水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法技术

本发明专利技术公开了一种水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，步骤包括：1)建立模型水电站与原型水电站的相似准则；2)建立水电站过渡过程的半物理仿真试验模型，采用计算机实时仿真的方法对引水系统进行试验；采用物理模型进行试验以便获得更准确的水轮机过渡过程中的内部状态；3)进行水电站过渡过程的半物理仿真模型试验，反算出原型水电站相关参数的变化过程。本发明专利技术的方法，实验过程操作简便，实验结果准确性高。果准确性高。果准确性高。

【技术实现步骤摘要】
水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法


[0001]本专利技术属于水电站过渡过程
，涉及一种水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法。

技术介绍

[0002]水电站的安全事故主要发生在水电站过渡过程中，提高水电站过渡过程的安全性对保障水电站安全具有重要意义。目前，主要通过水电站过渡过程计算的方法保障水电站在过渡过程中的安全，即通过仿真计算获得水电站在过渡过程中管路系统各处的水压及流量变化，以判断水电站运行中的安全性。
[0003]但由于水电站过渡过程中水轮机内部流态变化复杂，难以在过渡过程计算中考虑较为详细的水轮机内部流体变化过程，造成计算结果误差较大，在水头较高的抽水蓄能水电站尤为明显，对水电站的运行安全造成了潜在威胁。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，解决了现有技术在水电站过渡过程计算中，对水轮机内部流态考虑不足，导致计算结果误差大的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，按照以下步骤实施：
[0006]步骤1，建立模型水电站与原型水电站的相似准则；
[0007]步骤2，建立水电站过渡过程的半物理仿真试验模型，
[0008]采用计算机实时仿真的方法对引水系统进行试验；采用物理模型进行试验以便获得更准确的水轮机过渡过程中的内部状态；
[0009]步骤3，进行水电站过渡过程的半物理仿真模型试验，反算出原型水电站相关参数的变化过程。
>[0010]本专利技术的有益效果是，通过理论分析得到了模型水电站与原型水电站的相似准则，然后根据相似准则及水电站特点采用实物模型水轮机进行过渡过程试验，采用计算机实时仿真对引水系统进行过渡过程试验，同时采用造压罐、真空罐、高压罐、电磁阀、水泵、逆止阀等设备组成的系统将计算机实时仿真系统与水轮机实物模型系统进行连接，构成水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法。本专利技术方法，操作简便，准确性高。
附图说明
[0011]图1是本专利技术方法采用的半物理仿真模型试验原理框图；
[0012]图2是本专利技术方法实施例中的验证原型水电站布置示意图；
[0013]图3是本专利技术方法实施例中的验证结果图。
[0014]图中，1.高压罐；2.电磁阀一；3.造压罐一；4.电磁阀二；5.计算机；6.电磁阀三；7.
造压罐二；8.电磁阀四；9.真空罐；10.逆止阀一；11.水泵；12.测量装置一；13.水力机组；14.测量装置二；15.逆止阀二。
具体实施方式
[0015]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0016]本专利技术水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，按照以下步骤具体实施：
[0017]步骤1，建立模型水电站与原型水电站的相似准则，
[0018]由于模型水轮机与原型水轮机在相似工况点工作时具有相同的单位参数，因此有：
[0019]式(1)中，n
11
为水轮机单位转速，Q
11
为水轮机单位流量，M
11
为水轮机单位力矩，n为水轮机转速，H为水轮机水头，Q为水轮机流量，M为水轮机力矩，D为水轮机标称直径，带下标1均表示相似工况下的模型水轮机参数，带下标2均表示相似工况下的原型水轮机参数，以下表达式中的下标
1,2
均以此类推，
[0020]由公式(1)变换后得到下式：
[0021][0022]式(2)中，假定模型水轮机与原型水轮机的比尺关系为D1:D2＝1:x
D
，则式(2)再变换为：
[0023][0024]式(3)中，针对引水系统，根据管道刚性水击模型，引水系统中存在如下关系式：
[0025][0026]式(4)中，h为水轮机水头偏差相对值，q为流量偏差相对值，T
w
为引水系统的水流惯性时间常数，t为时间；
[0027]再次变换后，得到水流惯性时间常数的表达式为：
[0028][0029]式(5)中，L为引水管道长度；A为引水管道横截面积，g为重力加速度，
[0030]由于模型水电站与原型水电站均工作在相似工况，联立式(4)和式(5)后，则有：
[0031][0032]式(6)中，下标
r
表示额定工况，Δ表示与初始工况的偏差量，
[0033]对式(6)进行差分，并将两式进行比值，则有：
[0034][0035]由于模型水电站与原型水电站的工况相似，再变换为：
[0036][0037]将式(8)代入式(7)中，则有：
[0038][0039]假定引水系统的模型与原型的尺寸比为L1:L2＝1:x
L
，系统过渡过程的时间比尺为t1:t2＝1:x
t
，则式(9)变换后的表达式为：
[0040][0041]联立式(3)与式(10)，则有：
[0042][0043]对于局部水头损失，则有：
[0044][0045]式(12)中，ξ为局部水头损失系数，下标
J
表示局部水头损失，将式(12)中的两式进行比值并整理，则有：
[0046][0047]为保持动态过程中原型水电站与模型水电站的工况相似，引水系统中的局部损失水头应与水轮机水头的比尺保持一致，联立式(8)、式(11)和式(13)，则有：
[0048][0049]对于管道沿程水头损失，则有：
[0050][0051]式(15)中，λ为沿程水头损失系数；d为引水管道直径；下标
Y
表示沿程水头损失，
[0052]将式(15)的两式进行比值并整理，则有：
[0053][0054]为保持动态过程中原型水电站与模型水电站的工况相似，引水系统中的沿程水头损失应与水轮机水头比尺保持一致，联立式(8)、式(11)和式(16)，则有：
[0055][0056]根据谢才
‑
曼宁公式，变换为下式：
[0057][0058]式(18)中，n
c
为管道糙率；R为管道水力半径，
[0059]将式(18)的两式进行比值并整理，则有：
[0060][0061]在水轮机动态过程中，转速变化必须满足如下的运动方程：
[0062][0063]式(20)中，GD2为机组的飞轮力矩，
[0064]将式(20)的两式进行比值并整理，则有：
[0065][0066]联立式(11)与式(21)，则有：
[0067][0068]水轮机出力必须满足以下表达式：
[0069][0070]联立式(11)与式(23)，则有：
[0071][0072]水击相长的表达式为：
[0073][0074]式(25)中，a为水击波速，
[0075]为保证动态过程中模型水电站与原型水电站相似，应保持水击相长之比与时间之本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1，建立模型水电站与原型水电站的相似准则；步骤2，建立水电站过渡过程的半物理仿真试验模型，采用计算机实时仿真的方法对引水系统进行试验；采用物理模型进行试验以便获得更准确的水轮机过渡过程中的内部状态；步骤3，进行水电站过渡过程的半物理仿真模型试验，反算出原型水电站相关参数的变化过程。2.根据权利要求1所述的水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，其特征在于，步骤1中，具体过程是：由于模型水轮机与原型水轮机在相似工况点工作时具有相同的单位参数，因此有：式(1)中，n
11
为水轮机单位转速，Q
11
为水轮机单位流量，M
11
为水轮机单位力矩，n为水轮机转速，H为水轮机水头，Q为水轮机流量，M为水轮机力矩，D为水轮机标称直径，带下标1均表示相似工况下的模型水轮机参数，带下标2均表示相似工况下的原型水轮机参数，以下表达式中的下标
1,2
均以此类推，由公式(1)变换后得到下式：假定模型水轮机与原型水轮机的比尺关系为D1:D2＝1:x
D
，则式(2)再变换为：针对引水系统，根据管道刚性水击模型，引水系统中存在如下关系式：
式(4)中，h为水轮机水头偏差相对值，q为流量偏差相对值，T
w
为引水系统的水流惯性时间常数，t为时间；再次变换后，得到水流惯性时间常数的表达式为：式(5)中，L为引水管道长度；A为引水管道横截面积，g为重力加速度，由于模型水电站与原型水电站均工作在相似工况，联立式(4)和式(5)后，则有：式(6)中，下标
r
表示额定工况，Δ表示与初始工况的偏差量，对式(6)进行差分，并将两式进行比值，则有：由于模型水电站与原型水电站的工况相似，再变换为：将式(8)代入式(7)中，则有：假定引水系统的模型与原型的尺寸比为L1:L2＝1:x
L
，系统过渡过程的时间比尺为t1:t2＝1:x
t
，则式(9)变换后的表达式为：联立式(3)与式(10)，则有：
对于局部水头损失，则有：式(12)中，ξ为局部水头损失系数，下标
J
表示局部水头损失，将式(12)中的两式进行比值并整理，则有：为保持动态过程中原型水电站与模型水电站的工况相似，引水系统中的局部损失水头应与水轮机水头的比尺保持一致，联立式(8)、式(11)和式(13)，则有：对于管道沿程水头损失，则有：式(15)中，λ为沿程水头损失系数；d为引水管道直径；下标
Y
表示沿程水头损失，将式(15)的两式进行比值并整理，则有：为保持动态过程中原型水电站与模型水电站的工况相似，引水系统中的沿程水头损失应与水轮机水头比尺保持一致，联立式(8)、式(11)和式(16)，则有：根据谢才
‑
曼宁公式，变换为下式：
式(18)中，n
c
为管道糙率；R为管道水力半径，将式(18)的两式进行比值并整理，则有：在水轮机动态过程中，转速变化必须满足如下的运动方程：式(20)中，GD2为机组的飞轮力矩，将式(20)的两式进行比值并整理，则有：联立式(11)与式(21)，则有：水轮机出力必须满足以下表达式：联立式(11)与式(23)，则有：水击相长的表达式为：式(25)中，a为水击波速，为保证动态过程中模型水电站与原型水电站相似，应保持水击相长之比与时间之比一致，则有：
自此，得到模型水电站与原型水电站的相似准则，表达式为：3.根据权利要求1所述的水电站过渡过程的半物理仿真模型试验方法，其特征在于，步骤2中，水电站过渡过程的半物理仿真试验模型的架构是，包括高压罐(1)、造压罐一(3)、计算机(5)、造压罐二(7)、真空罐(9)和水力机组(13)，其中，高压罐(1)内部充满高压空气，造压罐一(3)内罐装有部分水和部分空气，造压罐一(3)的顶部同时连通有电磁阀一(2)和电磁阀二(4)，电磁阀一(2)另一端与高压罐(1)连通，电磁阀二(4)另一端接入大气或真空罐(9)；造压罐一(3)的底部一路通过管道与水泵(11)出口相连，水泵(11)入口安装有逆止阀一(10)，造压罐一(3)的底部另一路接入水力机组(13)的蜗壳入口，水力机组(13)的尾水管端接入造压罐二(7)的底部；造压罐二(7)中同样罐装有部分水和部分空气，造压罐二(7)的底部另外安装有逆止阀二(...

【专利技术属性】
技术研发人员：门闯社，田栋栋，姜留涛，李晓艳，管瑞欣，毛晓姝，
申请(专利权)人：陕西铁路工程职业技术学院，
类型：发明
国别省市：