一种水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法与流程

本发明涉及一种水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法，属于水力发电技术领域。

背景技术：

随着水电技术及设备制造技术的快速发展，目前新建水电站水轮发电机组的单机容量和尺寸都相对较大。随着机组的投产后运行时间的增长，机组过流部件磨损、引水流道淤积等因素，造成机组的能量转化性能的下降。大容量的机组能量转化性能的降低，导致了显著的水电站水能利用损失。

目前，对于水电站机组能量利用评价的量化评估方法主要有效率、耗水率、电站水能利用率等。效率是一个瞬时计算值，受机组运行工况影响，难以对一个时段内的能量利用情况进行评估，同时效率只是针对发电设备本身，未考虑水电站引水流道导致的能量损失。耗水率反应了电站或者机组时段内的能量转化情况，但是不能反应能量损失的原因。电站水能利用率反应了电站整体的水能利用情况，不能反应特定机组的能效性能。

因此，需要研究一种水轮发电机组水能利用评价方法，综合考虑电站机组运行工况、引水流道、设备性能等，评估不同时段的机组能效利用情况，并可以进行横向、纵向对比分析，给决策者提供有价值的信息。现有的如公开日为2016年03月23日，公开号为CN105429184A的中国专利中，公开的一种风电优先调度评价的全过程量化评估方法；以及公开日为2016年02月10日，公开号为CN105320992A的中国专利中，公开的一种电力系统备用量化评估方法，均不适用于水轮发电机组水能利用评价中。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法，实现机组能效性能的即时评估和事后评估，指导电站的安全经济运行工作。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法的特点在于：包括如下步骤：

步骤一：读取水电站计算机监控系统、水调自动化系统、机组超声波流量计的实测数据，获取水轮发电机组的运行状态以及实时运行数据，为评价提供基础信息；

步骤二：基于机组的运行状态，进行机组的过机水能到电能的转化过程分解，确定机组过机水力能量转化构成，为水能利用的定量评估提供依据；

步骤三：建立过机水能转化的各部分能量的计算模型，进行能量的实时计算；

步骤四：基于实时计算结果，统计计算特定时段的机组过机水能转化的各部分能量，进行机组水能利用转化的定量评价。

作为优选，本发明所述步骤一中，所述运行状态包括：发电态、空载态、空转态、停机态、调相态和不定态，水能利用量化评估只考虑发电态和停机态。

作为优选，本发明所述步骤一中，所述实时运行数据包括：机组有功功率、机组累计发电量、上游水位、下游水位、过机流量、蜗壳进口压力和尾水管出口压力。

作为优选，本发明所述步骤二中，所述能量转化构成如下：

当机组处于发电态时，机组过机水能转化为引水损失能量、固有损失能量、性能损失能量和实际发电量；

当机组处于停机态时，机组过机水能转化为导叶漏水损失能量。

作为优选，本发明所述步骤三中，所述计算模型包括如下步骤：

判断机组的运行状态；

根据机组的运行状态，计算机组过机水能及转化能量；

计算以1分钟为计算周期，计算周期时段内采用积分方式计算。

作为优选，本发明所述步骤四中，所述特定时段包括：小时、日、月、年。

作为优选，本发明所述步骤四中，所述定量评价的内容为统计计算时段的机组水能利用率指标。

作为优选，本发明所述步骤二中，机组的过机水能为时段内输入机组的理论总水能，计算见式(1)，

式中：

Esn：过机水能，单位：kW·h；

ρ：水密度，单位：kg/m³；

g：重力加速度，单位：m/s²；

Hg：机组发电毛水头，单位：m，为电站上下游水位差；

Qgj：机组过机流量，单位：m³/s，为机组超声波流量计测值；

t0：计算时段的起始时间；

t1：计算时段的终止时间；

当机组处于发电态时，机组的过机水能分解为引水损失能量、固有损失能量、性能损失能量和实际发电量；

机组发电量为时段内机组输出的电能量，计算见式(2)，

式中：

Esn：机组发电量，单位：kW·h；

Pdq：机组有功功率，单位：kW；

机组性能损失能量为时段内机组由于自身性能下降，效率偏离设计效率所导致的能量损失，计算见式(3)，

式中：

Exs：性能损失能量，单位：kW·h；

H：机组发电工作水头，单位：m，由蜗壳进口压力、尾水管出口压力及蜗壳进口断面流速计算所得；

ηsl-sh：水轮机实际效率，单位：％；

ηsl-sj：水轮机设计效率，单位：％，由机组当前运行水头、负荷以及水轮机设计运转特性曲线确定；

ηfd：发电机实际效率，单位：％，由机组当前运行水头、负荷以及发电机设计效率曲线确定；

Qfd：机组发电流量，单位：m³/s，当机组为运行态时，等于机组过机流量，当机组为非运行态时，等于0；

机组固有损失能量为时段内由于机组本身设计效率达不到100％所导致的能量损失，计算见式(4)，

式中：

Esn：机组固有损失能量，单位：kW·h；

机组引水损失能量为时段内由于引水流道导致的水头损失引起的能量损失，计算见式(5)，

式中：

Eys：机组引水损失能量，单位：kW·h；

ΔH：机组发电水头损失，单位：m，为毛水头和工作水头之差；

当机组处于停机态时，机组的过机水能为导叶漏水损失能量；

机组导叶漏水损失能量为时段内由于导叶漏水导致的能量损失，计算见式(6)，

式中：

Edl：机组导叶漏水损失能量，单位：kW·h；

Qdl：机组导叶漏水流量，单位：m³/s；当机组为停机态时，等于机组过机流量，当机组为非停机态时，等于0。

作为优选，本发明采用计算机监控系统实现水轮发电机组的运行状态和运行数据的采集、处理，将数据信息发送给水轮发电机组水能利用评价系统；水调自动化系统实现电站上下游水位的水文信息的采集、处理，将数据信息发送给水轮发电机组水能利用评价系统；水轮发电机组水能利用评价系统通过获取的信息，实时计算机组能量流和水能利用率，并定期将计算结果统计为日评价、周评价、月评价、年评价结果；水轮发电机组水能利用评价系统将定期评价结果发送给水电诊断系统、检修管理系统、自动发电系统以及区域级应用系统，以提供依据和参考数据；自动发电控制系统支持电站机组负荷分配的在线调整，实现对水轮发电机组的闭环控制，系统通过获取的机组能效评价结果，定期调整负荷分配策略。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明以水电厂计算机监控系统和水调自动化系统为基础，实时获取机组运行数据，通过建立机组各状态下的能量流计算模型，实现机组能效性能的即时和事后的全过程量化评估分析，为水电站调度计划制作、机组实时运行控制、检修维护计划安排等提供依据和参考数据，指导电站生产运行工作，提升电站运行的安全性和经济性。

附图说明

图1是本发明实施例中水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法的系统结构示意图。

图2是本发明实施例中水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图2，本实施例中的计算机监控系统实现水轮发电机组的运行状态和运行数据的采集、处理，将数据信息发送给水轮发电机组水能利用评价系统。水调自动化系统实现电站上下游水位等水文信息的采集、处理，将数据信息发送给水轮发电机组水能利用评价系统。水轮发电机组水能利用评价系统通过获取的信息，实时计算机组能量流和水能利用率，并定期将计算结果统计为日评价、周评价、月评价、年评价结果。水轮发电机组水能利用评价系统将定期评价结果发送给水电诊断系统、检修管理系统、自动发电系统以及区域级应用系统，为其他相关系统提供依据和参考数据。自动发电控制系统主要支持电站机组负荷分配的在线调整，实现对水轮发电机组的闭环控制，系统通过获取的机组能效评价结果，定期调整负荷分配策略。

本实施例中的水轮发电机组水能利用评价的全过程量化评估方法包括如下步骤：

步骤一：取水电站计算机监控系统、水调自动化系统、机组超声波流量计的实测数据，获取水轮发电机组的运行状态以及实时运行数据，为评价提供基础信息。

运行状态包含：发电态、空载态、空转态、停机态、调相态、不定态，水能利用量化评估只考虑发电态和停机态。

实时运行数据包含：机组有功功率、机组累计发电量、上游水位、下游水位、过机流量、蜗壳进口压力、尾水管出口压力。

步骤二：基于机组的运行状态，进行过机水能到电能的转化过程分解，确定机组过机水力能量转化构成，为水能利用的定量评估提供依据。

机组过机水能为时段内输入机组的理论总水能，计算见式(1)，

式中：

Esn：过机水能，单位：kW·h；

ρ：水密度，单位：kg/m³；

g：重力加速度，单位：m/s²；

Hg：机组发电毛水头，单位：m，为电站上下游水位差；

Qgj：机组过机流量，单位：m³/s，为机组超声波流量计测值；

t0：计算时段的起始时间；

t1：计算时段的终止时间；

当机组处于发电态，机组过机水能分解为引水损失能量、固有损失能量、性能损失能量、实际发电量；

机组发电量为时段内机组输出的电能量，计算见式(2)，

式中：

Esn：机组发电量，单位：kW·h；

Pdq：机组有功功率，单位：kW；

机组性能损失能量为时段内机组由于自身性能下降，效率偏离设计效率所导致的能量损失，计算见式(3)，

式中：

Exs：性能损失能量，单位：kW·h；

H：机组发电工作水头，单位：m，由蜗壳进口压力、尾水管出口压力及蜗壳进口断面流速等计算所得；

ηsl-sh：水轮机实际效率，单位：％；

ηsl-sj：水轮机设计效率，单位：％，由机组当前运行水头、负荷以及水轮机设计运转特性曲线确定；

ηfd：发电机实际效率，单位：％，由机组当前运行水头、负荷以及发电机设计效率曲线确定；

Qfd：机组发电流量，单位：m³/s，当机组为运行态，等于机组过机流量，当机组为其他状态，等于0；

机组固有损失能量为时段内由于机组本身设计效率达不到100％所导致的能量损失，计算见式(4)，

式中：

Esn：机组固有损失能量，单位：kW·h；

机组引水损失能量为时段内由于引水流道导致的水头损失引起的能量损失，计算见式(5)，

式中：

Eys：机组引水损失能量，单位：kW·h；

ΔH：机组发电水头损失，单位：m，为毛水头和工作水头之差；

当机组处于停机态，机组过机水能为导叶漏水损失能量；

机组导叶漏水损失能量为时段内由于导叶漏水导致的能量损失，计算见式(6)，

式中：

Edl：机组导叶漏水损失能量，单位：kW·h；

Qdl：机组导叶漏水流量，单位：m³/s；当机组为停机态，等于机组过机流量，当机组为其他状态，等于0。

步骤三：建立过机水能转化的各部分能量的计算模型，进行能量的实时计算。计算模型包括如下步骤：

判断机组的运行状态；

根据机组运行状态，计算机组过机水能及转化能量；

计算以1分钟为计算周期，计算周期时段内采用积分方式计算。

步骤四：基于实时计算结果，统计计算特定时段的机组过机水能转化的各部分能量，进行机组水能利用转化的定量评价。

特定时段包括：小时、日、月、年。

评价内容为统计计算时段的机组水能利用率指标。

机组水能利用率为机组实际发电量与机组过机水能的比值。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。