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CN115471059A - 一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统 - Google Patents

一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统 Download PDF

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CN115471059A CN202211075089.9A CN202211075089A CN115471059A CN 115471059 A CN115471059 A CN 115471059A CN 202211075089 A CN202211075089 A CN 202211075089A CN 115471059 A CN115471059 A CN 115471059A
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Abstract

本发明公开了一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，属于水轮机经济运行技术领域。一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，包括对大修完成后的每台水电机组进行振动区试验，获取近似全水头振动区分布模型；结合所述水电机组在线状态监测系统，搭建各机组运行工况样本数据库。本发明通过对全水头振动区分布模型进行获取，利用声发射技术监测水轮机空化空蚀状态，对处于空蚀振动区和临界运行区的机组流量特性曲线进行变换处理，稳定运行区的流量特性曲线保持不变，应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开，最终求得每台机组的最优负荷分配方案。

Description

一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统
技术领域
本发明涉及水轮机经济运行技术领域，更具体地说，涉及一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统。
背景技术
近年来，随着大型水利枢纽工程的兴建以及大中型水电站的相继建成投产，水电在整个电网中的占比越来越大，水轮机运行的安全性、稳定性、经济性问题日显突出；
随着行业对水电站运行和管理的经济性要求不断提高，水电站在运行优化方面需要更加精细和复杂。加之行业倡导采取“无人值班，少人值守”的运行方式，对运行值班员的素质要求越来越高，值班员受精力和能力差异等因素限制，在正常的监盘及巡检工作之余，较难兼顾水轮机组的经济运行调整，导致经济运行调整水平参差不齐，加之机组的工作水头、有功功率、导叶开度、机组流量、耗水率等重要数据运行时均在实时变化，值班员根据这些实时变化的离散数据，对机组经济运行较难开展实时调整，经济运行方面挖掘潜力较大；
所以，电站急需一套空蚀监测与经济运行分析系统，在合理避开空化空蚀工况和振动区的基础上找到经济最优运行区间，为运行人员提供决策支持，提高机组整体的安全经济运行水平；
鉴于此，我们提出一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
2.技术方案
一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，包括：
对大修完成后的每台水电机组进行振动区试验，获取各机组近似全水头振动区分布模型；
结合水电机组在线状态监测系统，搭建各机组运行工况样本数据库；
分析水轮机在空化状态下的声发射信号波形频谱特征和声发射信号参数待征，结合数据融合技术，获得空蚀初生状态的模型；
获取水电站日常历史运行数据，形成每台水电机组在不同运行工况下的流量特性曲线；
应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开；
建立以水电站总耗水量最小时的目标函数，确定约束条件；
采用逐次逼近的动态规划算法，最终实现在空蚀振动区每台水电机组的最优负荷分配。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述近似全水头振动区分布模型通过对检修完成后的每台机组在水电站最小水头至最大水头之间选取5～6组水头进行振动区试验，并通过插值拟合运算初步得到各机组近似的全水头振动区分布模型。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述振动区试验用于测定各部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述全水头振动区分布模型取测点峰峰值越限工况次数大于1次为空蚀振动区，等于1次为临界运行区，无测点峰峰值越限为稳定区运行区。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述数据库按水头和负荷分类实时储存机组在不同运行工况下各测点部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，当所述水电机组在线状态监测系统识别出拟合的近似全水头振动区分布模型存在较大误差，或者样本有一定积累增长，超出范围时，则对近似振动区模型进行修正，程序自动重新进行拟合计算以校正前一个全水头振动区分布模型的误差，获得一个新的更高精度的机组全水头振动区分布模型。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，利用声发射传感器采集空化信号，提取空化特征值，融合机组振动、水压脉动、水头及其它工况数据等重要辅助变量探测出空化的发生，建立空蚀初生状态的模型。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，应用惩罚因子和权重系数对出力进行限制，对处于空蚀振动区和临界运行区的机组流量特性曲线进行变换处理，稳定运行区的流量特性曲线保持不变，用公式可表示为：
Figure BDA0003831118670000031
式中：ω为权重系数，
Figure BDA0003831118670000032
为惩罚因子，其大小可根据水轮机空蚀，振动区的具体条件决定，ω、
Figure BDA0003831118670000033
值越大剔除负荷不可行域的程度越高；Qk(Nk)为处理前的流量特性曲线；Q'k(Nk)为对存在空蚀振动区的出力进行限制处理之后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述目标函数以水电站总耗水量最小时为目标：
Figure BDA0003831118670000041
式中：k为机组编号；n为水电站机组台数；Q'k(Nk)表征考虑机组空蚀振动区变换处理后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)；
Figure BDA0003831118670000042
为总负荷是
Figure BDA0003831118670000043
时的最小耗水量；Nk(Qk)为第k台机组流量为Qk时的出力。
作为本申请文件技术方案的一种可选方案，所述采用逐次逼近的动态规划法对目标函数进行优化求解；当水头一定时，以参与发电的机组台数k为阶段变量；k台机组的总负荷为状态变量；第k台机组承担的负荷为决策变量；第k号机组的工作流量为代价函数，建立动态规划模型。
也即，本发明通过对大修完成后的每台机组进行振动区试验，结合水电机组在线状态监测系统，获取全水头振动区分布模型；根据水电站日常运行数据，得到站内每台水电机组流量特性曲线；利用声发射技术监测水轮机空化空蚀状态；应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开；构造以水电站内机组运行时的总耗水量最小为目标函数，结合约束条件，采用逐次逼近的动态规划算法，最终实现在考虑空蚀振动区情况下每台水电机组的最优负荷分配。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1、本发明通过测定机组各部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值，并对全水头振动区分布模型进行获取，通过水电机组在线状态监测系统对各个全水头振动区分布模型进行识别，利用声发射技术监测水轮机空化空蚀状态，对处于空蚀振动区和临界运行区的机组流量特性曲线进行变换处理，稳定运行区的流量特性曲线保持不变，应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开；
2、本发明通过构造以水电站机组运行时的总耗水量最小为目标函数，即当工作水头、系统要求的总负荷恒定时，其经济效益最大的目标为整个电厂所耗用的水流量最小，按动态规划法顺时序求出各阶段目标函数最优值，逆时序通过逐次回代求得每台机组的最优负荷分配方案。
附图说明
图1为本申请的系统流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，包括：
对大修完成后的每台水电机组进行振动区试验，获取近似全水头振动区分布模型；
结合水电机组在线状态监测系统，搭建各机组运行工况样本数据库；
分析水轮机在空化状态下的声发射信号波形频谱特征和声发射信号参数待征，结合数据融合技术，获得空蚀初生状态的模型；
获取水电站日常历史运行数据，形成每台水电机组在不同运行工况下的流量特性曲线；
应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开；
建立以水电站总耗水量最小时的目标函数，确定约束条件；
采用逐次逼近的动态规划算法，最终实现在空蚀振动区每台水电机组的最优负荷分配；
在这种技术方案中，本发明通过对大修完成后的每台机组进行振动区试验，结合水电机组在线状态监测系统，获取全水头振动区分布模型，根据水电站日常运行数据，得到站内每台水电机组流量特性曲线，利用声发射技术监测水轮机空化空蚀状态。
具体的，本发明提出的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其方案包括以下步骤：
步骤一：系统运行初期，对大修完成后的每台机组在水电站最小水头至最大水头之间选取5～6组水头进行振动区试验，测定机组上机架、下机架、顶盖、定子机座等部位的振动值；
上导轴承、下导轴承、水导轴承等部位摆度值；蜗壳进口、尾水管进口水压压力脉动值，确定各测点峰峰值越限工况区；
综合考虑各测点越限工况区，取测点峰峰值越限工况次数大于1次为空蚀振动区，等于1次为临界运行区，无测点峰峰值越限为稳定区运行区；
并通过插值拟合运算初步得到各机组近似的全水头振动区分布模型。
步骤二：结合水电机组在线状态监测系统，搭建各机组运行工况样本数据库，按水头和负荷分类实时储存机组在不同运行工况下各测点部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值；
当系统识别出拟合的近似全水头振动区分布模型存在较大误差或者样本有一定积累增长时，程序自动重新进行拟合计算以校正前一个模型的误差，获得一个新的更高精度的机组全水头振动区分布模型。
步骤三：在易发生空化且测量效果较好的水电机组尾水管检修门上、下管壁处安装声发射传感器；
通过对声发射信号进行实时采集，分析水轮机在空化状态下的声发射信号波形频谱特征和声发射信号参数特征，借助机组顶盖振动、水压脉动、水头、下游水位、大轴补气量及其它工况数据等重要辅助变量，获得空蚀初生状态的模型。
步骤四：获取水电站内每台机组在不同水头和不同发电流量时的输出功率，形成每台水电机组在不同运行工况下的流量特性曲线，应用惩罚因子和权重系数对出力进行限制，对处于空蚀振动区和临界运行区的机组流量特性曲线进行变换处理，稳定运行区的流量特性曲线保持不变，用公式可表示为：
Figure BDA0003831118670000071
式中：ω为权重系数，
Figure BDA0003831118670000072
为惩罚因子，其大小可根据水轮机空蚀振动区的具体条件决定，ω、
Figure BDA0003831118670000073
值越大剔除负荷不可行域的程度越高；
Qk(Nk)为处理前的流量特性曲线；Q'k(Nk)为对存在空蚀振动区的出力进行限制处理之后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)。
步骤五：构造以水电站机组运行时的总耗水量最小为目标函数，即当工作水头、系统要求的总负荷恒定时，其经济效益最大的目标为整个电厂所耗用的水流量最小。
目标函数以水电站总耗水量最小时为目标：
Figure BDA0003831118670000074
式中：k为机组编号；n为水电站机组台数；Q'k(Nk)表征考虑机组空蚀振动区变换处理后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)；
Figure BDA0003831118670000075
为总负荷是
Figure BDA0003831118670000076
时的最小耗水量；Nk(Qk)为第k台机组流量为Qk时的出力。
步骤六：采用逐次逼近的动态规划法对目标函数进行优化求解；
当水头一定时，以参与发电的机组台数k(1≤k≤n)为阶段变量；
k台机组的总负荷
Figure BDA0003831118670000081
为状态变量；
第k台机组承担的负荷Nk为决策变量；
第k号机组的工作流量为代价函数，建立动态规划模型。
①目标函数：
Figure BDA0003831118670000082
②递推方程组：
Figure BDA0003831118670000083
③约束条件：
Figure BDA0003831118670000084
式中：
Figure BDA0003831118670000085
为总负荷是
Figure BDA0003831118670000086
时的最小耗水量；Q'k(Nk)表征考虑空蚀振动区后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当出力为Nk时流量为Q'k；Nk为第k台机组承担的负荷；
Figure BDA0003831118670000087
为1～(k-1)号机组的总负荷；
Figure BDA0003831118670000088
为总负荷是
Figure BDA0003831118670000089
第k台机组承担负荷Nk后第k-1阶段最优分配结果的最小耗水量；
Figure BDA00038311186700000810
为边界条件，即在起始阶段以前耗用的流量为0；Nkmin为第k台机组的出力下限；Nkmax为第k台机组的出力上限；Nk(Qk)为第k台机组流量为Qk时的出力。
具体求解思想为：按动态规划法顺时序求出各阶段目标函数最优值；
逆时序通过逐次回代求得每台机组的最优负荷分配方案。
1)顺时序求得最小耗水量的具体方法是：
首先将状态变量
Figure BDA00038311186700000811
决策变量Nk离散化，当k＝1时，
Figure BDA00038311186700000812
Figure BDA00038311186700000813
i为离散状态变量数据编号，m为离散状态变量个数，j为离散决策变量数据编号，t为离散决策变量个数。
由于只存在一台机组开启运行，因此
Figure BDA0003831118670000091
此阶段的目标函数最优值为
Figure BDA0003831118670000092
最优决策为
Figure BDA0003831118670000093
当阶段变量2≤k≤n时，同样将状态变量离散成若干个数据点，
Figure BDA0003831118670000094
将决策变量离散成若干个数据点
Figure BDA0003831118670000095
Figure BDA0003831118670000096
i为离散状态变量数据编号，m为离散状态变量个数，j为离散决策变量数据编号，t为离散决策变量个数。
对任一状态变量
Figure BDA0003831118670000097
在
Figure BDA0003831118670000098
条件下，应用动态规划顺时序递推方程：
Figure BDA0003831118670000099
可得此阶段目标函数最优值
Figure BDA00038311186700000910
最优决策
Figure BDA00038311186700000911
2)逆时序逐次回代求得每台机组的最优负荷分配方案：通过动态规划顺时序递推过程得到第n阶段的目标函数最优值
Figure BDA00038311186700000912
最优决策
Figure BDA00038311186700000913
即第n台机组所承担的负荷之后，由状态转移方程
Figure BDA00038311186700000914
可得出第n-1阶段时的目标函数最优值
Figure BDA00038311186700000915
最优决策
Figure BDA00038311186700000916
即第n-1台机组所承担的负荷。
以此逐次进行回代直至第一阶段，最后可得到水电站内每台机组的最优负荷分配方案。

Claims (10)

1.一种基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于，包括：
对大修完成后的每台水电机组进行振动区试验，获取各机组近似全水头振动区分布模型；
结合水电机组在线状态监测系统，搭建各机组运行工况样本数据库；
分析水轮机在空化状态下的声发射信号波形频谱特征和声发射信号参数待征，结合数据融合技术，获得空蚀初生状态的模型；
获取水电站日常历史运行数据，形成每台水电机组在不同运行工况下的流量特性曲线；
应用惩罚因子和权重系数对处于空蚀振动区和临界运行区的机组出力进行合理避开；
建立以水电站总耗水量最小时的目标函数，确定约束条件；
采用逐次逼近的动态规划算法，最终实现在空蚀振动区每台水电机组的最优负荷分配。
2.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：所述近似全水头振动区分布模型通过对检修完成后的每台机组在水电站最小水头至最大水头之间选取5～6组水头进行振动区试验，并通过插值拟合运算初步得到各机组近似的全水头振动区分布模型。
3.根据权利要求2所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：所述振动区试验用于测定水电机组各部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值。
4.根据权利要求2所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：所述全水头振动区分布模型取测点峰峰值越限工况次数大于1次为空蚀振动区，等于1次为临界运行区，无测点峰峰值越限为稳定区运行区。
5.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：所述数据库按水头和负荷分类实时储存机组在不同运行工况下各测点部位的振动值、摆度值、水压压力脉动值。
6.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：当所述水电机组在线状态监测系统识别出拟合的近似全水头振动区分布模型存在较大误差，或者样本有一定积累增长，超出范围时，则对近似振动区模型进行修正，程序自动重新进行拟合计算以校正前一个全水头振动区分布模型的误差，获得一个新的更高精度的机组全水头振动区分布模型。
7.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：利用声发射传感器采集空化信号，提取空化特征值，融合机组振动、水压脉动、水头及其它工况数据等重要辅助变量探测出空化的发生，建立空蚀初生状态的模型。
8.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：
应用惩罚因子和权重系数对出力进行限制，对处于空蚀振动区和临界运行区的机组流量特性曲线进行变换处理，稳定运行区的流量特性曲线保持不变，用公式可表示为：
Figure FDA0003831118660000021
式中：ω为权重系数，
Figure FDA0003831118660000022
为惩罚因子，其大小可根据水轮机空蚀振动区的具体条件决定，ω、
Figure FDA0003831118660000023
值越大剔除负荷不可行域的程度越高；Qk(Nk)为处理前的流量特性曲线；Q'k(Nk)为对存在空蚀振动区的出力进行限制处理之后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)。
9.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：
所述目标函数以水电站总耗水量最小时为目标：
Figure FDA0003831118660000031
式中：k为机组编号；n为水电站机组台数；Q'k(Nk)表征考虑机组空蚀振动区变换处理后的流量特性曲线，即在空蚀振动区条件下，引入惩罚因子和权重系数之后，当第k号机组出力为Nk时流量为Q'k(Nk)；
Figure FDA0003831118660000032
为总负荷是
Figure FDA0003831118660000033
时的最小耗水量；Nk(Qk)为第k台机组流量为Qk时的出力。
10.根据权利要求1所述的基于空蚀振动区规划的水轮机在线经济运行系统，其特征在于：
所述采用逐次逼近的动态规划法对目标函数进行优化求解；
当水头一定时，以参与发电的机组台数k为阶段变量；
k台机组的总负荷为状态变量；
第k台机组承担的负荷为决策变量；
第k号机组的工作流量为代价函数，建立动态规划模型。
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