专利名称：带一水轮机和一发电机的机组效率的优化方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1的上位概念的带一水轮机和一发电机的机组的效率的优化方法。其中涉及所谓的双调节水轮机。这意味着，通过同时调节导向轮开口△r和工作轮开口φ来优化效率。显然，这里所指的效率是电动机给出的电功率与输入的流体功率之比。电动机端子输出的电功率可比较简单地测得。相反，要测得输入的流体功率(特别在大装置中)却很昂贵，因为任何一种方式的流量都必须测量。
这种方法早已公开，例如专业杂志《供水设施》(DieWasserwirtschaft)1954第4期第104页至105页，文章题目是《将卡普兰水轮机调节到最佳效率的简化方法》(VereinfachtesVerfahrenZumEinstellenderKaplanturbinenaufbestenWirkungsgrad).
实际上，人们在生产大尺寸水轮机之前，先建造模型机，从模型机得到最佳效率曲线。出于这个目的，首先对于不同的落差给模型机设置一条最佳效率曲线。如下文所述，在一个并相同落差时保持工作轮开口φ不变，使导向轮开口△r变化。由此，得到多条φ不变的陡起的曲线。同时也得到效率值。这就产生了这样之结果，即在工作轮开口φ一定时，可得到效率达到最大值时的导向轮开口△r。这个结果就是所谓的以落差为参数的最佳△r-φ关系，此关系以相对工作轮开口的最佳导向轮开口的曲线簇的形式出现。落差参数是在水轮机调节器中调节水轮机开口的基础。
然而实际上模型机的特性与大尺寸机特性之间存在差异。因此，在大尺寸时，先考虑匹配问题。虽然人们以模型机的曲线为出发点，但在大尺寸时借助所谓指标测量进行优化。这是烦锁、耗时和昂贵的，因为不可避免地要作流量测量。
本发明的任务在于使上面所述的在模型机上获得的曲线(最佳△r-φ关系)的优化能够快捷地，简单地和花费不多地(与所用方法相比)实行。
此任务通过权利要求1的特征来完成。
本发明给出一个△r-φ关系自优化模型，此模型使水轮机在每种工况下在最佳效率时给出尽可能大的功率。
此模型基于这样一个基本观点，即导向轮开口和工作轮开口变化如此之长，直到找到功率最大值以及与此对应的最大效率为止。工作轮开口和导向轮开口这样处置，即在流量的搜寻运动期间流体输入功率实际不变。出于这个目的，考虑由水轮机特性曲线簇得到的特性参数，此特性参数主要依赖于叶片的几何形状，因而模型机与大尺寸机之间不存在差别或差别不明显。
也就是说，在模型机上在给定落差H时可以找到导向轮开口△r与工作轮开口φ的一种配合f，使得流量Q不变，或者H为常数Q为常数△r＝f(φ)。
因为这种配合f主要由水轮机的叶片几何形状确定，所以在从模型机变换到大尺寸机时，它具有较高的精确性。正如已知的那样，这个结果对效率优化曲线从模型机向大尺寸机的变换不适用。
因此也展现了这种可能性，即在给定落差H时，工作轮开口φ和导向轮开口△r按函数△r＝f(φ)协调变化，此时流量Q保持不变，输入功率也保持不变。
如果在△r和φ的调节变化时仅仅使容易并精确测量的发电机输出功率变化的话，水轮机效率的改变也以相同的符号与此相应。因此，不必测量大尺寸机的流量Q，而以这种方式逐渐靠近大尺寸机最佳效率也是可能的。
为了实现本发明，人们以在模型机上制得的优化曲线(即用工作轮开口φ标记的导向轮开口△r对流量的优化曲线)为出发点。在工作轮φ变化情况下，从第一点开始在上述曲线上顺着运行一定距离到第二点。现在离开导向轮开口△r的优化曲线，保持那里给定的工作轮开口φ(尽管要很长)直到延伸至第三点，在第三点流量又重新具有第一点的值。
第二点仅仅是为了方便第三点计算而采取辅助计算措施。机器的工作点直接从第一点向第三点变化。最终比较电功率是否通过水轮机开口的变化而变大。如果是，工作轮开口向这个方向变大。以上述的方法得到一个新的工作点。如果不是，工作轮开口相应变小。在经过数量不多的搜索点之后，对于每个流量每个落差可得到导向轮开口与工作轮开口的最佳组合。
因而人们省去了费力的、昂贵的和不总是精确的流量测量。所有必需的测量装置都是现有的，不必采取更多附加的预防措施。电功率同样地给出。因此本发明的解决方案是非常有价值的。
上述方法的特殊优点在于在工作轮开口φ不变时，曲线形导向轮开口△r本身的关于流量Q的较大移动，对搜索系统的功能没有丝毫影响。前提只有一个曲线的斜度是完全已知的。
优化模型还考虑下述的一些其它问题△r/Q的校正不允许频繁进行，并且不允许以大摆幅工作，以便保持设备低噪音和避免调节装置的过早损坏。
为此，采取了几种预防措施。
搜寻系统不是经常活动的，一旦对于一个工作点找到最佳值，系统就一直保持静止，直到机器位于一个新的工作点。
对于预先调节过的△r/Q关系的校正，只记录在较粗栅格上的点(这些点之间是光滑的)就足够了。
当知道足够的日期后，使用者可以自己确定时间点。缺少的测量点用内插法补充。
在△r/Q运动时，必需的跃变可以保持很小，以至在设备的通常运行中几乎辨别不出。此外，通过流量中立的搜索运动，怎么也不会改变设备的流入及流出。
选择是预先安排好的，即系统可判断一个工作点是否已最佳化了。这就是说，储存的校正值被自动校准，并中止再次搜索找到和修正必要工作点的搜索过程称之为优化阶段。
继续的优化阶段可以采用手动，也可以采用自动。在自动方式中，时间段(在此时间段内引入各优化阶段)可编程(例如一年)。
此外，优化模型还可检查有目的的可选择的工作点的优化，这里水轮机在一个确定的工作点运动，模型通过一个一次性运算计算机(singleshot)实行修正储存。
通过多年记录机器状态变化，优化模型为一个设置有特别适合于具有诊断功能的部件。
当然，不同实施形式的发电机可以找到不同用途，例如可作为同步机。
在模型机实验中获得的△r/Q优化关系没有考虑发电机效率。这意味着存在一个误差，但这个误差是可忽略的。
相反，按照本发明实施上面提到的搜索过程，则考虑发电机效率。
首先，
图1给出了两条曲线。
曲线Ⅰ表现了优化的导向轮开口△r随流量Q的变化过程。可以看到，曲线Ⅰ被曲线Ⅰ′切断。这些曲线(Ⅰ′)是在不同导向轮开口△r而工作轮开口φ不变时的曲线。
对于这些曲线Ⅰ′可以查出效率。因此，产生所谓螺旋浆曲线Ⅱ′。这些螺旋浆曲线的最大值位于曲线Ⅱ上，曲线Ⅱ描绘了最大效率的变化。工作轮开口和导向轮开口的最佳组合属于效率最大值范围。
作为图1的测量结果，图2展示了由三条曲线组成的一簇曲线。这三条曲线最佳组合，并且每条对应一个确定的落差。
图3再次展示了带有多条切断曲线Ⅰ′的曲线Ⅰ(见图1)。这里，清楚更清楚地展现了导向轮开口△r与工作轮开口φ流量中立的共同变化。
图中可以看出①、②、③三个点。点①表示输出状态，有确定的导向轮开口△r，确定的工作轮开口φ和确定的流量Q，见图中的表。
然后，通过工作轮开口φ在模型机优化曲线Ⅰ上变化找到所述的第二点，在这点上有第二个导向轮开口△r和第二个工作轮开口φ以及第二个流量。
最后，离开模型机优化曲线Ⅰ，并且在保持第二个工作轮开口φ的情况下，使第二个导向轮开口△r变化，得到上述的第三点。第三点有与第一点一样的流量。
图4是本发明模型的方框图。可以看到，优化模型将工作轮开口φ和导向轮开口△r的有关变化值dφ和d△r加到由调节器上的值上。
权利要求
1.带一水轮机和一发电机的机组的效率的优化方法，其中，1.1至少通过一系列试验在模型机上确定效率η、流量Q、变化的落差H、导向轮开口Δr和工作轮开口φ之间的关系，由此，对于每个落差给出模型机优化曲线，从而给出作为流量和工作轮开口的函数的最佳导向轮开口；1.2然后找到一个大尺寸机工作点的最佳效率；其特征在于1.2.1从模型机优化曲线出发，大尺寸机的导向轮开口Δr和工作轮开口φ变化，前提是模型机流量及大尺寸机流量不变；1.2.2通过比较变化前后发出的功率逐渐确定具有最佳效率的Δr/φ工作点。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于适合于大尺寸机的实际的优化关系，对于各种落差和流量通过重复步骤1.2.1和1.2.2确定。
3.按照权利要求1和2的方法，其特征在于3.1在模型机优化曲线上选出第一点，此点导向轮开口为△r(1)，工作轮开口为φ(1)和流量为Q(1);3.2然后通过工作轮开口φ在模型机优化曲线上的变化计算得到第二点，此点具有第二工作轮开口φ(2)、第二导向轮开口△r(2)和流量Q(2);3.3最后，再次计算，通过离开模型机优化曲线得到第三点，并且一直保持第二工作轮开口φ(2)不变，而导向轮开口△r改变，直到再次回到与模型机的测量值有关的第一流量Q(1)为止;3.4通过在大尺寸机上的直接调节行动而调节上述工作轮开口φ和导向轮开口△r。
4.按照权利要求1至3之一的方法，其特征在于最佳工作点已经标明，在同样边界条件下，机组进行先期优化而直接进入优化调节。
全文摘要
带水轮机和发电机的机组效率优化方法，至少通过一系列试验在模型上确定效率η、流量Q、变化的落差H、导向轮开口Δγ和工作轮开口Φ间关系，给出每一落差模型机优化曲线及开口函数的最佳导向轮开口，从优化曲线出发，在模型机流量及大尺寸机流量不变时变化大尺寸机的所述开口Δγ和Φ，通过比较变化前后发出的功率逐渐确定大尺寸机具有最佳效率的Δγ/Φ工作点。
文档编号F03B15/04GK1092847SQ9310905
公开日1994年9月28日 申请日期1993年6月22日 优先权日1992年6月23日
发明者埃伯尔哈德·考普夫 申请人:J·M·伏西公司