高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法及装置，介于转桨式水轮 机和定桨式水轮机之间的调桨式水轮机，采用高油压调速器系统控制，动态调节桨叶运行 角度，使得水轮发电机组在不同的运行工况区域，选取适合的角度运行，始终获得较高的水 能转化效率。
【背景技术】
[0002] 当今，能源局势紧张。石油、煤炭等不可再生资源日益枯竭，使人们对可再生资源 的依赖日益增加。这正是水电、风电、太阳能发电得以蓬勃发展的主要原因。而在诸多的可 再生能源中，水电的经济性最优。随着中高水头电站的广泛开发，可开发的资源正在日益减 少。近年来，水头H< 50m，其机组型式主要为贯流式水轮发电机组、轴流定桨及轴流转桨式 机组，已逐渐成为水电资源开发的主流。
[0003] 水轮机是水力发电设备的核心设备，转轮是实现水能转化为机械能的心脏部件。 轴流定桨式水轮发电机组，其叶片安放角度不可调节，只在单一流量时可获得较高的水能 转化效率，当机组偏离最优工况时，进口水流在叶片头部产生冲击，在叶片的背面产生脱流 和空蚀，产生较大的水力损失，引起振动，水能转化效率会急剧下降。
[0004] 转桨式水轮机的导水叶和桨叶开度保持协联关系，始终获得较高的水能转化效 率。但其桨叶通过受油器调节，受油器因其结构复杂，密封困难，常常存在或多或少的漏油、 窜油问题污染环境。同时导致调速器油压装置中的油泵启动频繁，对油泵磨损严重，且损耗 大量厂用电。
[0005] 在能源十分紧缺的今天和明天，水电站开发设计中环境和安全问题摆在了一个比 较重要的位置，需降低工程造价与减少运行费，提高资源利用率，通过对水电资源均衡开发 和持续发展以及技术进步的不断探索挖掘水电能源技术的巨大潜力。
[0006] 为了克服现有定桨式水轮机以及转桨式水轮机技术上的不足，需要一种简单、方 便、经济、实用、环保的高油压控制水轮机桨叶电液调节装置。采用先进的桨叶角度计算方 法的数学模型，解决了调桨式水轮机的最优运行问题，即随水头和流量变化通过调节转轮 桨叶合适角度，提高机组运行工况的适应能力，解决定桨式水轮机组高效率区狭窄的问题， 扩大机组的应用范围，确保不同流量时转轮均在较优工况下运行，始终获得较高水能转化 效率。而高油压控制水轮机桨叶电液调节装置，与导叶没有协联关系，桨叶调节采用高油压 控制系统，调速器体积小、重量轻、成本降低，同时改变了转桨式水轮机的桨叶操作系统，取 消了受油器和相应的操作油管、轮毂润滑油管等，从而使机组转轮在运行中实现无油状态。 采用标准的旋转接头球头浮动密封，解决因漏油造成的环境污染及油泵频繁启动等问题， 节省厂用电，简化控制环节，为电站节省了人工费及设备投入和维修费用，给电站带来可观 的经济效益，杜绝漏油对河水的环境污染。且运行更方便、安全、可靠。该高油压控制水轮 机桨叶电液调节装置技术在国内外没有应用先例，填补了水电站转桨式水轮机组使用高油 压调速器系统控制的技术空白，对水轮发电机组结构设计实现重大的技术创新，具有较大 的经济潜力和推广价值。
[0007] 特别有些电站的水文参数集中在三到四个工况运行，对应的相当于转轮叶片调整 三、四个角度，这种电站，采用高油压控制水轮机的桨叶电液调节装置，有着十分重要的经 济和社会效益。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的之一是提供一种始终获得较高的水能转化效率的高油压控制水轮 机的桨叶电液调节方法。
[0009] 本发明的目的之二是提供一种始终获得较高的水能转化效率的高油压控制水轮 机的桨叶电液调节装置。
[0010] 为了实现上述目的之一，本发明提供的技术方案为：提供一种高油压控制水轮机 的桨叶电液调节方法，水轮机桨叶角度调节控制系统上，采用高油压调速器控制系统，通过 桨叶角度的模糊数学模型计算方法，水轮发电机组不同运行工况下，桨叶开度进行动态调 节控制，调节至合适的桨叶角度运行，解决了定桨式水轮机组高效率区运行狭窄的问题，扩 大机组的运行范围。实现机组在不同的运行工况下，获得较高的水能转化效率，充分利用水 能。包括以下步骤：
[0011] (1)建立水轮机转轮模型综合特性曲线的数据库；
[0012] (2)将水轮机转轮模型综合特性曲线导入数据库；
[0013] (3)导入发电站长年日径流量序列及水头数据；
[0014] (4)建立桨叶角度调节计算的模糊数学模型，通过数据训练，模型满足足够精度要 求；
[0015] (5)以桨叶角度0为待求参数，综合步骤（3)导入的水文数据，建立以效率n为 中间变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件， 采用优化算法，求得桨叶角度(Pj:...);
[0016] (6)在线采集水轮发电机组运行的实时工况参数：净水头H，机组引用流量Q从而 确定桨叶角度的切换点；
[0017] (7)采用高油压调速器控制转轮桨叶的接力器，在动态的情况下，可以人为手动或 电动控制方式，使位于发电机侧的高压油桨叶调节电液执行器运动，调整叶片的转角，当达 到所需的转角后，投入机械或液压锁锭，将叶片固定，从而实现桨叶角度调节的目的。
[0018] 所述模糊数学模型为：
【主权项】
I. 一种高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，水轮机桨叶角度调节控制系统上，采 用高油压调速器控制桨叶电液调节装置，通过桨叶角度的模糊数学模型计算方法，水轮发 电机组在不同运行工况下，对桨叶开度进行动态调节控制，调节至合适的桨叶角度运行，其 特征在于，包括以下步骤： (1) 建立水轮机转轮模型综合特性曲线的数据库； (2) 将水轮机转轮模型综合特性曲线导入数据库； (3) 导入发电站长年日径流量序列及水头数据； (4) 建立桨叶角度调节计算的模糊数学模型，通过数据训练，模型满足足够精度要求； (5) 以桨叶角度β为待求参数，综合步骤（3)导入的水文数据，建立以效率τι为中间 变量，以年发电量E最大为目标函数的优化模型。根据目标函数和安全稳定限制条件，采用 优化算法，求得桨叶角度(丨31，丨<…)； (6) 在线采集水轮发电机组运行的实时工况参数：净水头H，机组引用流量Q从而确定 桨叶角度的切换点； (7) 采用高油压调速器控制转轮桨叶的接力器，在动态的情况下，可以人为手动或电动 控制方式，使位于发电机侧的高压油桨叶调节电液执行器运动，调整叶片的转角，当达到所 需的转角后，投入机械或液压锁锭，将叶片固定，从而实现桨叶角度调节的目的。 所述模糊数学模型为：
在上述模糊数学模型中： i为桨叶分档数； ε为收敛精度； Ei为在特定水文过程中，桨叶分成i档时的最大发电量； β为桨叶角度； H (t)为t时刻水头； Q (t)为t时刻流量； Q11为水轮机单位流量； nn为水轮机单位转速； n (Qn，Hn，β)为桨叶开度为β时对应工况点的效率； Di为桨叶分成i档时，所有i个桨叶角度组合构成的集合； { β ^ β 2，…β J为i个桨叶角度构成的组合； a emin为桨叶开度为β时，导叶的最小开度； α 为桨叶开度为β时，导叶的最大开度； a e为桨叶开度为β时，导叶的开度。
2. 如权利要求1所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，其特征在于，桨叶运 行角度的调节计算方法，包括所述步骤（1)、（2)、（3)、（4)、（5)，（6)，其步骤（4)中所述模糊 数学模型采用具有自学习功能神经网络模型，根据运行状态，不断自适应更新优化数据库， 提高精度；所述步骤（5)中的所述目标函数要求为发电量最大；所述步骤(6)中水轮发电 机组桨叶角度的切换点，以效率最大为目标进行制定。
3. 如权利要求1所述的高油压控制水轮机的桨叶电液调节方法，其特征在于，包括用 于调节水轮机桨叶角度的控制系统，所述控制系统通过所述模糊数学模型计算，对水轮发 电机组不同运行工况下，桨叶开度进行动态调节控制，调节至计算的桨叶角度运行。
【专利摘要】本发明公开了一种高油压控制水轮机桨叶电液调节方法，根据水电站水文资料及机组参数建立的一种选择桨叶角度计算方法的模糊数学模型。即随水头和流量变化通过高油压控制桨叶调节电液执行器调节转轮桨叶至计算角度，获得较高水能转化效率，实现高油压控制桨叶角度快调式水轮发电机组年发电量最大的目标。其关键技术为：水轮机桨叶调节执行器采用高油压控制系统，采用标准的球头浮动密封，完全克服了高油压转动密封装置漏油问题。填补了转桨式水轮机组使用高油压调速器系统控制桨叶调节的技术空白，对水轮机结构设计实现重大的技术创新。
【IPC分类】F03B15-00
【公开号】CN104879270
【申请号】CN201510209569
【发明人】郑程遥, 刘安平, 范远明, 刘钰, 文北福
【申请人】深圳市恩莱吉能源科技有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年3月29日
【公告号】CN103939273A