水管进口压力p
out
结合伯努利方程，计算机组工作水头：其中，h为机组工作水头，ρ为水的密度，g为重力常数，z
in
为蜗壳末端测点高程，z
out
为尾水管进口测点高程；s23.根据相似定律，将采集的数据换算为单位参数；s23.根据相似定律，将采集的数据换算为单位参数；其中，q
11
为单位流量，n
11
为单位转速，d1为可逆式水泵水轮机出口直径。5.根据权利要求1所述的可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，其特征在于，步骤4中，若运行轨迹线在从水轮机制动工况区进入反水泵工况区的过程中始终保持正斜率则判断其未发生液柱分离，若运行轨迹线从水轮机制动工况区进入反水泵工况区的过程中在水轮机制动工况区形成了类环式曲线轨迹，则判断其发生了液柱分离。

技术总结

本发明提供一种可逆式水泵水轮机液柱分离的判断方法，包括：在可逆式水泵水轮机机组处布设监测装置，监测装置在可逆式水泵水轮机运行过程实时收集其运行数据；将步骤1布设的监测装置收集到的数据进行处理以获取可逆式水泵水轮机的实时单位流量和单位转速；根据步骤2获取的实时单位流量和单位转速将可逆式水泵水轮机实时运行轨迹线绘制在全特性曲线上；根据可逆式水泵水轮机的运行轨迹线是否在水轮机制动工况区发生斜率正反变换，判断可逆式水泵水轮机是否发生了液柱分离。本发明能够对可逆式水泵水轮机是否发生液柱分离现象进行判别，为保证抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机机组安全稳定运行提供了有效的技术手段。组安全稳定运行提供了有效的技术手段。组安全稳定运行提供了有效的技术手段。