一种水泵水轮机S特性曲线的动态测试方法及装置

一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置
技术领域
1.本发明属于抽水蓄能电站模型试验技术领域，具体涉及一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置。


背景技术：

2.抽水蓄能是目前最具大规模开发条件、技术最成熟、经济最优、环境最友好的能源存储方式，是未来以新能源为主体的新型电力系统中调节电源的主力军。大力发展抽水蓄能，是实现“双碳”目标的关键。抽水蓄能电站具有储能发电功能，能够在用电需求显著的时刻以发电模式运行，在用电需求低谷时刻以抽水模式运行，经济效益显著。抽水蓄能电站还能够迅速完成工况转换，以平衡风电、太阳能等间歇性能源对电网的冲击，对电网稳定具有支撑作用。水泵水轮机是抽水蓄能电站的核心部件，其s特性曲线是抽水蓄能电站设计的重要资料，也是影响抽水蓄能电站过渡过程计算精度的关键边界条件。
3.如图2所示，水泵水轮机的s特性曲线出现在流量特性曲线第一象限和第四象限，通常为n
ed
～q
ed
平面二维曲线表示，n
ed
、q
ed
分别为单位转速与单位流量。
4.模型实验是目前最通用的获取水泵水轮机s特性曲线的方法。在封闭式试验台上，可以通过两种静态实验方法完成s特性曲线测量。一种是在固定水泵水轮机机组转速的前提下改变水头，另一种是维持水头恒定时逐渐改变水泵水轮机机组的转速。静态测量方法的局限在于，其一，测量结果是离散的；其二，在水泵水轮机s特性曲线制动区和反水泵区，水泵水轮机存在静态不稳定现象，导致工况点跳跃，测量结果不准确。在过渡过程试验台上，水泵水轮机s特性曲线可以通过紧急事故甩负荷试验动态地测量。该方法对实验装置中机组转动惯量、管道系统长度、运行水头等因素要求苛刻，测量的s特性曲线范围有限。
5.因此，现有技术缺乏一种连续、完整地测量水泵水轮机s特性曲线的方法，直接限制了s特性曲线的测量有效性以及应用s特性曲线仿真抽水蓄能电站过渡过程计算的精确性。


技术实现要素：

6.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置，该方法可在开敞式过渡过程试验台上连续、完整地测量水泵水轮机s特性曲线，由于水泵水轮机机组处于并网状态，活动导叶开度恒定，传感器高频率采集数据，能够保证测量的数量量大、数据连续，且数据精度高。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
8.一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法，包括以下步骤：
9.步骤1、基于开敞式过渡过程试验台，进行水泵水轮机机组开机与并网；
10.步骤2、水泵水轮机s特性曲线数据采集，保持水泵水轮机机组并网状态，调节活动导叶开度并维持恒定，关闭循环水泵，通过传感器高频率采集数据，观察实时监测数据波形，经过多个变化周期后水泵水轮机机组停机，关闭活动导叶；
11.步骤3、根据采集到的数据，进行水泵水轮机s特性曲线绘制。
12.进一步地，所述开敞式过渡过程试验台包括循环水泵、上游水箱、下游水箱和水泵水轮机机组，所述循环水泵通过上游补水管道与所述上游水箱相连为所述上游水箱充水，所述循环水泵通过下游补水管道与所述下游水箱相连为所述下游水箱充水，所述上游水箱一侧连接有上游溢流管，另一侧连接有上游主管，所述上游主管的高度低于所述上游溢流管的高度，所述上游主管与所述水泵水轮机机组的进水口相连，所述下游水箱底部设有下游排水管，侧面设有下游主管，所述下游主管与所述水泵水轮机机组的出水口相连，所述水泵水轮机机组上设有调速器，所述调速器用于调节活动导叶开度。
13.进一步地，所述上游水箱和所述下游水箱内设有竖直方向的滑槽，所述滑槽上设有溢流堰，通过所述溢流堰在所述滑槽上上下移动以调节所述溢流堰的高度，以适应不同水头下的水泵水轮机s特性曲线的测试。
14.进一步地，所述步骤1具体包括：
15.步骤1.1、基于开敞式过渡过程试验台，启动循环水泵，为上游水箱和下游水箱供水，将上游水箱和下游水箱充满水至溢流状态，形成恒定水头；
16.步骤1.2、以水轮机模式开启水泵水轮机机组，运行稳定后并网；
17.步骤1.3、通过调速器调节水泵水轮机机组活动导叶的开度，使水泵水轮机机组的活动导叶开度维持恒定。
18.进一步地，在步骤1.1中，启动所述循环水泵，所述循环水泵通过上游补水管道为所述上游水箱充水，直到水能够从所述上游溢流管持续流出，使所述上游水箱呈溢流状态，所述循环水泵通过下游补水管道为所述下游水箱充水，使所述下游水箱呈溢流状态。
19.进一步地，所述步骤2中，传感器测量水泵水轮机流量q、水头h、力矩t、转速n，传感器包括用于测量水泵水轮机流量q的电磁流量计测量、用于测量水头h的压力传感器、用于测量力矩t的机械力矩传感器以及用于测量转速n的频率传感器。
20.进一步地，所述电磁流量计、所述压力传感器、所述机械力矩传感器以及所述频率传感器测量频率均在1000hz以上。
21.进一步地，所述步骤3具体包括：
22.步骤3.1、根据采集的流量q、水头h、力矩t、转速n，变换为单位转速n
ed
、单位流量q
ed
、单位力矩t
ed
，公式如下：
[0023][0024]
其中，d2为水泵水轮机出口直径，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s2，ρ为水的密度；
[0025]
步骤3.2、基于上述得到的单位转速n
ed
、单位流量q
ed
、单位力矩t
ed
，绘制活动导叶在一定开度下的s特性曲线。
[0026]
进一步地，在步骤2中，关闭所述循环水泵后，所述上游水箱与所述下游水箱不再被补水，所述上游水箱中的水首先通过溢流从所述上游溢流管排出，随后通过所述上游主管道经过所述水泵水轮机机组运输到下游，上游水位不断降低，所述水泵水轮机机组的水头不断减小，当所述水泵水轮机机组水头减小到显著低的程度时，流量反转，所述上游主管
水位反而开始上升，当到达一个临界水位时，所述水泵水轮机机组的水头开始下降，最终，所述上游主管和所述下游主管中形成持续的往复运动，经过多个变化周期后所述水泵水轮机机组停机，关闭活动导叶。
[0027]
一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试装置，包括：
[0028]
开敞式过渡过程试验台，用于完成水泵水轮机s特性曲线的动态测试实验；
[0029]
传感器，包括用于测量水泵水轮机流量q的电磁流量计测量、用于测量水头h的压力传感器、用于测量力矩t的机械力矩传感器以及用于测量转速n的频率传感器；
[0030]
存储器，用于存储传感器获取的数据；
[0031]
处理器，用于计算获取水泵水轮机s特性曲线；
[0032]
显示器，用于显示传感器监测数据波形和水泵水轮机s特性曲线。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0034]
1.本发明提供的一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置，是基于模型试验得出，而非数学推导或数值模拟，且已经过实测验证，具有较高的可靠性；
[0035]
2.本发明提供的一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置，能够完整且连续地测量水泵水轮机s特性曲线，而现有测试方法获得的s特性曲线是局部的或离散的，为水泵水轮机s特性曲线的绘制提供了一种更加精确的动态测试方法；
[0036]
3.本发明提供的一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法及装置，所需的测试时间短，数据量小，数据处理过程简单方便，与传统测量方法相比，实验周期大大缩短。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例的s特性曲线的动态测试方法的流程示意图。
[0038]
图2是本发明实施例的s特性曲线示意图。
[0039]
图3(a)是本发明实施例中开敞式过渡过程试验台水泵水轮机稳定运行的示意图。
[0040]
图3(b)是本发明实施例中开敞式过渡过程试验台关闭循环水泵的示意图。
[0041]
图3(c)是本发明实施例中开敞式过渡过程试验台机组上游侧压力逐渐下降后突增的示意图。
[0042]
图3(d)是本发明实施例中开敞式过渡过程试验台上游管道和下游管道中的水流形成持续的往复振荡的示意图。
[0043]
图4(a)是本发明实施例获取的水头测量波形。
[0044]
图4(b)是本发明实施例获取的转速测量波形。
[0045]
图4(c)是本发明实施例获取的流量测量波形。
[0046]
图4(d)是本发明实施例获取的力矩测量波形。
[0047]
图5(a)是本发明实施例动态测量的n
ed
～q
ed
水泵水轮机s特性曲线。
[0048]
图5(b)是本发明实施例动态测量的n
ed
～t
ed
水泵水轮机s特性曲线。
[0049]
其中：1、循环水泵；2、上游补水管道；3、下游补水管道；4、上游水箱；5、下游水箱；6、水泵水轮机机组；7、上游溢流管；8、上游主管；9、下游主管；10、下游排水管。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述。
[0051]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0052]
本发明提供一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0053]
步骤1、基于开敞式过渡过程试验台，进行水泵水轮机机组6开机与并网；
[0054]
步骤2、水泵水轮机s特性曲线数据采集，保持水泵水轮机机组6并网状态，调节活动导叶开度并维持恒定，关闭循环水泵1，通过传感器高频率采集数据，观察实时监测数据波形，经过多个变化周期后水泵水轮机机组6停机，关闭活动导叶；
[0055]
步骤3、根据采集到的数据，进行水泵水轮机s特性曲线绘制。
[0056]
静态测量方法使机组每次运行于一个给定的单一工况点，故需进行多次不同工况的单独测量后将离散的工况点绘制成s特性曲线，且每一次测量需要重新开机试验，误差较高。
[0057]
本发明通过适用于开敞式过渡过程试验台，该方法可在开敞式过渡过程试验台上连续、完整地测量水泵水轮机s特性曲线，由于水泵水轮机机组6处于并网状态，活动导叶开度恒定，传感器高频率采集数据，能够保证测量的数量量大、数据连续，且数据精度高。
[0058]
本发明中，如图3(a)-图3(d)所示，开敞式过渡过程试验台包括循环水泵1、上游水箱4、下游水箱5和水泵水轮机机组6，循环水泵1通过上游补水管道2与上游水箱4相连为上游水箱4充水，循环水泵1通过下游补水管道3与下游水箱5相连为下游水箱5充水，上游水箱4一侧连接有上游溢流管7，另一侧连接有上游主管8，上游主管8的高度低于上游溢流管7的高度，上游主管8与水泵水轮机机组6的进水口相连，下游水箱5底部设有下游排水管10，侧面设有下游主管9，下游主管9与水泵水轮机机组6的出水口相连，水泵水轮机机组6上设有调速器，调速器用于调节活动导叶开度。
[0059]
本发明中，基于开敞式过渡过程试验台，所述步骤1具体包括：
[0060]
步骤1.1、基于开敞式过渡过程试验台，启动循环水泵1，为上游水箱4和下游水箱5供水，将上游水箱4和下游水箱5充满水至溢流状态，形成恒定水头；
[0061]
步骤1.2、以水轮机模式开启水泵水轮机机组6，运行稳定后并网；
[0062]
步骤1.3、通过调速器调节水泵水轮机机组6活动导叶的开度，使水泵水轮机机组6的活动导叶维持恒定。
[0063]
具体地，在步骤1.1中，如图3(a)所示，启动循环水泵1，循环水泵1通过上游补水管道2为上游水箱4充水，直到水能够从上游溢流管7持续流出，使上游水箱4呈溢流状态，循环水泵1通过下游补水管道3为下游水箱5充水，使下游水箱5呈溢流状态，运行水泵水轮机机组6以发电模式完成开机及并网。
[0064]
本发明中，所述步骤2中，传感器测量水泵水轮机机组6流量q、水头h、力矩t、转速n，通过传感器高频率工作，实现水泵水轮机机组6流量q、水头h、力矩t、转速n动态、连续、完整地测量。
[0065]
具体地，传感器包括用于测量水泵水轮机机组6流量q的电磁流量计测量、用于测量水头h的压力传感器、用于测量力矩t的机械力矩传感器以及用于测量转速n的频率传感器。
[0066]
其中，电磁流量计安装在蜗壳进口的管道上，两个压力传感器分别安装在蜗壳进口和尾水管进口位置，通过两个压力传感器的差值获得水头h，机械力矩传感器安装在水泵水轮机和发电机/电动机之间的连接轴上，频率传感器安装在发电机/电动机飞轮外缘。
[0067]
本发明中，为了使传感器高频率测量且保证水泵水轮机机组6动态连续地运动，使获取的数据量多且精确，电磁流量计、压力传感器、机械力矩传感器以及频率传感器测量频率均在1000hz以上。
[0068]
本发明中，所述步骤2中，通过显示器观察实时监测数据波形。
[0069]
本发明中，如图3(b)-图3(d)所示，在步骤2中，关闭循环水泵1后，上游水箱4与下游水箱5不再被补水，保持水泵水轮机机组6并网状态，调节活动导叶开度并维持恒定，通过传感器高频率采集数据，观察实时监测数据波形，上游水箱4中的水首先通过溢流从上游溢流管7排出，随后通过上游主管8道经过水泵水轮机机组6运输到下游。上游水位不断降低，水泵水轮机机组6的水头不断减小。当水泵水轮机机组6减小到显著低的程度时，流量反转，上游主管8水位反而开始上升。当到达一个临界水位时，水泵水轮机机组6的水头开始下降。最终，上游主管8和下游主管9中形成持续的往复运动，经过多个变化周期后水泵水轮机机组6停机，关闭活动导叶。
[0070]
本发明中，所述步骤3具体包括：
[0071]
步骤3.1、根据采集的流量q、水头h、力矩t、转速n，变换为单位转速n
ed
、单位流量q
ed
、单位力矩t
ed
，公式如下：
[0072][0073]
其中，d2为水泵水轮机出口直径，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s2，ρ为水的密度。
[0074]
步骤3.2、基于上述得到的单位转速n
ed
、单位流量q
ed
、单位力矩t
ed
，绘制活动导叶在一定开度下的s特性曲线。
[0075]
本发明中，具体地，步骤3.2中，以单位转速n
ed
为x轴、以单位流量q
ed
为y轴作二维曲线图，或以单位转速n
ed
为x轴、以单位力矩t
ed
为y轴作二维曲线图。可通过microsoft excel、origin等任意常用绘图软件绘制。
[0076]
本发明还提供一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试装置，用于实现上述任一项的水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法，如图3(a)-图3(d)所示，包括：
[0077]
开敞式过渡过程试验台，用于完成水泵水轮机s特性曲线的动态测试实验；
[0078]
传感器，包括用于测量水泵水轮机机组6流量q的电磁流量计测量、用于测量水头h的压力传感器、用于测量力矩t的机械力矩传感器以及用于测量转速n的频率传感器；
[0079]
存储器，用于存储传感器获取的数据；
[0080]
处理器，用于计算获取水泵水轮机s特性曲线。
[0081]
显示器，用于显示传感器监测数据波形和水泵水轮机s特性曲线。
[0082]
具体地，开敞式过渡过程试验台包括循环水泵1、上游水箱4、下游水箱5和水泵水轮机机组6，循环水泵1通过上游补水管道2与上游水箱4相连为上游水箱4充水，循环水泵1通过下游补水管道3与下游水箱5相连为下游水箱5充水，上游水箱4一侧连接有上游溢流管7，另一侧连接有上游主管8，上游主管8的高度低于上游溢流管7的高度，上游主管8与水泵水轮机机组6的进水口相连，下游水箱5底部设有用于排水的下游排水管10，侧面设有下游主管9，下游主管9与水泵水轮机的出水口相连，水泵水轮机机组6上设有调速器，调速器用于调节活动导叶开度。
[0083]
另外，上游水箱4和下游水箱5内设有竖直方向的滑槽，滑槽上设有溢流堰，通过溢流堰在滑槽上上下移动以调节溢流堰的高度，以适应不同水头下的水泵水轮机s特性曲线的测试。
[0084]
在本发明的一个实施例中，图4(a)-图4(d)展示了关闭循环水泵1后机组机械参数和流动参数的变化。观察可知，在重力作用下水泵水轮机的水头h将不断减小。在t＝10s到t＝50s之间，水泵水轮机的流量q和力矩t逐渐减少为0。随后，流量q反向并在t＝62.5s达到极小值。从t＝62.5s到t＝82.5s，机组处于反水泵状态，将水从下游抽到上游，导致水头h上升。从t＝82.5s到t＝96.5s，流量q和力矩t迅速增大到正的极值。在t＝62.5s至t＝96.5s之间，机组的流量q、水头h经历了一个周期。在整个过程中，由于水泵水轮机机组6保持并网，转速n基本稳定在额定转速。
[0085]
图5(a)是本发明实施例动态测量的n
ed
～q
ed
水泵水轮机s特性曲线，图5(b)是本发明实施例动态测量的n
ed
～t
ed
水泵水轮机s特性曲线，图5(a)和图5(b)示出了基于流动参数的无量纲单位参数随时间的变化过程，是本发明实施例的s特性曲线结果，表明本发明提供的一种水泵水轮机s特性曲线的动态测试方法的测量结果具有连续性和完整性。
[0086]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。