邯郸市水利水电勘测设计研究院 056001
关键词：水轮机；几何参数反演；内特性；传递系数；过渡过程
我国水能资源丰富，不论是水能资源蕴藏量，还是可开发的水能资源，在世界各国中均居第一位。水电是我国电能比较重要的组成部分，水电生产过程具有开停机方便、成本低廉，运行可靠性高、对环境污染小等优点。作为一种可再生的自然资源，水电已经被列入优先发展的对象。目前，我国已经建成数量不少的水电站，另外一批大型水电站正在设计或建设之中。而在水电站中，研究如何保证其中的水轮发电机组安全稳定运行，对于发挥水电效益，有效利用水资源，具有普遍的重要的意义。
1 研究目的及其理论的意义
水力发电是最经济的电能转换方式，在参与电力系统运行时，它占据一种十分独特的社会地位，特别是随着电力系统容量的扩大，水力发电的这种独特的地位则愈加显著。水轮机是水电站生产电能的水力原动机，是水电站最重要的动力设备之一。
用水轮机几何参数反演算法，能够求出模型水轮机转轮出口处的几何参数，解决了用内特性理论计算过渡过程中需要解决的问题。而内特性数值计算法无需已知水轮机的完整综合特性曲线或全特性曲线，而只需已知水轮机及其装置的几何参数和基本结构参数，以及过渡过程的初始条件，根据给定的调节元件运动规律，即可分析水轮机的过渡过程。因此，对水轮机几何参数反演算法的研究有助于内特性方法的应用推广。
另外，在水轮机几何参数反演算法的基础上，结合人工神经网络方法，可以较为准确地计算水轮机的小开度特性，为采用数值分析方法分析水轮机的过渡过程提供了较为准确的边界条件。
对水轮机几何参数随比转速的变化规律研究，以及传递系数的研究，有助于水轮机的设计和运行分析，为对水轮机控制系统进行理论研究及其实际设计提供了充分可靠的科学理论依据和保证。
运行性能良好的水轮机，应具备较高的运行经济性、可靠性、灵活性和稳定性。研究水轮机过渡过程的目的及意义，在于揭示各种过渡过程中水轮机内部水流特性和外部机械特性的变化规律，以及对水轮机工作性能的影响；并以此为基础，寻求改善这些动态特性的合理控制方式和技术措施，以保证水轮机在过渡过程不稳定工作状态下的安全，改善过渡过程中水轮机及其零、部件的工作条件，提高机组的运行质量。解决好这些问题，对水电站的优化设计和保证安全运行具有十分重要意义。以便提高水力机械装置运行的可靠性、速动性、灵活性与总体的经济性，以提高其技术经济水平。
综上所述，本论文以“几何参数反演算法”为核心展开研究，既具有重要的理论价值，也具有实际运用价值，对于提高水轮机的运行性能，促进水电站乃至电力系统运行的技术经济水平都将具有现实的指导意义。
2主要内容
本文研究采取理论分析、计算机计算和实际应用相结合的方法，重点研究以下问题：
(1) 总结了与课题有关的国内外技术研究现状及发展趋势，在此基础上提出了本文研究的主要内容和结构安排；
(2) 本文根据水轮机的工作原理，利用水轮机的模型综合特性曲线及结构参数，采用线性函数数据拟合方法，求出模型水轮机及其装置的内特性参数，提出了水轮机几何参数的反演算法；
(3) 在反演算法的基础上，本文采用数据拟合和人工神经网络方法，利用水轮机高效率区域特性和飞逸特性，求取水轮机的小开度特性，同时对水轮机特性曲线进行了扩展；分别用外特性法和内特性法计算水轮机的传递系数，并研究其随水轮机工况的变化情况；
(4) 对水轮机过渡过程的基本理论进行了分析，建立了甩负荷过渡过程基于内特性解析的非线性数学模型，并对相应的计算软件系统设计进行了论述。运用前几章提出的理论，通过MATLAB软件，编制了相应的过渡过程仿真程序，设计了简单宜用的操作界面，并给出了运行的应用实例，进一步证明了水轮机几何参数反演算法的可行性及对水轮机过渡过程分析计算具有的意义。
3 基本方法及理论基础
根据水轮机的工作原理，利用水轮机的模型综合特性曲线及结构参数，采用线性函数数据拟合方法，求出模型水轮机及其装置内特性参数，即提出水轮机几何参数的反演算法。在反演算法的基础上，进一步研究以下内容：
结合运用人工神经网络，研究计算水轮机小开度区域的流量特性和力特性；利用水轮机高效率区域特性和飞逸特性，求取了水轮机的小开度特性，即对水轮机特性曲线进行了扩展；将求取的水轮机几何参数和经过扩展的水轮机模型综合特性曲线分别用于计算水轮机的传递系数，并研究水轮机传递系数随水轮机工况的变化情况；建立了基于内特性解析过渡过程的非线性数学模型，将几何参数反演算法用于内特性法分析水轮机过渡过程计算中。利用MATLAB软件开发某实际电站混流水轮机甩负荷过渡过程数字仿真软件，并应用该软件对水轮机设计工况甩负荷过渡过程进行仿真。
水轮机装置过渡过程数值解法大体可分为两类：第一类，以水轮机模型静态全特性或完整综合特性曲线为基础和边界条件的数值解法，简称外特性数值解法；第二类，以水轮机内特性解析为基础的数值解法，简称为内特性数值解法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆内特性数值解法的基本思路是：针对原型水轮机装置，对过渡过程中诸动态工况参数及其相关因素进行严格的理论分析，建立同调节元件位置有关的非线性方程组，给定调节元件位移随时间的变化规律 ，利用数值计算解法求得非线性方程组的解，即可得到诸动态工况参数的瞬变规律。
采用这种方法，无需已知水轮机的完整综合特性曲线或全特性曲线，而只需已知水轮机及其装置的几何参数和基本结构参数，以及过渡过程的初始条件。根据给定的调节元件运动规律，即可用此方法求得过渡过程的准确计算结果。
4 创新点
(1) 提出一种研究水轮机设计和运行的新方法即水轮机几何参数反演算法，用几何参数反演算法求出水轮机的几何参数，并研究这些参数的变化规律。
(2) 在反演算法基础上，结合运用人工神经网络，对水轮机模型综合特性曲线进行扩展。
(3) 将水轮机几何参数反演算法应用于水轮机传递系数的计算中。
(4) 将采用水轮机几何参数反演算法求得的几何参数用于内特性解析水轮机过渡过程仿真计算中。
5 主要成果
(1) 从水轮机流量调节方程出发，利用水轮机的模型综合特性曲线及结构参数，导出了混流式水轮机流量特性和力特性的表达式，并且证明了混流水轮机在导水机构活动导叶的开度为常数时，所具有的一种线性特性。根据水轮机的基本工作原理，采用线性函数数据拟合方法，将这种线性特性加以应用，并以HL160-46水轮机为例，反求出了水轮机的几何参数，即详细阐述了几何参数反演算法的基本原理。
(2) 介绍了人工神经网络的基本原理，为了研究水轮机的过渡过程，研究利用混流水轮机高效率区域特性和飞逸特性，经过比较采用径向基人工神经网络，估算了HL160-46水轮机小开度飞逸特性，建立了反映水轮机效率η与单位转速n11和开度的非线性关系的径向基函数人工神经网络模型。结合第二章求得的水轮机的几何参数，可以对混流式水轮机高效率区域的特性进行扩展，近似地求出了小开度特性，为水轮机的过渡过程研究提供条件。由于部分考虑了水轮机的工作原理，因此这种方法比单纯采用数值方法进行小开度特性的插补更加合理。
(3) 阐述了水轮机调节系统的原理，建立了水轮机非线性模型和线性模型，给出了三种水轮机传递系数的方法；分别用基于几何参数反演的外特性与内特性解析模型计算了HL160-LJ-140水轮机的传递系数，并研究了传递系数随水轮机工况的变化情况，通过用两种方法求取的结果进行了比较得知，这两种基于几何参数反演的计算传递系数的新方法是比较准确的。
(4) 对水电站过渡过程的基本理论进行了分析。针对混流式水轮机，建立了基于内特性解析过渡过程的非线性数学模型，该模型物理意义清晰。详细阐述了基于内特性解析的过渡过程计算软件的系统设计，结合利用反演算法与平均参数法求得的水轮机几何参数和利用内特性法求解过渡过程模型，通过MATLAB软件编制了相应的计算机程序。通过对某水电站混流式水轮机装置甩负荷过渡过程的计算结果比较表明：基于几何参数反演的内特性解析理论的数学模型是比较准确的，其瞬态参数变化规律和基于常规方法求取水轮机几何参数的过渡过程计算结果及实际值基本一致。
6 结论
关于水轮机特性及水电站过渡过程仍有许多问题未得到深入研究，本文在总结前人研究成果的基础上，对混流水轮机特性及过渡过程涉及到的几个问题进行了研究与计算，本文所取得的研究成果对优化混流式水轮机的设计运行，正确预测水轮机的水力性能具有重要的指导意义，具有广泛的工程应用前景。主要有以下几方面：
(1) 对水轮机特性及过渡过程的分析成果需要经过多次的实际应用检验，确保其安全性，才能投入应用。
(2) 本文估算了水轮机的小开度特性，解决了利用外特性法计算过渡过程的难题，但由于时间所限没有将经过扩展的水轮机特性曲线应用于实际工程计算，这方面的工作有必要深入下去。
(3) 近年来随着水力机械向大型化的方向发展，工程上对水轮机的稳定性又提出了更高的要求。分析利用反演算法求出水轮机几何参数与比转速的关系，研究工程实用的数值计算方法，全面、准确地预测水轮机特性，优化水轮机的能量、空化和稳定性能将是今后研究工作的重点。
参考文献
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论文作者:王小红
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/22
标签：水轮机论文; 特性论文; 参数论文; 几何论文; 过程论文; 算法论文; 模型论文; 《基层建设》2017年6期论文;