Способ определения рабочей точки гидравлической машины и установка для осуществления указанного способа
METHOD OF DETERMINING A WORKING POINT OF A HYDRAULIC MACHINE AND AN APPARATUS FOR REALIZING SAID METHOD

Изобретение относится к способу определения рабочей точки гидравлической машины, которая относится к установке для преобразования гидравлической энергии в механическую или электрическую энергию. Изобретение также относится к установке для преобразования гидравлической энергии в механическую или электрическую энергию, в которой этот способ может быть реализован.
В области преобразования гидравлической энергии важно знать рабочую точку гидравлической машины. Для этого необходимы некоторые физические значения, такие как скорость потока или полезный гидравлический напор установки. Проблема в том, что эти физические значения не могут быть правильно измерены.
В самом деле, даже если в некоторых случаях измерение полезного гидравлического напора и измерение скорости потока возможны, они не точны и трудно поддаются настройке.
Более того, прямое измерение скорости потока на крупных ГЭС не существует. Косвенные способы используются для определения необходимых физических величин. Одним из таких способов является способ Винтера-Кеннеди, который часто используется для измерения локальной эффективности. Однако этот способ нельзя использовать при условиях низкого падения воды. Кроме того, способ Винтера-Кеннеди основан на датчиках давления, соединенных с гидравлическим каналом с помощью вторичных небольших труб. Эти трубы в рабочих условиях могут быть забиты мусором, ржавчиной или песком, что влияет на точность измерений.
В Европейском патентном документе ЕР 1138941, 04.10.2001 описан способ вычисления рабочего напора гидравлической машины. Данный способ является ближайшим аналогом заявленного способа и включает определение двух координат (Q, H') первого ряда потенциальных рабочих точек гидравлической машины для ориентации, относящейся к направляющим лопаткам машины, измерение фактических значений открытия направляющих лопаток, расхода и мощности и, в случае несоответствия, корректирование значения гидравлического напора до тех пор, пока заданные и измеренные значения не совпадут.
Недостаток вышеуказанного способа заключается в том, что в ходе его осуществления не измеряют скорость вращения гидравлической машины, не определяют крутящий момент, создаваемый потоком воды, и, соответственно, не вычисляют координаты второго ряда потенциальных рабочих точек на основании скорости вращения и крутящего момента. Таким образом, значения, полученные с помощью данного способа, могут оказаться недостаточно точными.
В Европейском патентном документе ЕР 1138941, 04.10.2001 также описана установка для регулирования работы гидравлической машины путем вычисления ее рабочего напора. Данная установка является ближайшим аналогом заявленной установки и содержит средство регулирования, выполненное с возможностью определения выходных параметров машины и регулирования напора машины до тех пор, пока заданные и измеренные значения не совпадут.
Недостаток вышеуказанной установки заключается в том, что в ней не обеспечена возможность измерения скорости вращения машины, не обеспечена возможность определения крутящего момента, создаваемого потоком воды, и, соответственно, не обеспечена возможность вычисления координат второго ряда потенциальных рабочих точек на основании скорости вращения и крутящего момента. Таким образом, при вычислении напора гидравлической машины с помощью данной установки полученные значения могут оказаться недостаточно точными.
Настоящее изобретение направлено на решение этого недостатка, предлагая способ определения рабочей точки гидравлической машины, который является более эффективным и может быть реализован в условиях низкого падения воды.
Для этого согласно данному изобретению предложен способ, описанный в независимом п. 1 формулы изобретения.
Заявленный способ предназначен для определения рабочей точки гидравлической машины в рассматриваемом рабочем диапазоне и включает определение двух координат первого ряда потенциальных рабочих точек гидравлической машины для ориентации, относящейся к направляющим лопаткам машины, измерение скорости вращения машины, определение крутящего момента, создаваемого потоком воды на машине, вычисление двух координат второго ряда потенциальных рабочих точек машины в зависимости от измеренной скорости вращения и определенного крутящего момента и определение двух координат рабочей точки, которая принадлежит как первому ряду, так и второму ряду в указанном рассматриваемом рабочем диапазоне машины.
Благодаря настоящему изобретению можно определить полезный гидравлический напор и скорость потока гидравлической машины, найдя ее рабочую точку. Рабочая точка является результатом вычисления алгоритма, скомпилированного электронным блоком управления, что означает, что установка не содержит какого-либо измерительного устройства, связанного с потоком воды. Поэтому расчеты полезного гидравлического напора и скорости потока являются точными для «чистой» воды, а также для «грязной» воды, то есть воды, содержащей примеси, такие как мусор или песок.
Другие аспекты заявленного способа, которые являются предпочтительными, но не являются обязательными, указаны в пунктах 2-8 формулы изобретения.
Данное изобретение также относится к установке для преобразования гидравлической энергии в механическую или электрическую энергию, заявленной в независимом пункте 9 формулы изобретения.
Заявленная установка содержит гидравлическую машину, средство для определения двух координат первого ряда потенциальных рабочих точек гидравлической машины для ориентации, относящейся к направляющим лопаткам машины, средство для измерения скорости вращения машины, средство для определения крутящего момента, создаваемого потоком воды в машине, средство для вычисления двух координат второго ряда потенциальных рабочих точек машины в зависимости от измеренной скорости вращения и определенного крутящего момента и средство для вычисления двух координат рабочей точки, которая принадлежит как первому, так и второму ряду в рассматриваемом рабочем диапазоне машины.
Дополнительные аспекты заявленной установки, которые являются предпочтительными, но не являются обязательными, указаны в пунктах 10-13 формулы изобретения.
Изобретение ниже объяснено со ссылкой на чертежи и в качестве иллюстративного примера без ограничения цели изобретения. На чертежах:
Фиг. 1 изображает схематический разрез установки для преобразования гидравлической энергии в электрическую или механическую энергию, выполненной в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 изображает график, иллюстрирующий два набора потенциальных рабочих точек гидравлической машины, относящихся к установке, выполненной в соответствии с Фиг. 1.
На Фиг. 1 представлена установка 2 для преобразования гидравлической энергии в механическую или электрическую энергию. Установка 2 содержит гидравлическую машину, в этом примере представляющую собой турбину 20 Фрэнсиса (диагональную гидротурбину), которая использует гидравлическую энергию для приведения вала 201 во вращении вокруг оси Z201. В рассмотренном примере вал 201 прикреплен к непоказанному ротору генератора переменного тока для производства электричества.
Турбина 20 содержит улитку 200, которая поддерживается бетонными блоками 22 и 24. Непоказанный здесь напорный трубопровод проходит между недоказанным здесь верхним по потоку резервуаром и улиткой 200. Этот напорный трубопровод генерирует принудительный поток F воды для питания турбины 20. Турбина 20 содержит рабочее колесо 202, которое окружено улиткой 200 и которое содержит лопатки 208, между которыми в рабочих условиях протекает вода. В результате этого рабочее колесо 202 вращается вокруг оси Z202, которая совмещена с осью Z201 вращения.
Вокруг рабочего колеса 202 установлен распределитель. Он содержит подвижные направляющие лопатки 206, равномерно распределенные вокруг колеса 202. Перед и вокруг распределителя расположен предварительный распределитель, который образован неподвижными лопатками 204, равномерно распределенными вокруг оси вращения Z202 рабочего колеса 202.
Под рабочим колесом 202 расположена всасывающая труба 26, выполненная с возможностью удаления воды вниз по потоку.
Направляющие лопатки 206 распределителя имеют регулируемый шаг вокруг оси Z206 параллельно оси вращения Z202 рабочего колеса 202. Следовательно, они могут поворачиваться вокруг оси Z206 для регулирования расхода воды. Направляющие лопатки 206 ориентированы под одинаковым углом относительно закрытого положения. Другими словами, они синхронизированы. Открытие направляющих лопаток, то есть степень открытия направляющих лопаток относительно их закрытого положения известно, поскольку это параметр, который контролируется.
Универсальная характеристика турбины представляет собой совокупность рабочих точек, каждая из которых определяется четверкой значений N11, T11, Q11 и Y, где Y является открытием направляющих лопаток 206. При заданном Y=Y_real из универсальной характеристики может быть извлечена кривая «постоянного открытия». Чтобы облегчить понимание, триплеты значений N'11, T'11 и Q'11 относятся ко всему набору рабочих точек кривой постоянного открытия. Триплеты значений N'11, Т'11 и Q'11 образуют первую серию потенциальных рабочих точек.
На Фиг. 2 показан пример С1 кривой постоянного открытия. На этом чертеже рабочие точки расположены только в зависимости от их координаты вдоль оси N11 и от их координаты вдоль оси Т11. Кривая постоянного открытия изображена пунктирной линией. Известно, что при рассматриваемом открытии направляющих лопаток рабочая точка турбины 20 находится где-то на кривой С1 постоянного открытия. Ряд потенциальных рабочих точек N'11, Т'11 и Q'11 обновляется, если по какой-либо причине изменяется открытие направляющих лопаток.
Далее ниже объясняется способ определения рабочей точки турбины 20. Рабочая точка турбины 20 является точкой, имеющей координаты N11_real, T11_real, Q11_real.
На Фиг. 2 верхний правый квадрант соответствует режиму турбины, в котором требуется определить рабочую точку машины. Режим турбины соответствует квадранту, где N11 и T11 являются положительными.
По определению, Т11, N11 и Q11 являются характеристическими параметрами гидравлической машины. Они задаются следующими уравнениями:
где Т - крутящий момент, создаваемый потоком F воды на рабочем колесе 202, N - скорость вращения турбины 20, D - диаметр рабочего колеса 202, Н - полезный гидравлический напор установки 2, Q - расход установки 2.
На основании вышеприведенных уравнений Т11 может быть выражено в виде функции N11, как представлено в следующем уравнении:
Скорость N вращения турбины 20 может быть определена путем измерения частоты генератора переменного тока, соединенного с валом 201. Крутящий момент Т, создаваемый потоком F воды на машине, может быть рассчитан на основе уравнения динамического импульса, примененного к валу 201 машины. Это уравнение подробно описано ниже:
где J - момент инерции вала 201, а М - крутящий момент, создаваемый генератором переменного тока на валу 201.
Затем можно вычислить две координаты N11, Т11 второго ряда потенциальных рабочих точек, основанных на Уравнении 4. На Фиг. 2 рабочие точки позиционируются в зависимости от их координаты вдоль оси N11 и их координаты вдоль оси Т11. Для ясности графика потенциальные рабочие точки второго ряда представлены кривой С2 в полной строке. Этот второй ряд потенциальных рабочих точек является динамическим, поскольку он зависит от скорости вращения N турбины и крутящего момента Т, создаваемого потоком F воды на рабочем колесе 202. В результате второй ряд потенциальных рабочих точек обновляется по функции вариации скорости N вращения и/или изменения крутящего момента Т.
Второй ряд содержит потенциальные рабочие точки турбины 20 при определенной скорости N вращения рабочего колеса 202 и при определенном крутящем моменте Т, создаваемом потоком F воды на рабочем колесе 202. Другими словами, известно, что при определенной скорости N вращения и крутящего момента Т, рабочая точка турбины 20 находится где-то на кривой С2, соединяющей точки второго ряда.
Две координаты действительной рабочей точки турбины 20 могут быть затем определены путем определения точки, которая принадлежит как первому, так и второму ряду. Эта действительная рабочая точка расположена на пересечении между кривой С1 постоянного открытия и кривой С2. N11_real обозначает координату реальной рабочей точки вдоль оси N11, а Т11_real обозначает координату действительной рабочей точки вдоль оси T11. На практике две координаты N11_real и Т11_real действительной рабочей точки могут быть численно интерполированы. Действительная рабочая точка выводится в рассматриваемом рабочем диапазоне машины, то есть в режиме турбины в этом примере. На основании Уравнения 1 или 2 определение координат N11_real, T11_real действительной рабочей точки позволяет рассчитать полезный гидравлический напор Н установки 2. Этот расчет полезного гидравлического напора особенно полезен, когда непосредственное измерение полезного гидравлического напора невозможно или не точно. Например, расчет полезного гидравлического напора может быть интегрировано в систему управления контуром, направленную на стабилизацию полезного гидравлического напора гидравлической машины с S-характеристиками. S-характеристики могут встречаться при запуске насосной турбины в режиме турбине или в турбине Френсиса в условиях высокого падения воды.
Знание N11_real и Т11_real позволяет определить третью координату Q11_real путем интерполяции универсальная характеристики. Затем на основе Уравнения 3 рассчитывают скорость Q потока F, проходящего через турбину 20.
Этапы расчета алгоритма определения полезного гидравлического напора Н и расхода Q выполняются автоматически непредставленным электронным блоком управления, который может быть интегрирован в контроллер турбины.
Далее можно вычислить некоторую частную производную, связанную с четверкой N11_real, Q11_real, T11_real, Y реальной рабочей точки, например, некоторую частную производную . Они являются неотъемлемой частью квадруплета рабочей точки и используются в качестве входных данных для определения управляющих параметров для турбины 20, таких как ориентация направляющих лопаток.
В непредставленном альтернативном варианте выполнения изобретения аналогичный способ может быть реализован для определения рабочей точки двойной регулируемой турбины, такой как турбина Каплана (поворотно-лопастная гидротурбина) или капсульная гидротурбина. Турбина с двойным регулированием содержит рабочее колесо с подвижными лопатками. Скорость потока воды, циркулирующей вокруг рабочего колеса, также регулируется благодаря ряду направляющих лопаток. В этом случае определяется первый ряд потенциальных рабочих точек N'11, Т'11 для ориентации, относящейся к подвижным лопаткам турбины с двойным регулированием, и для открытия, относящегося к направляющим лопаткам. Используя вышеописанный способ, можно провести такой же расчет, чтобы получить полезный гидравлический напор и расход воды, протекающей через турбину с двойным регулированием.
В непредставленном альтернативном варианте выполнения вращение вала 201 используется для питания механического устройства. Затем установка 2 преобразует гидравлическую энергию в механическую.
В непредставленном альтернативном варианте выполнения способ может быть реализован на насосе или насосной турбине.
В непредставленном альтернативном варианте выполнения рабочий диапазон, в котором определяется рабочая точка, соответствует режиму насоса.
Технические признаки различных вариантов выполнения и альтернативные варианты осуществления изобретения, описанные выше, могут быть объединены вместе для создания новых вариантов выполнения изобретения.