宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法

本发明属于流体机械及水力发电，具体涉及宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法。

背景技术：

1、水力发电是我国清洁能源最主要的稳定供应和快速调节的可再生能源，对国家能源战略、电网安全保障有着重要作用。其中混流式水轮机具有适应水头范围广、结构简单等特点，是水电站应用最广泛的机型，约占水电装机容量的80%。随着风能、光能等间歇性可再生能源的并网规模逐渐增大，大容量非稳定供应电源接入电网势必导致电力系统长期稳定运行的安全性大幅降低。因此，水力发电的另一个重要功能是作为现阶段调节风能、光能等间歇性能源并网互补，而混流式水轮机组高频繁、宽负荷运行成为水力发电调节电网平衡的主力军。已建成或在建电站的混流式水轮机组频繁调节电网的宽负荷运行过程中，尾水管偏心涡带引起的尾水管压力脉动是影响机组水力稳定性主要的因素，不仅可能引起较大的振动、造成机组出力摆动，甚至破坏机组过流部件，严重威胁机组的安全稳定运行，成为国内外至今尚未解决的技术复杂难题。

2、抑制尾水涡带是适应控制压力脉动的重要路径和技术方法，拓宽混流式水轮机运行负载区间，提高发电设备服役周期，是能源事业健康蓬勃发展的必然需求。当前，对于众多的学术研究集中在尾水涡带的产生机理、调压井优化设计、尾水管结构锥角优化，科学认识尾水涡带与压力脉动生成的关系，提出减缓压力脉动的一些理论方法。发电机组实际生产中是通过限定导叶开度50%~80%的负荷区间运行，尾水涡带一直伴随整个运行过程，引起压力脉动生成；发电机组导叶开度低于50%的负荷区间运行，尾水涡带诱发严重的压力脉动现象，造成机组剧烈振动，加剧过流部件损坏。因此，现阶段混流式水轮机有限的运行负荷范围，致使严重制约机组的快速精准调节能力。

3、为拓宽混流式机组的运行负荷区间、增强机组调节能力和提高电站运行可靠性，针对影响压力脉动产生的尾水涡带抑制，提出宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法和使用方法，以混流式水轮机宽负荷运行主动抑制尾水涡带的形成为控制目标，实现混流式水轮机组压力脉动降低、负荷区间拓宽、调节能力增强，为调节电网平稳运行提供技术保障。

4、因此，如何实现机组宽负荷运行主动抑制尾水涡带是本领域渴望解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种依靠混流式机组运行负荷状态判断控制指令、扰流装置改变流动状态、高压管汇提供控制动力源、执行机构完成流动状态控制的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法。

2、为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：其特征在于所述宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法包括混流式机组、扰流装置、高压管汇、执行机构及使用方法。所述混流式机组包括进水段、蜗壳、活动导叶、固定导叶、转轮、尾水管，构成能量转换基本装置，实现流体势能和动能转化为机械能的功能。所述尾水管包含直锥段、弯肘段、扩散段。所述扰流装置包括扰流板、固定件a、固定件b和销轴，改变流体在尾水管中流动状态功能。所述扰流板通过固定件a、固定件b和销轴组件固定于尾水管的直锥段，且能绕销轴旋转，实现改变扰流板在尾水管下端面投影面积的功能。所述固定件a通过滑轨螺栓可调整固定直锥段内壁，且位于下端面与下端面之间。所述高压管汇包括由检修口引入的高压管路和检修口引出的低压管路和辅助液压元器件。所述执行机构包括与直锥段链接的液压缸座、与液压缸链接的伸缩轴、与高压管路链接的进油口和低压管路链接的回油口，通过控制伸缩轴改变扰流板空间位置状态，实现改变多工况条件下尾水管中流体流态的功能。

3、优选的，所述扰流板为四块弧形结构组成，扰流板与直锥段通过单个固定件a链接；当与尾水管下端面处于平行状态时，四块扰流板组成完整的圆形环状结构，扰流板投影面积与下端面截面面积之比为0.5~0.8；当扰流板平面与尾水管下端面处于垂直状态时，扰流板投影面积小于下端面截面面积的3%。

4、优选的，所述伸缩轴根据机组负荷状态，通过高压管汇油路的控制，使伸缩轴保持无级伸长或缩短，实现扰流板绕销轴在0~90°范围内无级转动，调整扰流板倾角及投影面积。

5、优选的，所述使用方法如下：

6、当根据活动导叶的开度计算机组运行负荷大于额定负荷的80%时，关闭高压管汇中控制阀，控制伸缩轴完全缩回，扰流装置中的扰流板与下端面保持处于垂直状态。

7、当根据活动导叶的开度计算机组运行负荷处于额定负荷的30%~80%时，根据具体机组负荷值确定扰流板与下端面保持角度对应关系，启动高压管汇中控制阀，通过控制伸缩轴实现对扰流板的无级转动控制；且控制方法遵循活动导叶的开度越小，扰流板与下端面保持角度越大的控制规律，实现不同程度抑制尾水涡带生成。

8、当根据活动导叶的开度计算机组运行负荷小于额定负荷的30%，自动保持高压管汇中控制压力，使伸缩轴保持伸长，扰流装置中的扰流板与下端面保持处于平行状态，实现抑制尾水涡带生成。

9、本发明与现有技术比较，其具有以下有益效果：本发明提供了一种全新的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，(1) 扰流装置无级调节，可主动抑制混流式机组尾水涡带，能实现机组更宽负荷运行，效率高；(2) 通过活动导叶开度联动控制扰流装置空间位置，可靠性高；(3) 不改变原机组结构部件和安装环境，通过检修口进行部件安装、调试、检修，适应性强。此类设置方式实现的高可靠性和强适应性，抑制水轮机尾水涡带生产，拓宽水轮机机组负荷运行区间，增强调节能力。

技术特征：

1.宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，其特征在于：所述宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法包括混流式机组（1）、扰流装置（2）、高压管汇（3）、执行机构（4）及使用方法；

2.根据权利要求1所述的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，其特征在于：所述扰流板（21）为多块弧形结构，当与尾水管（16）下端面（1612）处于平行状态时，组成完整的圆形环状结构，扰流板（21）投影面积与下端面（1612）截面面积之比为0.5~0.8；当扰流板（21）平面与尾水管（16）下端面（1612）处于垂直状态时，扰流板（21）投影面积小于下端面（1612）截面面积的3%。

3.根据权利要求1所述的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，其特征在于：所述伸缩轴（43）在高压管汇（3）油路的控制下，伸缩轴（43）保持无级伸长或缩短，实现扰流板（21）绕销轴（24）无级转动。

4.根据权利要求1所述的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，其特征在于：所述使用方法如下：

技术总结本发明属于流体机械及水电技术领域，具体涉及宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法。宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法技术方案包括括混流式机组、扰流装置、高压管汇、执行机构及使用方法。所述混流式机组包括进水段、蜗壳、活动导叶、转轮、尾水管，实现流体势能和动能转化为机械能的功能；所述扰流装置包括扰流板和固定件，实现改变流体在尾水管中流动状态的功能；所述执行机构包括液压缸座、液压缸、伸缩轴，通过控制伸缩轴改变扰流板空间位置状态，实现改变多工况条件下尾水管中流体流态的功能。本发明提供一种用于水电技术的宽负荷水轮机尾水涡带抑制无级调节系统及使用方法，具有无级、宽负荷调节功能特点。技术研发人员：王文全,唐磊,黄孝文,王秀受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14