快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法与流程

1.本发明涉及水电领域，具体是一种对快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法。


背景技术：

2.风能和光伏发电被视为能源结构调整的主要途径之一。由于风能和光伏发电受到外界气象条件的影响，其发电具有随机性、间歇性，因此需要稳定性较高、响应能力强的水电进行补充。在风光新能源基地就近打捆上网的模式下，可将锯齿型的风能和光伏新能源调整为平滑稳定电能，改善风光电能消纳。
3.水电机组根据结构型式可以分为不同的类型，如水斗式、混流式等。水斗式机组适用的水头较高，通常为500～600m，甚至更高。小型水斗式水轮机通常有2个喷嘴，大型水斗式水轮机通常有6个喷嘴。例如，图1为6喷嘴水斗式水轮机的6个喷嘴的布置示意图，1号、2号、3号、4号、5号和6号喷嘴沿顺时针方向等中心角布置，任意相邻两个喷嘴对应的中心角均为60
°
。
4.多喷嘴水斗式水轮机在负荷调整时，包括增大负荷和减小负荷，需要根据负荷需要调整投入的喷嘴数。水斗式水轮机喷嘴数的投入，一般需要考虑径向力的平衡。对于图1所示的6喷嘴水斗式水轮机，处于径向力平衡状态的喷嘴投入有下述四种情况：第一种情况是2喷嘴平衡：1号和4号喷嘴同时投入，或2号和5号喷嘴同时投入，或3号和6号喷嘴同时投入；第二种情况是3喷嘴平衡：1号、3号和5号喷嘴同时投入，或2号、4号和6号喷嘴同时投入；第三种情况是4喷嘴平衡：1号、4号、2号和5号喷嘴同时投入，或1号、4号、3号和6号喷嘴同时投入，或2号、5号、3号和6号喷嘴同时投入；第四种情况是6喷嘴平衡：1号～6号喷嘴全部投入。
5.多喷嘴水斗式水轮机的喷嘴从小开度到全开的过程中，多喷嘴水斗式水轮机的效率会经历“效率增加
→
效率达到最高
→
效率降低”的过程，本处的效率是指水能转换成多喷嘴水斗式水轮机轴端输出的效率，参见图2。多喷嘴水斗式水轮机和和发电机通过轴连接，水流冲击多喷嘴水斗式水轮机的转轮，通过轴带动发电机发电。水流冲击转轮后，在轴端产生输出功率，这期间会有能量损失，该输出功率与水流本身能量的比值称为水轮机的效率，也即是图2纵坐标。为了使多喷嘴水斗式水轮机在不同负荷情况下的效率均最优，多喷嘴水斗式水轮机从空载至满负荷过程中，喷嘴逐步依次开启。对于6喷嘴水斗式水轮机，通常采用单喷嘴开机，2喷嘴并网，随着出力的增加，投入的喷嘴数逐步增加，机组逐步增负荷至额定负荷。6喷嘴水斗式水轮机增大负荷过程中，投入的喷嘴数通常按“2
→4→
6”的方式逐步增多；减小负荷过程中，投入的喷嘴数通常按“6
→4→
2”方式逐步减少。6喷嘴水斗式水轮机增大负荷至额定负荷的流程具体如下：
6.(1)6喷嘴水斗式水轮机处于同一直线的2喷嘴投入，假设1号、4号喷嘴投入进行并网，机组出力逐步增加；
7.(2)当机组出力达到约40％额定出力时，若继续维持2喷嘴运行，则6喷嘴水斗式水轮机效率将持续下降，因此需要切换为4喷嘴运行；
8.(3)在4喷嘴投入时，为保持各喷嘴射流的均匀性，需要先将已投入的1号和4号喷嘴开度减小，即先减小1号和4号喷嘴出力，同时开启2号和5号喷嘴，当所投入的4个喷嘴开度一致时，处于4喷嘴平衡状态；
9.(4)4喷嘴平衡状态时，同时加大1号、2号、4号和5号喷嘴的开度，机组出力逐渐加大，直到约72％机组额定出力时，此时若继续维持4喷嘴运行，则效率将明显持续下降，因此需要切换为6喷嘴运行；
10.(5)同理，在6喷嘴投入时，为保持各喷嘴射流的均匀性，需要将已投入的1号、2号、4号和5号喷嘴开度减小，即先减小这几个喷嘴的出力，同时开启3号和6号喷嘴，当1号～6号喷嘴开度一致时，处于6喷嘴平衡状态；
11.(6)6喷嘴平衡状态时，同时加大1号～6号喷嘴的开度，直到机组发额定出力。
12.从额定出力减小负荷的过程为上述增大负荷过程的逆过程。
13.根据已建成电站的运行经验，多喷嘴水斗式水轮机从空载并网至机组满负荷需耗时至少5～10min，不能完全适应风能和光伏发电随气象条件变化而快速响应的要求。


技术实现要素：

14.本发明提供一种快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，目的在于缩短调整多喷嘴水斗式水轮机负荷所需时间。
15.本发明采用的技术方案是：快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，以已投入喷嘴的数量和位置为基础，根据负荷调整的目标以及径向力平衡的要求，确定需投入喷嘴的数量、位置和目标开度，再直接将所有需要调整的喷嘴同时调至各自对应的目标开度。
16.负荷调整分为增大负荷和减小负荷两种情况。对于6喷嘴水斗式水轮机，增大负荷时：若已投入喷嘴为2个，则需投入喷嘴为4个或6个，若已投入喷嘴为4个，则需投入喷嘴为6个；减小负荷时：若已投入喷嘴为6个，则需投入喷嘴为2个、3个或4个，若已投入喷嘴的数量为4个，则需投入喷嘴为2个。
17.对于6喷嘴水斗式水轮机，1号、2号、3号、4号、5号和6号喷嘴沿顺时针方向等中心角布置，任意相邻两个喷嘴对应的中心角均为60
°
，符合径向力平衡要求包括下述四种情况：第一种情况是2喷嘴平衡：1号和4号喷嘴同时投入，或2号和5号喷嘴同时投入，或3号和6号喷嘴同时投入；第二种情况是3喷嘴平衡：1号、3号和5号喷嘴同时投入，或2号、4号和6号喷嘴同时投入；第三种情况是4喷嘴平衡：1号、4号、2号和5号喷嘴同时投入，或1号、4号、3号和6号喷嘴同时投入，或2号、5号、3号和6号喷嘴同时投入；第四种情况是6喷嘴平衡：1号～6号喷嘴全部投入。
18.本发明的有益效果是：本发明考虑了径向力平衡的要求，因此并非适用于所有情况的负荷调整。针对符合径向力平衡的要求这一特定条件下的负荷调整，本发明以最快达到目标负荷为第一目的，而不是像现有调整负荷方法那样以效率最优为主要因素并兼顾各种条件下的通用性。本发明在调整负荷期间的效率并非最优，但是满足了特定条件下多喷嘴水斗式水轮机负荷调整快速响应的要求，适应了水风光互补的要求，并且操作简单。
附图说明
19.图1是6喷嘴水斗式水轮机的喷嘴的布置位置示意图。
20.图2是6喷嘴水斗式水轮机的效率变化曲线图，横坐标为机组出力与额定出力的比值，纵坐标为6喷嘴水斗式水轮机的效率。
具体实施方式
21.多喷嘴水斗式水轮机为大中型水斗式水轮机，负荷调整分为增大负荷和减小负荷两种情况，增大负荷时，增多投入的喷嘴数，减小负荷时，减少投入的喷嘴数。下面以6喷嘴水斗式水轮机为例，对本发明作进一步说明。
22.如图1所示，6喷嘴水斗式水轮机具有6个喷嘴，分别为1号～6号喷嘴，1号、2号、3号、4号、5号和6号喷嘴沿顺时针方向等中心角布置，任意相邻两个喷嘴对应的中心角均为60
°
。快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，以已投入喷嘴的数量和位置为基础，根据负荷调整的目标以及径向力平衡的要求，确定需投入喷嘴的数量、位置和目标开度，再直接将所有需要调整的喷嘴同时调至各自对应的目标开度。
23.根据负荷调整的目标，确定需投入喷嘴的数量、位置和目标开度，增大负荷的喷嘴数有三种情况：2喷嘴
→
4喷嘴，2喷嘴
→
6喷嘴，4喷嘴
→
6喷嘴；减小负荷的喷嘴数有四种情况：6喷嘴
→
4喷嘴，6喷嘴
→
3喷嘴，6喷嘴
→
2喷嘴，4喷嘴
→
2喷嘴。
24.无论增大负荷，还是减小负荷，均直接将所有需要调整的喷嘴同时调至各自对应的目标开度。
25.例如，假设已投入喷嘴为1号和4号喷嘴，1号和4号喷嘴处于开度α1运行，根据负荷调整的目标，需要投入6个喷嘴，6个喷嘴的目标开度均为α2，6个喷嘴直接同时朝着目标开度α2进行调整，即1号和4号喷嘴的开度由α1调整为α2，2号、3号、5号和6号喷嘴的开度由0调整为α2。
26.再例如，假设已投入喷嘴为1号～6号喷嘴，1号～6号喷嘴的开度均为α3，根据负荷调整的目标，需要投入2个喷嘴，2个喷嘴的目标开度为α4，1号～6号喷嘴由起始开度α3同时减小至开度α4，然后1号和4号喷嘴，或2号和5号喷嘴，或者3号和6号喷嘴维持在开度α4，其余喷嘴的开度减小至0。

技术特征：
1.快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，其特征在于：以已投入喷嘴的数量和位置为基础，根据负荷调整的目标以及径向力平衡的要求，确定需投入喷嘴的数量、位置和目标开度，再直接将所有需要调整的喷嘴同时调至各自对应的目标开度。2.如权利要求1所述的快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，其特征在于：对于6喷嘴水斗式水轮机，增大负荷时：若已投入喷嘴为2个，则需投入喷嘴为4个或6个，若已投入喷嘴为4个，则需投入喷嘴为6个；减小负荷时：若已投入喷嘴为6个，则需投入喷嘴为2个、3个或4个，若已投入喷嘴的数量为4个，则需投入喷嘴为2个。3.如权利要求1或2所述的快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，其特征在于：对于6喷嘴水斗式水轮机，1号、2号、3号、4号、5号和6号喷嘴沿顺时针方向等中心角布置，任意相邻两个喷嘴对应的中心角均为60
°
，符合径向力平衡要求包括下述四种情况：第一种情况是2喷嘴平衡：1号和4号喷嘴同时投入，或2号和5号喷嘴同时投入，或3号和6号喷嘴同时投入；第二种情况是3喷嘴平衡：1号、3号和5号喷嘴同时投入，或2号、4号和6号喷嘴同时投入；第三种情况是4喷嘴平衡：1号、4号、2号和5号喷嘴同时投入，或1号、4号、3号和6号喷嘴同时投入，或2号、5号、3号和6号喷嘴同时投入；第四种情况是6喷嘴平衡：1号～6号喷嘴全部投入。

技术总结
本发明公开了一种快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，涉及水电领域，目的在于缩短调整多喷嘴水斗式水轮机负荷所需时间。本发明采用的技术方案是：快速调整多喷嘴水斗式水轮机负荷的方法，以已投入喷嘴的数量和位置为基础，根据负荷调整的目标以及径向力平衡的要求，确定需投入喷嘴的数量、位置和目标开度，再直接将所有需要调整的喷嘴同时调至各自对应的目标开度。本发明提出的方法操作简单，用于符合径向力平衡的要求这一特定条件下的负荷调整，满足了多喷嘴水斗式水轮机负荷调整快速响应的要求，适应了水风光互补的要求，用于大中型水斗式水轮机的负荷调整。中型水斗式水轮机的负荷调整。中型水斗式水轮机的负荷调整。


技术研发人员：蒋登云 兰岗 吴佰杰 孙文彬
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/6/4