一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器的制作方法

本发明属于水力发电技术领域，特别是涉及一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器。

背景技术：

我国低水头水力资源十分丰富，该资源一般处于江河中下游的经济发达地区。近些年，这些地区经济发展迅速，用电需求增速飞快。但是这些地区一般都是能源紧张地区，可开发的中、高水头水力资源早在20世纪90年代以前就已开发完毕。为了满足该地区经济迅速发展的需要，人们又转而开发低水头资源。贯流式水电站是开发低水头水力资源最好的方式，一般应用于25m水头以下。它与中、高水头电站、低水头立式轴流电站相比，具有流道简单、过流通道的水力损失小、机组结构紧凑、建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少等优点。

但是，贯流式水轮发电机组结构复杂、体型庞大、机械效率偏低，统计资料表明：贯流式水轮机转轮出口水流的动能约占总水头的45％以上，最大可达90％。虽然有尾水管回收这部分动能，但是由于尾水管的水力设计以及考虑实际工程的开挖量问题，其回收能量的能力还是非常有限的。

中国专利申请201510760877.5公开了“一种水轮机调节系统控制参数的优选方法”，该方法采用一种新型启发式优化算法优化目标函数，能搜索到更优的目标函数值，得到的解代表更优的pid控制参数，使水轮机调节系统频率偏差更小，调节速度更快，系统响应曲线更加光滑，系统调节品质更高。但该方法仅适用于单一水轮机的情况，无法适用多台水轮机及水轮机之间相互影响时的情况，因此不能充分发挥系统的最大性能。

如何克服现有技术的不足已成为当今水力发电技术领域中亟待解决的重要难题之一。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器，本发明通过尾水流状态控制器来分别控制贯流式水轮发电机组、尾水流增流装置和垂直轴水轮机，从而保证了垂直轴水轮机能够充分利用贯流式水轮发电机组排出，经尾水流增流装置增流的尾水能量，在提高水能利用率的同时又能够使外部发电机能够输出品质优良的电能。

根据本发明提出的一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器，其特征在于，包括增流式智能水轮机系统的被控制组件和尾水流状态控制器的内部组件；所述被控制组件包括贯流式水轮发电机组转轮叶片、垂直轴水轮机叶片和尾水流增流装置，所述内部组件包括功率控制器、信号处理器、液压控制器和执行机构，所述执行机构包括推盘和转动杆；所述贯流式水轮发电机组轮毂和垂直轴水轮机主轴内分别设置执行机构，所述推盘通过转动杆分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片及垂直轴水轮机叶片连接，所述转动杆绕贯流式水轮发电机组转轮叶片及垂直轴水轮机叶片的中心转动，所述液压控制器活塞杆与推盘连接，所述尾水流增流装置中的受力感应板受信号处理器的控制信号控制；所述尾水流状态控制器分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片的叶片角度β2的大小以及尾水流增流装置中感应驱动杆的移动距离x的大小，且所得偏差δβ1、δβ2和δx能够对结果进行校正，从而实现增流式智能水轮机系统的动态调整；增流式智能水轮机系统的输出功率p与贯流式水轮发电机组转轮叶片的叶片角度β1、垂直轴水轮机叶片的叶片角度β2和感应驱动杆的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m³、q为水流进入增流式智能水轮机系统的流量；增流式智能水轮机系统的控制参数如表1所示：

表1

本发明的实现原理是：在所述增流式智能水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器根据两个水轮机流量的大小，通过功率控制器计算出实时的最佳叶片角度，与实时的贯流式水轮发电机组叶片角度β1和垂直轴水轮机叶片角度β2比较，所得偏差δβ1和δβ2经pi校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器；液压控制器通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆进行运动，进而带动执行机构的推盘运动，通过转动杆最终对贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机的叶片角度进行调节，使贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机在不同流量下均可以保持最高效率，从而保证整个增流式智能水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。

本发明与现有技术相比其显著优点是：

第一，本发明提出的尾水流状态控制器既能够调节控制尾水流增流装置的增流效果，又能够根据流量的不同，动态调整贯流式水轮发电机组和垂直轴水轮机的叶片角度，保证它们的效率始终最高，从而使增流式智能水轮机系统在不同工况下的水流能利用率最高、输出功率最大。

第二，本发明提出的尾水流状态控制器，运行稳定性好，可靠性高，可作为现有技术的升级换代产品，同时在现有基础上更新换代所需要的投资少，收效快，具有很好的实际可操作性。

附图说明

图1是本发明提出的增流式智能水轮机系统的整体结构示意图。

图2是本发明提出的尾水流状态控制器的工作原理方框流程示意图。

图3是本发明提出的液压控制器与执行机构的连接位置示意图。

图4是本发明提出的尾水流增流装置处于全关闭状态时的结构示意图。

图5是本发明提出的尾水流增流装置处于半开启状态时的结构示意图。

图6是本发明提出的尾水流增流装置处于全开启状态时的结构示意图。

附图中的编号说明：贯流式水轮发电机组1、贯流式水轮发电机组转轮叶片2、轮毂3、尾水流状态控制器4、尾水流增流装置5、垂直轴水轮机叶片6、垂直轴水轮机主轴7、垂直轴水轮机8、受力感应板9、感应驱动杆10、齿轮11、齿条12、上活动连杆13、下活动连杆14、上控流板15、下控流板16、增流平衡弹簧17、上轨道18、下轨道19、上滑轮20、下滑轮21、转动杆22、推盘23、液压控制器活塞杆24、液压控制器25。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

结合图1，本发明提出的一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器，包括贯流式水轮发电机组1、垂直轴水轮机8，还包括尾水流增流装置5和尾水流状态控制器4，所述尾水流增流装置5设置在贯流式水轮发电机组1与垂直轴水轮机8之间，所述尾水流状态控制器4分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片2的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片6的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆10的移动距离x的大小。

结合图2，本发明的尾水流状态控制器4的内部组件，包括功率控制器、信号处理器、液压控制器25和执行机构，所述尾水流增流装置5中的受力感应板9受信号处理器的控制信号控制，所述尾水流状态控制器4分别控制贯流式水轮发电机组转轮叶片2的叶片角度β1的大小、垂直轴水轮机叶片6的叶片角度β2的大小以及感应驱动杆10的移动距离x的大小，且所得偏差δβ1、δβ2和δx能够对结果进行校正，从而实现增流式智能水轮机系统的动态调整；增流式智能水轮机系统的输出功率p与贯流式水轮发电机组转轮叶片2的叶片角度β1、垂直轴水轮机叶片6的叶片角度β2和感应驱动杆10的移动距离x的关系式为：式中：ρ为水的密度，ρ取值为1000kg/m³、q为水流进入增流式智能水轮机系统的流量；所述增流式智能水轮机系统的控制参数如表1所示。

表1

尾水流状态控制器4的配置要求为：所述功率控制器可采用plc功率控制器等；所述信号处理器可采用数字信号处理器等；所述液压控制器25可采用电气液压控制器等。

结合图3，本发明所述内部组件的执行机构分别设置在贯流式水轮发电机组的轮毂3和垂直轴水轮机主轴7内，所述执行机构包括推盘23与转动杆22，所述推盘23为圆盘形结构，所述推盘23通过转动杆22分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片2及垂直轴水轮机叶片6的连接，所述转动杆22的结构为直角结构，所述转动杆22的数量分别与贯流式水轮发电机组转轮叶片2及垂直轴水轮机叶片6的数量相等，所述转动杆22绕贯流式水轮发电机组转轮叶片2及垂直轴水轮机叶片6的中心转动，所述转动杆22与推盘23采用螺栓连接，螺栓的数量为3～6个，所述液压控制器活塞杆24和执行机构的推盘23连接，所述推盘23的运动方向与活塞杆22的运动方向一致。

结合图4、图5和图6，本发明所述的尾水流增流装置5包括受力感应单元、增流传动单元和增流释放单元，所述受力感应单元包括受力感应板9和感应驱动杆10，所述增流传动单元包括齿轮11、齿条12、增流平衡弹簧17，所述增流释放单元包括上活动连杆13、下活动连杆14、上滑轮20、下滑轮21、上轨道18、下轨道19、上控流板15、下控流板16；所述受力感应板9与感应驱动杆10连接，所述感应驱动杆10与齿轮11固定连接，所述齿轮11中心与壁面固定，使齿轮11只可旋转不可左右移动，所述齿轮11与齿条12啮合，所述齿条12的右端与增流平衡弹簧17的左端连接，所述齿条12的左端分别与上活动连杆13的一端和下活动连杆14的一端连接，所述上活动连杆13通过上滑轮20与上控流板15连接，所述下活动连杆14通过下滑轮21与下控流板16连接，所述上控流板15与上滑轮20镶嵌在上轨道18中，所述下控流板16与下滑轮21镶嵌在下轨道19中。

本发明提出的一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器的应用实施例如下：

实施例1的设计方案与本发明上述的总体的技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

本发明的贯流式水轮发电机组转轮叶片2的数量为3片，垂直轴水轮机叶片6的数量为3片；推盘23的直径为400cm；转动杆22的短边长160cm、长边长250cm；液压控制器活塞杆24的长度为350cm；受力感应板9的面积a为20cm²；感应驱动杆10的长度为50cm；增流平衡弹簧17的长度为25cm；流量为2.6m³/s、β1为65.25°、β2为52°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为598.5kw。

实施例2的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

本发明的贯流式水轮发电机组转轮叶片2的数量为4片，垂直轴水轮机叶片6的数量为4片；推盘23的直径为410cm；转动杆22的短边长165cm、长边长255cm；液压控制器活塞杆24的长度为350cm；受力感应板9的面积a为25cm²；感应驱动杆10的长度为55cm；增流平衡弹簧17的长度为30cm；流量为3m³/s、β1为63.75°、β2为50°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为608.0kw。

实施例3的设计方案与本发明上述的总体技术方案完全相同，其主要部件的设计参数公布如下：

本发明的贯流式水轮发电机组转轮叶片2的数量为5片，垂直轴水轮机叶片6的数量为5片；推盘23的直径为420cm；转动杆22的短边长170cm、长边长270cm；液压控制器活塞杆24的长度为360cm；受力感应板9的面积a为30cm²；感应驱动杆10的长度为60cm；增流平衡弹簧17的长度为30cm；流量为4.2m³/s、β1为54°、β2为41°时，增流式智能水轮机系统的输出功率为607kw。

本发明的实施过程为：增流式智能水轮机系统启动后，水流首先经过贯流式水轮发电机组1，贯流式水轮发电机组转轮叶片2将水流的能量转换为旋转机械能，随后通过发电机将旋转机械能转换为电能，此时尾水中剩余大量的动能，因此水流继续进入到尾水流增流装置5；由受力感应板9根据来流流量q的大小，将信号传递给尾水流状态控制器4，信号处理器对信号进行处理并反馈，反馈的信号对感应驱动杆10进行控制，由感应驱动杆10依次带动齿轮11、齿条12、上活动连杆13、下活动连杆14，进而对上控流板15和下控流板16的位置进行调节，实现实时改变增流效果的目的；最后水流通过垂直轴水轮机8，水流对垂直轴水轮机转轮做功，实现将机械能再次转换为电能，对贯流式水轮发电机组转轮出口处存在的大量剩余动能进行了充分利用。在所述增流式智能水轮机系统运行过程中，尾水流状态控制器4根据两个水轮机流量的大小，通过功率控制器计算出实时的最佳叶片角度，与实时的贯流式水轮发电机组叶片2的叶片角度β1和垂直轴水轮机叶片6的叶片角度β2比较，所得偏差δβ1和δβ2经pi校正环节后转换为电流信号传递给液压控制器25；液压控制器25通过与实时的电流对比，控制液压控制器活塞杆24进行运动，进而带动执行机构的推盘23运动，通过转动杆22最终对贯流式水轮发电机组1和垂直轴水轮机8的叶片角度进行调节，使贯流式水轮发电机组1和垂直轴水轮机8在不同流量下均可以保持最高的效率，从而保证整个增流式智能水轮机系统在不同工况下的水能利用率最高，输出功率最大。

本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种用于增流式智能水轮机系统的尾水流状态控制器技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。