一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法及系统与流程

本发明涉及水利发电技术领域，特别涉及一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法及系统。

背景技术：

抽水蓄能机组包括抽水和发电两个工况，因此水流在尾水管的流向有两个方向。抽水蓄能机组水泵水轮机流量一般通过压差式流量计采集尾水管进、出口差压换算而成。

现有的采用压差式流量计测量流量的缺点在于，压差式流量计内部的孔板前后只要有压力，则流量计就会有流量显示，不能获知抽水蓄能机组是在停机状态下还是在运行中，获知得到的流量，不能根据机组的运行工况输出相应的流量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，能准确得到抽水工况和发电工况下的水泵水轮机的流量。

本发明还提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，包括抽水工况流量测定方法和发电工况流量测定方法；所述抽水工况流量测定方法具体为：通过尾水管的进水口、出水口压差进行流量计算，尾水管的出水口为前端，尾水管的进水口为后端；所述发电工况流量测定方法具体为：通过高压钢管岔管、主进水阀前的压差进行流量计算，高压钢管岔管处作为前端，主进水阀前钢管作为后端。

可选地，所述抽水工况流量测定方法具体包括：采集尾水管进水口压力和尾水管出水口压力，得到二者的压差值；判断抽水蓄能机组是否处于抽水工况；在抽水蓄能机组处于抽水工况时，则输出抽水工况下的流量q1，其中k1为经验参数，δp1为尾水管的进水口、出水口的压差值。

可选地，抽水蓄能机组在抽水工况时，调速器导叶在全关位置，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组抽水方向换相隔离开关合闸。

可选地，所述发电工况流量测定方法具体包括：采集高压钢管岔管压力和主进水阀前的压力，得到二者的压差值；判断水泵水轮机是否处于发电工况；在抽水蓄能机组处于发电工况时，则输出流量q2，其中k2为经验参数，δp2为高压钢管岔管、主进水阀前的压差值。

可选地，抽水蓄能机组在发电工况时，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组发电方向换相隔离开关合闸。

可选地，包括：工况判断模块，用于判断抽水蓄能机组的工况；抽水工况压差模块，用于获得尾水管的进水口、出水口的压差数值；发电工况压差模块，用于获得高压钢管岔管、主进水阀前的压差数值；选择模块，用于根据工况，选择相应工况下的压差数值；运算模块，用于根据所述选择模块选择的压差数值进行计算，获得相应工况下的水泵水轮机的流量。

可选地，所述抽水工况压差模块包括：第一压力采集模块，用于采集尾水管进水口压力和尾水管出水口压力；第一求差模块，用于计算尾水管进水口压力和尾水管出水口压力的压差值；第一取绝对值模块，用于计算所述压差值的绝对值。

可选地，所述发电工况压差模块包括：第二压力采集模块，用于采集高压钢管岔管压力和主进水阀前的压力；第二求差模块，用于计算高压钢管岔管压力和主进水阀前的压力的压差值；第二取绝对值模块，用于计算所述压差值的绝对值。

可选地，所述工况判断模块包括：调速器导叶全关判断单元，用于判断调速器导叶是否全关；主进水阀全开判断单元，用于判断主进水阀是否全开；机组出口gcb开合判断单元，用于判断机组出口gcb是否合闸；机组抽水方向换相隔离开关判断单元，用于判断机组抽水方向换相隔离开关的开合；机组发电方向换相隔离开关判断单元，用于判断机组发电方向换相隔离开关的开合。

可选地，还包括显示装置，所述显示装置用于显示所述运算模块得到的流量值。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，在机组发电工况下，水流方向从上而下，选取机组的主进水阀前的钢管截面作为压差流量计的孔板，计算所需压力值选取高压钢管岔管处与主进水阀前的压力值。在抽水工况下，水流方向从下而上，选取机组尾水的一个截面作为孔板，计算所需压力值选取尾水管进水口与尾水管出水口处的压力值。根据机组的运行工况，输出相应的流量值。本发明的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，抽水工况和发电工况的流量通过采集不同位置的压力差值进行流量计算，使得两种工况下的压力采集位置更好地契合流量计算的结构要求，抽水工况下，压力检测位置的水流从管径粗的位置流向管径细的位置，发电工况下，压力检测位置的水流也从管径粗的位置流向管径细的位置，从而使得流量的测定数据更准确。同时，由于流量的测定在不同的工况下压力差的采集位置不同，判断机组的运行工况后，输出相应工况下的流量值，即能根据机组的运行工况输出相应的流量，在停机工况下无流量显示，显示流量更准确。本发明还提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法的计算逻辑示意图；

图2为本发明实施例提供的抽水工况时压力差管径的选取示意图；

图3为本发明实施例提供的发电工况时压力差管径的选取示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，能准确得到抽水工况和发电工况下的水泵水轮机的流量。

本发明还提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定系统。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，包括抽水工况流量测定方法和发电工况流量测定方法，所述抽水工况流量测定方法用于在抽水工况下，测量水泵水轮机的流量。所述发电工况流量测定方法用于在发电工况下，测量水泵水轮机的流量。

其中，所述抽水工况流量测定方法具体为：通过尾水管的进水口、出水口的压差进行流量计算，尾水管的出水口为前端，尾水管的进水口为后端。所述发电工况流量测定方法具体为：通过高压钢管岔管、主进水阀前的压差进行流量计算，高压钢管岔管处作为前端，主进水阀前钢管作为后端。抽水蓄能机组的主进水阀是指安装于水泵水轮机蜗壳与引水系统压力管道之间的阀门，主要用于将水泵水轮机与压力管道隔开和在紧急情况下切断压力管道内的水流。机组停机状态时，主进水阀关闭以减少机组漏水量。机组检修时，关闭主进水阀可靠隔断上游压力水源，保障检修安全。抽水蓄能机组的高压管道包括高压钢管主管、高压钢管岔管和高压钢管支管，所述高压钢管支管进入厂房。高压钢管岔管是抽水蓄能电站上/下水库与发电机组连接的必需结构，高压钢管支管交接处形成高压钢管岔管。

本发明提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，在机组发电工况下，水流方向从上而下，选取机组的主进水阀前的钢管截面作为压差流量计的孔板，计算所需压力值选取高压钢管岔管处与主进水阀前的压力值。在抽水工况下，水流方向从下而上，选取机组尾水的一个截面作为孔板，计算所需压力值选取尾水管进水口与尾水管出水口处的压力值。根据机组的运行工况，输出相应的流量值。本发明的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，抽水工况和发电工况的流量通过采集不同位置的压力差值进行流量计算，使得两种工况下的压力采集位置更好地契合流量计算的结构要求，抽水工况下，压力检测位置的水流从管径粗的位置流向管径细的位置，发电工况下，压力检测位置的水流也从管径粗的位置流向管径细的位置，从而使得流量的测定数据更准确。同时，由于流量的测定在不同的工况下压力差的采集位置不同，判断机组的运行工况后，输出相应工况下的流量值，即能根据机组的运行工况输出相应的流量，在停机工况下无流量显示，显示流量更准确。

具体的，所述抽水工况流量测定方法具体包括：采集尾水管进水口压力和尾水管出水口压力，得到二者的压差值；判断抽水蓄能机组是否处于抽水工况；在抽水蓄能机组处于抽水工况时，则输出抽水工况下的流量q1，其中k1为经验参数，δp1为尾水管的进水口、出水口的压差值。尾水管进水口压力和尾水管出水口压力的检测均通过传感器检测。抽水蓄能机组在抽水工况时，调速器导叶在全关位置，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组抽水方向换相隔离开关合闸，此处各个阀门或者闸门及调速器导叶的开闭均通过相应的传感器或行程开关检测。传感器或者行程开关的连接方式为本领域技术人员常用的方式，此处不再赘述。

进一步的，所述发电工况流量测定方法具体包括：采集高压钢管岔管压力和主进水阀前的压力，得到二者的压差值；判断水泵水轮机是否处于发电工况；在抽水蓄能机组处于发电工况时，则输出流量q2，其中k2为经验参数，δp2为高压钢管岔管、主进水阀前的压差值。抽水蓄能机组在发电工况时，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组发电方向换相隔离开关合闸，此处各个阀门或者闸门及调速器导叶的开闭均通过相应的传感器或行程开关检测，传感器或者行程开关的连接方式为本领域技术人员常用的方式，此处不再赘述。

现有技术中，流量的计算公式为：

q：流量，单位m³/s；

c：流出系数，无量纲，一般取0.6；

d：尾水管进口内径d，单位mm；

β：尾水管进口内径d与尾水管锥段末尾内径d(出水口)的比值；

ε：水的可膨胀系数，无量纲，取0.000208；

δp：尾水管出口与尾水管进口的压力差，单位pa；

ρ：水的密度，1000kg/m³。

令则

本发明的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，在抽水工况时，k1的计算公式中，d1为尾水管进口内径，β1为尾水管进口内径d1与尾水管锥段末尾内径d1(出水口)的比值，如图2所示。发电工况时，k2的计算公式中，d2为主进水阀前的内径，β2主进水阀前的内径d2与主进水阀前锥段末尾(高压钢管岔管)内径d2的比值，如图3所示，图3中的主进水阀17前端的直径为d2。

本发明的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法，使得无论在抽水工况还是发电工况下，计算流量的压差采集位置的水流均为从粗径管路到细径管路处，从而使抽水蓄能机组的流道更契合理想的模型。为了测量流量的准确性，当机组运行在抽水方向时，水流方向自下而上，如图2所示，选取抽水蓄能电站机组尾水管(管径5000mm)出水口为前端，尾水管进水口(管径2580mm)作为后端，选取其两处压力，此时由于管径变小，液体在流道中受到压缩，从而压力发生变化，由此可计算出水泵水轮机抽水时的流量。当进组运行在发电方向时，水流自上而下，选取抽水蓄能电站机组高压钢管岔管(管径3200mm)处作为前端，选取主进水阀前钢管(管径2000mm)作为后端，如图3所示，选取其两处压力，此时同样由于管径变小，液体受到压缩从而压力发生变化，由此计算出水泵水轮机发电时的流量。

本发明还提供了一种抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定系统，包括工况判断模块、抽水工况压差模块、发电工况压差模块、选择模块和运算模块。所述选择模块包括第一选择模块4和第二选择模块11，用于根据工况，选择相应工况下的压差数值进行后续计算。所述运算模块包括抽水工况运算模块和发电工况运算模块。所述抽水工况运算模块包括第一开根号模块5和第一乘法模块6，第一乘法模块6的数值与抽水状态参数k1相乘得到第一流量值q1。所述发电工况运算模块包括第二开根号模块10和第二乘法模块9。第二乘法模块9的数值与发电状态参数k2相乘得到第二流量值q2。q1和q2通过加法模块7进行求和计算，得到水泵水轮机的流量，流量值输出到显示装置8，显示装置8用于显示流量值，显示装置8为显示器。

所述工况判断模块用于判断抽水蓄能机组的工况，包括抽水工况和发电工况。所述抽水工况压差模块用于获得尾水管的进水口、出水口的压差数值。所述发电工况压差模块用于获得高压钢管岔管、主进水阀17前的压差数值。

所述抽水工况压差模块包括第一压力采集模块、第一求差模块2和第一取绝对值模块3。所述第一压力采集模块包括尾水管进水口压力采集模块1和尾水管出水口压力采集模块16，尾水管进水口压力采集模块1包括第一压力传感器，所述第一压力传感器用于采集尾水管进口压力值，尾水管出水口压力采集模块16包括第二压力传感器，所述第二压力传感器用于采集尾水管出口压力值，以上两个压力值通过第一求差模块2求差后，此差值通过第一取绝对值模块3后，将数值输入到第一选择模块4，同时，所述工况判断模块的判断结果输出到第一选择模块4。

所述发电工况压差模块包括、第二压力采集模块、第二求差模块13和第二取绝对值模块12。所述第二压力采集模块包括高压钢管岔管压力采集模块14和主进水阀前压力采集模块15，高压钢管岔管压力采集模块14包括第三压力传感器，所述第三压力传感器用于采集高压钢管岔管处的压力，主进水阀前压力采集模块15包括第四压力传感器，所述第四压力传感器用于采集主进水阀前的压力，以上两个压力值通过第二求差模块13求差后，此差值通过第二取绝对值模块12取绝对值后，输入到第二选择模块11。同时，所述工况判断模块的判断结果输出到第二选择模块11。

在抽水工况时，第一选择模块4选择in1，第二选择模块11选择in0。此时in1通过采集尾水管进、出口压力值，分别经过第一求差模块2、第一取绝对值模块3、第一选择模块4和第一开根号模块5，最终与抽水状态参数k1相乘计算出机组流量。k1参数是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，根据节流原理，当流体流经节流件时，在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。

在发电工况时，第一选择模块4选择in0，第二选择模块11选择in1，此时in1通过采集高压钢管岔管处压力与主进水阀17上游密封压力，分别经过第二求差模块13、第二取绝对值模块12、第二选择模块11和第二开根号模块10，最终与发电状态参数k2相乘计算出机组流量。

在机组非发电与非抽水工况时，第一选择模块4和第二选择模块11都选择in0通道，in0通道都为0，因此机组流量也为0。

具体的，所述工况判断模块包括调速器导叶全关判断单元、主进水阀全开判断单元、机组出口gcb开合判断单元、机组抽水方向换相隔离开关判断单元和机组发电方向换相隔离开关判断单元。所述主进水阀全开判断单元通过第一开度传感器对主进水阀17的开关状况进行监测，监测结果传输给控制器。所述机组出口gcb开合判断单元通过第二开度传感器对机组出口gcb开合进行监测，监测结果传输给控制器。所述调速器导叶全关判断单元通过第三开度传感器对调速器导叶的开度进行监测，监测结果传输给控制器。所述机组抽水方向换相隔离开关判断单元通过第四开度传感器对机组抽水方向换相隔离开关进行监测，监测结果传输给控制器。所述机组发电方向换相隔离开关判断单元通过第五开度传感器对机组发电方向换相隔离开关进行监测，监测结果传输给控制器。所述调速器导叶全关判断单元用于判断调速器导叶是否全关。所述主进水阀全开判断单元用于判断主进水阀是否全开。所述机组出口gcb开合判断单元用于判断机组出口gcb是否合闸。所述机组抽水方向换相隔离开关判断单元用于判断机组抽水方向换相隔离开关的开合。所述机组发电方向换相隔离开关判断单元用于判断机组发电方向换相隔离开关的开合。上述各个传感器的连接方式为本领域技术人员常用的连接方式，此处不再赘述。

发电状态时，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组发电方向换相隔离开关合闸，有功功率大于10mw。抽水状态时，机组调速器导叶在全关位置，机组主进水阀全开，机组出口gcb合闸，机组抽水方向换相隔离开关合闸。以上两种工况，机组水轮机转速均>95％。

本发明的抽水蓄能机组水泵水轮机流量测定方法及系统，在机组运行时有流量显示，在停机工况下无流量显示，显示流量更准确，更符合抽水蓄能机组水泵水轮机流量的特点，便于在机组运行过程中监测流量。

在本方案的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“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设备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方案的限制。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本方案的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。