水电站输水发电系统水力安全预警方法与流程

1.本发明涉及水电站输水发电系统技术领域，具体涉及一种水电站输水发电系统水力安全预警方法。


背景技术：

2.水电站是利用水能产生电能的工程，可分为坝式水电站、引水式水电站以及坝-引水混合式水电站。随着水能资源的开发，引水式水电站的输水系统呈现出越来越长的趋势，部分有压引水式水电站的输水系统长度可达数十公里，此外近年来大规模建设的抽水蓄能电站也都带有较长的输水系统。
3.对于带有长输水系统的水电站和抽水蓄能电站，由于机组调节、机组事故等原因，水力过渡过程经常发生，水力过渡过程也被称为瞬变流。在水力过渡过程中，输水系统中水压大幅波动，机组转速急剧增加，可能会导致压力管道破裂、调压系统毁损或机组部件破坏，严重情况下甚至会危及整个电站的安全。因此在此类水电站设计时，需要根据水电站的边界条件，进行各种工况下的水力过渡过程计算，水力过渡过程仿真计算算法一般常采用特征线法，该方法计算精度高，速度快，经过多年的使用及验证，目前已经十分成熟。采用特征线法过对电站各部分进行建模，然后给定水位、机组出力、导叶关闭规律等边界条件可计算出相应工况下的蜗壳末端最大压力、尾水管进口最小水位等参数。获得典型工况下的计算结果之后，将计算结果(如蜗壳末端最大压力、调压室最高涌波水位等)乘以一定的安全系数，作为电站输水发电系统结构及机组的设计控制值，以保障电站在实际运行过程中的安全，这是目前的常用手段。
4.在电站的运行过程中，输水系统或者机组可能会发生如隧洞坍塌、隧洞泥沙沉积、水轮机导叶动作异常等问题，使得电站运行的边界条件发生变化，机组甩负荷或增负荷时的蜗壳末端压力、尾水管进口最小压力以及机组转速上升率等(也称调节保证参数)发生变化。目前水电站输水发电系统安全预警系统一般都会在蜗壳、尾水管、调压室等关键部位安装监测仪器，实时测量相应的数据，当测量值超过设计值时，触发警报系统以提醒工作人员。在大多数情况下，当上述问题刚发生时，或者尚不严重时，电站的调保参数等依旧满足设计值的要求，因此现有的预警系统并不会被触发，也不会引起足够重视。但随着问题的逐渐扩大，当水电站发生危险工况时，这些问题势必会引发较为严重的事故。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种水电站输水发电系统水力安全预警方法，本发明相对于传统的输水发电系统安全预警系统，通过将输水发电系统的调节保证参数的实测值和实时计算值进行对比，从而评价输水发电系统运行状态的安全性，使得输水发电系统异常情况容易被发现，解决了水电站运行存在的较大安全隐患。
6.为此，本发明采用以下技术方案：
7.水电站输水发电系统水力安全预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.s1：采用数据采集系统的多个监测设备获取水电站输水发电系统在实时工况下的调节保证参数的实时测量数据，所述实时工况是正常运行、机组开启、机组关闭、机组甩负荷或抽水断电的工况，并将实时测量数据传送给实时计算分析系统；
9.s2：实时计算分析系统采用仿真计算算法进行水力过渡过程实时计算，并将计算结果与实时测量数据进行对比，根据两种数据的差异大小判断电站是否处于异常状态；
10.如果实时工况为在水电站正常运行状态下，在蜗壳末端压力、导叶开度、尾水管进口压力、调压室水位、钢岔管压力中某一项的实时测量数据与计算结果对比差值超过判断阈值时，判断电站处于异常状态；
11.如果是实时工况为在机组开启、机组关闭、机组甩负荷或抽水断电的工况下，在蜗壳末端最大压力、机组转速最大上升率、尾水管进口最小压力、调压室最高或最低涌波水位、钢岔管压力中某一项的实时测量数据与相应的计算结果对比差值超过判断阈值时，判断电站处于异常状态；
12.s3：当判断电站处于异常状态时，实时计算分析系统发送预警信号给报警系统；
13.进一步的：所述报警系统实时显示实时测量数据和相应的计算结果的对比，在接收到实时计算分析系统的预警信号之后，蜂鸣报警器响动，显示器显示出异常的数据，进行危险预警。
14.进一步的：所述数据采集系统包括上游水位传感器、调压室水位传感器、钢岔管压力传感器、蜗壳末端压力传感器、导叶开度监视器、机组出力监视器、机组转速监视器、尾水管进口压力传感器和下游水位传感器；所述报警系统包括显示器和蜂鸣报警器；所述实时计算分析系统包括计算器和对比器。
15.进一步的：所述数据采集系统与实时计算分析系统之间有线连接，报警系统与实时计算分析系统之间有线连接。
16.进一步的：所述上游水位传感器、调压室水位传感器、钢岔管压力传感器、蜗壳末端压力传感器、尾水管进口压力传感器和下游水位传感器的作用为每0.1s获取一次上游水位、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力、尾水管进口压力、下游水位。所述导叶开度监视器、机组出力监视器、机组转速监视器的作用为每0.1s获取一次导叶开度、机组出力、机组转速。
17.进一步的：所述计算器的作用是通过获取数据采集系统采集到的上游水位、机组出力、机组转速、下游水位数据进行水力过渡过程仿真计算，计算得出导叶开度、机组转速、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力以及尾水管进口压力的计算结果。
18.进一步的：所述对比器的作用是将数据采集系统采集到的导叶开度、机组转速、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力、尾水管进口压力的数据与计算器的计算结果进行对比，并将对比计算的结果传递给显示器；对比器通过将两种数据的对比差值与判断阈值进行判断，从而判断电站是否处于安全状态，当数据差异超过判断阈值的时候，对比器触发蜂鸣报警器进行报警。
19.进一步的：所述显示器的作用是实时显示数据采集系统采集到的数据和水力过渡过程仿真计算的结果。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.传统的水力过渡过程计算一般在设计阶段，通过典型工况的计算结果对输水发电
系统强度设计进行指导，不能涵盖实际可能发生的所有运行工况，且实际运行阶段的电站输水发电系统的参数可能会发生变化，造成实际的蜗壳末端最大压力、尾水管进口最小压力等调节保证参数随之变化，而本发明可在电站运行阶段对输水发电系统的调节保证参数进行实时计算，更准确及时地反映电站输水发电系统在运行阶段的状态。
22.另外一方面，本发明相对于传统的输水发电系统安全预警系统，在水电站日常的运行过程中，通过将输水发电系统的调节保证参数的实测值和实时计算值进行对比，从而评价输水发电系统运行状态的安全性，并在异常状态发出危险预警，相对比原安全预警系统，能够更加及时的察觉出输水发电系统的异常状态并发出预警信号，解决了水电站运行存在的较大安全隐患。
附图说明
23.图1是本发明的原理示意图；
24.图2是本发明稳定运行状态的工作流程；
25.图3是本发明非稳定运行状态的工作流程；
26.图4是本发明的结构示意图；
27.图5是图4的局部放大图。
28.图6是实施例中某个工况下尾水管进口压力的实测值与计算值变化过程线。
29.附图中的标记为：1-上游水位传感器；2-调压室水位传感器；3-钢岔管压力传感器；4-蜗壳末端压力传感器；5-导叶开度监视器；6-机组出力监视器；7-机组转速监视器；8-尾水管进口压力传感器；9-下游水位传感器；10-上水库；11-调压室大井；12-钢岔管；13-蜗壳；14-机组导叶；15-机组功率输出线；16-机组转子；17-尾水管；18-下水库。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
31.如图1-图5所示，本发明提供的水电站输水发电系统水力安全预警方法，包括以下步骤：
32.s1：采用数据采集系统的多个监测设备获取水电站输水发电系统在各个工况下的调节保证参数的实时测量数据，所述实时工况是正常运行、机组开启、机组关闭、机组甩负荷或抽水断电的工况，并将实时测量数据传送给实时计算分析系统；
33.s2：实时计算分析系统采用仿真计算算法进行水力过渡过程实时计算，并将计算结果(实时计算值)与实时测量数据(实测值)进行对比，根据两种数据的差异大小判断电站是否处于异常状态；
34.如果实时工况为在水电站正常运行状态下，在蜗壳末端压力、导叶开度、尾水管进口压力、调压室水位、钢岔管压力中某一项的实时测量数据与计算结果对比差值超过判断阈值时，阈值为5％，判断电站处于异常状态；
35.如果实时工况为在机组开启、机组关闭、机组甩负荷或抽水断电的工况下，在蜗壳末端最大压力、机组转速最大上升率、尾水管进口最小压力、调压室最高或最低涌波水位、钢岔管压力中某一项的实时测量数据与计算结果对比差值超过判断阈值时，阈值为10％，
判断电站处于异常状态；
36.s3：当判断电站处于异常状态时，实时计算分析系统发送预警信号给报警系统；
37.所述报警系统实时显示实时测量数据和相应的计算结果的对比，在接收到实时计算分析系统的预警信号之后，蜂鸣报警器响动，显示器显示出异常的数据，进行危险预警，进而提醒水电站的工作人员。
38.所述数据采集系统包括上游水位传感器1、调压室水位传感器2、钢岔管压力传感器3、蜗壳末端压力传感器4、导叶开度监视器5、机组出力监视器6、机组转速监视器7、尾水管进口压力传感器8和下游水位传感器9；所述报警系统包括显示器和蜂鸣报警器；所述实时计算分析系统包括计算器和对比器。
39.所述数据采集系统的各个传感器和监视器与实时计算分析系统之间有线连接，报警系统与实时计算分析系统之间有线连接。
40.所述上游水位传感器1安装在上水库10中，要求位于死水位之下2m以上；调压室水位传感器2安装在调压室大井11中，要求位于大井底部；钢岔管压力传感器3安装在钢岔管12中，要求位于钢岔管12中部位置水平轴线处；蜗壳末端压力传感器4安装在蜗壳13中，要求位于蜗壳13末端位置水平轴线处；导叶开度监视器5安装在机组导叶14中；机组出力监视器6安装在机组功率输出线15中；机组转速监视器7安装在机组转子16中；尾水管进口压力传感器8安装在尾水管17中，要求位于尾水管17进口位置；下游水位传感器9安装在下水库18中，要求位于死水位之下2m以上。
41.所述上游水位传感器1、调压室水位传感器2、钢岔管压力传感器3、蜗壳末端压力传感器4、尾水管进口压力传感器8和下游水位传感器9的作用为每0.1s获取一次上游水位、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力、尾水管进口压力、下游水位。所述导叶开度监视器5、机组出力监视器6、机组转速监视器7的作用为每0.1s获取一次导叶开度、机组出力、机组转速。
42.所述各个传感器的精度要求为0.1％fs，采用频率不小于200hz，上游水位传感器1、调压室水位传感器2、下游水位传感器9的量程均为0～1mpa，且安装于死水位之下，钢岔管压力传感器3和蜗壳末端压力传感器4均为蜗壳末端最大静水压力的2.0倍，尾水管进口压力传感器8的量程为尾水管进口最大静水压力的2.0倍，压力传感器的量程在0～2mpa之间。
43.所述导叶开度监视器5的精度要求为1％相对开度，采用频率不小于10hz，机组出力监视器6的精度要求为0.1mw，采用频率不小于10hz，机组转速监视器7的精度要求为0.1r/min，采用频率不小于10hz。
44.所述计算器的作用是通过获取数据采集系统采集到的上游水位、机组出力、机组转速、下游水位数据进行水力过渡过程仿真计算，计算得出导叶开度、机组转速、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力以及尾水管进口压力的计算结果。计算参数的输入为每0.1s一次，计算结果输出为每0.1s一次，此计算过程采用特性线法进行计算。
45.所述计算器中提前储存输水发电系统的管道长度、面积、水力半径、糙率、水击波速、水轮机特性曲线、机组转动惯量、额定水头、额定流量等数据，并采用特征线法编制了水力过渡过程计算模型，根据输入的上游水位、机组出力、机组转速、下游水位，进行水力过渡过程实时计算，输出计算结果，包括调压室水位、钢岔管压力、导叶开度、蜗壳末端压力、尾
水管进口压力、机组转速。
46.所述对比器的作用是将数据采集系统采集到的导叶开度、机组转速、调压室水位、钢岔管压力、蜗壳末端压力、尾水管进口压力的数据与计算器的计算结果进行对比，并将对比计算的结果传递给显示器；对比器通过将两种数据的对比差值与判断阈值进行判断，从而判断电站是否处于安全状态，当数据差异超过判断阈值的时候，对比器触发蜂鸣报警器进行报警。
47.所述显示器的作用是实时显示数据采集系统采集到的数据和水力过渡过程仿真计算的结果，供电站运行人员查看。
48.实施例1：
49.某抽水蓄能电站的输水发电系统由上库进/出水口、上库闸门井、引水隧洞、高压管道、钢岔管、蜗壳、机组、尾水管、尾水管连接管、下游调压室、尾水隧洞、下库闸门井、下库进/出水口等建筑物组成，引水系统和尾水系统均采用一洞两机的布置形式，上、下库的进、出水口之间输水管道总长度为2039.2m，其中引水系统长1118.8m，尾水系统长920.4m。上水库水位波动范围为637～658m，下水库水位波动范围为198～231m，水轮机额定功率306.1mw，额定水头416.0m，额定流量82.4m3/s，转动惯量6000t
·
m2，额定转速428.6r/min，导叶关闭规律为30s一段直线关闭。根据设计阶段的水力过渡过程计算，调节保证参数的控制要求为：机组蜗壳最大压力值＜758m，机组最大转速上升率＜45％，尾水管最小内水压力＞19m。
50.将各个传感器和监视器安装在水电站内相应的部位，并与实时计算分析系统进行数据连接，应首先进行实时计算分析系统的实时计算模型整定。实时计算模型整定调整的参数为系统糙率、蜗壳当量直径、尾水管当量直径、机组转动惯量。
51.对于实时计算分析系统，采用仿真计算算法进行水力过渡过程实时计算(仿真计算算法为采用特征线法建立实时计算模型)，设定计算的输出步长为0.1s。
52.实时计算模型整定的方法为：恒定流状态下，当实测所得的导叶开度小于实时计算值时，减小模型中系统糙率，反之增大导叶开度，直至监测所得的导叶开度和模型导叶开度误差不超过5％；瞬变流状态下，机组甩负荷或者增负荷过程中，当实测所得的蜗壳末端最大压力值大于实时计算结果时，增大蜗壳当量直径，反之减小蜗壳当量直径，当实测所得的尾水管进口最小压力值大于实时计算结果时，增大尾水管当量直径，反之减小尾水管当量直径，当实测所得的机组转速最大上升率大于实时计算结果时，增大机组转动惯量，反之减小机组转动惯量，直至实测所得的蜗壳末端压力最大值与实时计算结果误差不超过5％，实测所得的尾水管进口最小压力值与实时计算结果误差不超过5％，实测所得的机组转速最大上升率与实时计算结果误差不超过5％。
53.最后，在对比器中设置系统安全预警条件。系统的安全预警条件为：步骤s3，判断电站处于异常状态；其余状态下，判断电站处于正常状态。
54.发生异常状态时，对比器将发送预警信号给报警系统，报警系统在接收到实时计算分析系统的预警信号之后，进行危险预警。
55.本发明工作的一种情况介绍：随着机组导叶控制系统的运行，其中一台机组导叶关闭规律发生偏移，由30s一段直线关闭偏移为28s一段直线关闭。某次两台机组同时甩负荷过程，尾水管进口压力的实测值变化过程线以及按照原始30s关闭规律的计算值变化过
程线如图6所示。统计实测值和计算值的极值：尾水管进口最小压力实测值为36.35m，计算值为40.69m，差值百分比为11％。按照传统的预警原则，尾水管最小内水压力依然满足大于19m的要求，也即不会触发警报。
56.如果安装本装置，可以迅速判断出尾水管最小内水压力的计算值和实测值差值的百分比超过了10％的标准，也即触发警报，引起工作人员的注意。
57.以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。