雙調(diào)水輪機(jī)最優(yōu)協(xié)聯(lián)測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

楊新華，吳利國(guó)，劉秀良

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

目前國(guó)內(nèi)的大中型水電站基本上還沒有建立比較完善的對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行最優(yōu)協(xié)聯(lián)的檢測(cè)，一方面是因?yàn)樵谀壳敖?jīng)濟(jì)模式運(yùn)行下，不太重視水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；另一方面是因?yàn)閷?duì)于大中型水輪發(fā)電機(jī)組，大流量、大管徑的水流流量傳感器的制造、加工和安裝尚存在一些問題。本課題研究設(shè)計(jì)了一套能夠準(zhǔn)確測(cè)量雙調(diào)機(jī)組最優(yōu)協(xié)聯(lián)特性的智能測(cè)試裝置，為解決一些低水頭小壓差機(jī)組水輪機(jī)協(xié)聯(lián)測(cè)試不準(zhǔn)確的問題提供參考，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理，為協(xié)聯(lián)測(cè)試開辟了一條新的途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系

雙調(diào)水輪機(jī)每個(gè)槳葉開度都有與之相配和、較窄的效率曲線高效率區(qū)，而且每種槳葉開度的高效率，都有對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度，即導(dǎo)葉開度和槳葉開度之間存在協(xié)調(diào)關(guān)系。在不同的水頭下，導(dǎo)葉開度與槳葉開度之間存在不同的協(xié)調(diào)關(guān)系。反映不同水頭下導(dǎo)葉開度和槳葉開度之間協(xié)調(diào)關(guān)系的組合，稱為協(xié)聯(lián)關(guān)系，即z=f（y，h），式中，z為槳葉開度；y為導(dǎo)葉開度；h為水頭。其協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線如圖1所示。本設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)要測(cè)試相關(guān)參數(shù)以找到使水輪機(jī)運(yùn)行在最大效率值的導(dǎo)葉開度和槳葉開度之間的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系，然后在機(jī)組運(yùn)行過程中檢測(cè)相關(guān)的參數(shù)，并通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)使水輪機(jī)運(yùn)行在最大效率區(qū)。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由主機(jī)、相應(yīng)的變送器、信號(hào)調(diào)理電路、通信及顯示模塊等組成，在系統(tǒng)軟件支持下，由主機(jī)控制進(jìn)行工作。在借鑒和研究了現(xiàn)有相關(guān)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，具體結(jié)合了水電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)的要求并兼顧水電機(jī)組效率試驗(yàn)，采用合理先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)。硬件配置和變送器 （傳感器）的選型計(jì)劃采用兩片12位6通道的AD轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)地設(shè)置了12個(gè)通道接口，可對(duì)12路測(cè)量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其工作流程如下：把功率、壓力、水位、壓差、行程等電量或非電量經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后送入采集裝置，再由計(jì)算機(jī)控制處理。數(shù)據(jù)采集流程則是計(jì)算機(jī)通過RS-485異步串行通訊接口向采集裝置發(fā)出采集命令，并由采集裝置返回采集數(shù)據(jù)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。各種數(shù)據(jù)可通過數(shù)字和圖形在線觀察，最終輸出打印，全部過程完全智能化。

圖1 水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

1.3.1 主要參數(shù)及測(cè)定方法

（1）發(fā)電機(jī)有功功率的采集采用雙瓦特表法，該方法既適用于三相負(fù)載平衡的場(chǎng)合又適用于三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，采用兩只單相瓦特表接入3相交流電路中的任意兩相測(cè)取交流電路的有功功率。

（2）流量采用蝸殼壓差法采集。當(dāng)具有一定流速的水流流經(jīng)蝸殼時(shí)，由于水流在蝸殼中心線的彎曲流道上產(chǎn)生離心力，使得蝸殼內(nèi)外緣兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力差，根據(jù)伯努利方程，可推導(dǎo)出通過機(jī)組的流量。

（3）上、下游水位的測(cè)定方法采用浮筒式水位計(jì)測(cè)量，該模塊由浮筒、鋼絲、滑輪和重錘4部分構(gòu)成，可以從鋼絲或滑輪軸上加裝不同形式的變送器，將水位訊號(hào)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)進(jìn)行傳送。

（4）水輪機(jī)工作水頭，是指水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面單位能量之差，可表示為

式中，P1為水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口斷面壓力，Pa；P2表示水輪機(jī)尾水管出口壓力，Pa；r為水的容重，取1 000 kg/m3；Z1表示水輪機(jī)安裝高程，m；Z2為尾水位，m；V1為水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口斷面平均流速，m/s；V2為水輪機(jī)尾水管出口斷面平均流速，m/s；a1、a2表示流速分布均勻系數(shù)，近似取a1=a2=1。由上式可看出只要測(cè)得下游水位、蝸殼進(jìn)口壓力和水輪機(jī)進(jìn)出口平均流速即可，而蝸殼進(jìn)口壓力是通過壓力變送器測(cè)得的。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機(jī)的電流通過電流轉(zhuǎn)換器CT得到0～10 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換，使信號(hào)變成0～5 V的直流電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大、濾波和AD變換輸入到dsPIC芯片中；而電壓信號(hào)只需通過電壓轉(zhuǎn)換器PT得到1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)放大、濾波和AD轉(zhuǎn)換送入dsPIC中。蝸殼壓差等非電量模擬信號(hào)通過相應(yīng)的變送器得到4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后通過電流/電壓轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過光電隔離、放大、濾波和AD變換采集到dsPIC中。如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集框圖

1.4 顯示功能

面板上的液晶顯示器可以實(shí)現(xiàn)所有電量參數(shù)（電壓、電流、有功等）和非電量參數(shù) （壓力、行程等）的循環(huán)顯示和指定顯示。

1.5 通信功能

通信模塊是將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過通訊線路及裝置送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析、處理。因通訊距離比較長(zhǎng)，本系統(tǒng)采用RS-485串口通訊方式，在計(jì)算機(jī)內(nèi)插1塊多串口擴(kuò)展卡CI-134，擴(kuò)展出4個(gè)串口，COM5串口用來(lái)從網(wǎng)上接收數(shù)據(jù)，COM6串口用來(lái)與disPIC30f6011進(jìn)行通訊，其余的串口留作備用，以方便以后系統(tǒng)的擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用微軟公司的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言Visual Basic6.0作為應(yīng)用軟件的編程語(yǔ)言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面具有以下功能：

（1）實(shí)時(shí)顯示。實(shí)時(shí)顯示就是按規(guī)定的時(shí)間讀取一次原始數(shù)據(jù)文件，并通過屏幕在線實(shí)時(shí)地顯示反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的全部參數(shù)。

（2）歷史顯示。過時(shí)的數(shù)據(jù)被保存進(jìn)歷史庫(kù)，當(dāng)用戶想要查看某一段時(shí)間的數(shù)據(jù)時(shí)，可以調(diào)出這一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，這叫做歷史顯示。

（3）列表顯示。以表格的形式對(duì)數(shù)據(jù)的各種屬性，包括地址、大小、狀態(tài)、時(shí)間等進(jìn)行顯示，具有直觀、明確的特點(diǎn)。

（4）趨勢(shì)圖顯示。以時(shí)間為橫軸，以測(cè)量數(shù)據(jù)為縱軸，將數(shù)據(jù)連成曲線的顯示方法，可以一目了然地看出數(shù)據(jù)的變化情況，有利于對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)工況

3.1 定槳工況試驗(yàn)

定槳工況試驗(yàn)是把槳葉固定在某一個(gè)既定的角度φ上，調(diào)整不同的導(dǎo)葉開度進(jìn)行相對(duì)效率測(cè)定工作。這時(shí)槳葉每隔5°取1個(gè)工況點(diǎn)，一般需要進(jìn)行6、 7 個(gè)工況點(diǎn)的試驗(yàn)（如 φ=-10°、 -5°、 0°、 +5°、+10°、+15°及最大角度）。每個(gè)工況點(diǎn)導(dǎo)葉開度調(diào)整的次數(shù)是根據(jù)求取最高效率的需要而定，一般需要5～7次。

3.2 定葉工況試驗(yàn)

定葉工況試驗(yàn)是把導(dǎo)葉固定在某一個(gè)既定的開度α上，調(diào)整不同的漿葉開度進(jìn)行相對(duì)效率測(cè)定工作，測(cè)定需要5～7次。

3.3 最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系的求取

無(wú)論采用定槳工況試驗(yàn)還是定葉工況試驗(yàn)，真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系都是未知的，只能參考制造廠家提供的數(shù)據(jù)知道其大體位置。為了求取真機(jī)的最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系且使得試驗(yàn)測(cè)次最少，在測(cè)取的過程中采用逐點(diǎn)逼近的方法和根據(jù)已知數(shù)據(jù)進(jìn)行正確判斷。

為了求取曲線極大值至少需要5個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲線，因此每個(gè)工況試驗(yàn)需要實(shí)測(cè)5個(gè)有效點(diǎn)方能求得最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線上的1個(gè)協(xié)聯(lián)點(diǎn)。若測(cè)點(diǎn)都偏在曲線一側(cè)，即使點(diǎn)數(shù)再多也不能繪出該曲線形狀，因此在確定下一測(cè)次的調(diào)整值時(shí)，要使測(cè)點(diǎn)逐次逼近最高指數(shù)效率值。這樣就可以得到在同一試驗(yàn)水頭下定槳工況和定葉工況的水輪機(jī)功率曲線φ～N與α～N。

對(duì)于定槳工況試驗(yàn)，實(shí)測(cè)到5個(gè)有效測(cè)點(diǎn)后，便可求出該槳葉角度下對(duì)應(yīng)的N0值 （圖3），然后通過α～N曲線查得N0對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度α值，便求得最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線上1個(gè)協(xié)聯(lián)點(diǎn)的αi～φi值。將同1個(gè)試驗(yàn)水頭下不同槳葉角度的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在1個(gè)坐標(biāo)內(nèi)，各曲線的包絡(luò)線便是該水頭下轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)相對(duì)效率特性曲線與最優(yōu)導(dǎo)葉開度線 （見圖4），這樣就求得了該水頭下最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線上的若干αi～φi值。最后把這些αi～φi值一一點(diǎn)繪在以φ為縱坐標(biāo)以α或接力器行程S為橫坐標(biāo)的圖上，便可得到該機(jī)在該水頭下的實(shí)測(cè)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。

圖3 定槳工況下的最高指數(shù)效率

圖4 水輪機(jī)相對(duì)效率特性曲線和最優(yōu)導(dǎo)葉開度曲線

對(duì)于定葉工況試驗(yàn)，實(shí)測(cè)到至少5個(gè)有效點(diǎn)后便可直接求出該α相應(yīng)的φ0（圖5）。改變不同導(dǎo)葉開度，可以得到若干組αi～φi的數(shù)據(jù)，構(gòu)成了該水頭下最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，經(jīng)點(diǎn)繪同樣可以得到最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線。

圖5 定葉工況下的最高指數(shù)效率

3.4 協(xié)聯(lián)關(guān)系分析

在幾個(gè)水頭下測(cè)出的真機(jī)最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線與廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線進(jìn)行比較，若兩條曲線平行，則說(shuō)明協(xié)聯(lián)凸輪型線正確，只是與導(dǎo)葉接力器恢復(fù)桿相連接的拉桿長(zhǎng)短有偏差，調(diào)整其長(zhǎng)短就可以達(dá)到最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系。若兩條曲線不平行，說(shuō)明廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確，則需要改變協(xié)聯(lián)凸輪的型線或調(diào)整電氣協(xié)聯(lián)函數(shù)發(fā)生器。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)側(cè)重于最優(yōu)協(xié)聯(lián)相關(guān)參數(shù)的研究測(cè)試，并能利用相關(guān)參數(shù)進(jìn)行水輪機(jī)效率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的圖形化處理，使工作人員可以一目了然地看出數(shù)據(jù)的變化情況，有利于對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，為協(xié)聯(lián)測(cè)試開辟了一條新的途徑，下一步要做的工作就是能夠利用該系統(tǒng)方便地進(jìn)行水輪機(jī)效率試驗(yàn)和甩負(fù)荷試驗(yàn)等。

［1］ 鄭源，張強(qiáng)，李賢慶，等.水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)［J］.水利水電科技進(jìn)展， 2003（06）:30-32.

［2］ 盧文秀.抽水蓄能機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷［J］.中國(guó)電力,2000（04）:19-22.

［3］ 趙林明，張文玉.軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)協(xié)聯(lián)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法研究［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展， 2008（04）:72-74.

［4］ 鞠小明，程云山.水輪機(jī) ［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社2007.