循环冷却水余压发电装置及方法与流程

1.本发明属于工业循环冷却水系统技术领域，涉及一种循环冷却水余压发电装置，还涉及一种循环冷却水余压发电方法。


背景技术：

2.目前循环冷却水余压发电装置中的水轮机组直接利用上塔管道旁路水轮机对循环冷却水系统余压能高效回收，由于循环冷却水系统可利用余压水头变化幅度较小，且出于成本考虑，所以余压发电水轮机未配置导叶调节机构。
3.此外，余压发电水轮机组体型小，造成转动惯量较小，当水轮发电机组突然故障与电网解列时，水轮机转速将急剧增大至飞逸转速，而飞逸状态下水轮机组会出现较大幅度的压力脉动和转轮径向受力，极易引发转子与定子碰撞事故，需要尽快将其停机并恢复系统压力至飞逸前状态。若控制阀控制不合理将可能带来严重的水锤问题，威胁循环冷却水系统的运行稳定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种循环冷却水余压发电装置，利用水轮机回收循环冷却水系统的余压能。
5.本发明的另一目的是提供一种循环冷却水余压发电方法，解决了水轮机出现事故飞逸及飞逸停机过程带来的水锤问题，提升耦合水轮机的循环冷却水系统运行稳定性。
6.本发明的一个方案为，一种循环冷却水余压发电装置，包括上塔管道，上塔管道内侧设置有压力传感器和流量传感器，上塔管道一侧设置有水轮机，水轮机两端分别通过管路与上塔管道连通，水轮机通过线路连接有发电机，上塔管道上设置有上塔阀和第一控制阀，上塔阀位于上塔管道一端，第一控制阀位于水轮机与上塔管道两处连通位置之间，水轮机一端与上塔管道连通管道上设置有检修阀，另一端与上塔管道连通管道上设置有第二控制阀，第二控制阀靠近上塔阀，第一控制阀、第二控制阀、压力传感器和流量传感器远程连接有计算机。
7.本发明的特点还在于，发电机为异步发电机。
8.本发明的另一个方案为，一种循环冷却水余压发电方法，具体步骤如下：
9.步骤1、将上塔阀和检修阀设置全开状态，使冷却水通过上塔管道经过水轮机流入冷却塔；
10.步骤2、通过压力传感器和流量传感器实时采集反馈到计算机冷却水入塔压力参数、流量参数；
11.步骤3、计算机通过冷却水入塔压力参数、流量参数并结合以循环冷却水系统余压能特性曲线及水轮机特性曲线定义的弃压弃流联合调节策略，远程控制第一控制阀和第二控制阀的开度；
12.当水轮机出现飞逸状态时，计算机通过所构建的三维水轮机与一维循环冷却水系
统耦合算法计算结果，控制第一控制阀进行线性开启运动，第二控制阀进行线性关闭运动，直至水轮机达到停机状态；
13.水轮机飞逸状态停机瞬态过程，第一控制阀线性开启时间小于第二控制阀线性关闭时间，当流量传感器监测到上塔管道内流量增大时，第一控制阀的线性开启时间逼近第二控制阀线性关闭时间；
14.步骤4、水轮机和发电机将循环冷却水余压能转化为电能。
15.本发明的特点还在于，步骤3具体步骤如下：
16.步骤3.1、基于水轮机与循环冷却水系统的水力特性，通过压力传感器和流量传感器反馈的冷却水入塔压力参数和流量参数，结合弃压弃流联合调节策略，计算正常运行工况两个控制阀的水力开度；
17.步骤3.2、当水轮机出现飞逸状态时，基于所构建的三维水轮机与一维循环冷却水系统耦合算法，确定与水轮机串联和并联的控制阀操作方案；
18.步骤3.2.1、建立瞬态模型，采用特征线法建立一维循环冷却水系统的瞬态模型，采用三维计算流体力学方法建立水轮机瞬态模型；
19.循环冷却水系统中一维非恒定流动的运动方程和连续性方程是拟线性双曲线偏微分方程组，采用特征线法获得解析解，得到一维循环冷却水系统的瞬态模型；
20.水轮机采用三维计算流体力学方法，因水轮机内部流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，将水轮机内的流动近似看作不可压缩的三维粘性非定常湍流流动，因此通过将纳维-斯托克斯方程改写为：
[0021][0022]
其中，ui为瞬时速度；p为瞬时压强；ρ为密度，v为水分子运动粘性系数；fi为体积力，计算得到三维水轮机的瞬态模型；
[0023]
步骤3.2.2、使用耦合算法模拟循环冷却水系统中水轮机不同瞬态过程。
[0024]
获得一维模型与三维模型的初始边界条件，其中一维模型均采用压力边界，三维模型采用进口质量流量与出口压力边界；
[0025]
水轮机瞬态过程计算前先对三维模型初始边界条件下稳态工况进行定常计算，获得水轮机稳态工况流场，并将计算结果作为瞬态计算中三维模型的初始文件；
[0026]
为保证瞬态过程中的收敛性，在开始对瞬态过程计算前，先对稳态工况进行一定时间的非定常计算，通过自编插件获取稳态工况时水轮机转轮的水力矩、角速度和转轮轴向力的工作参数，在每一步中，一维模型与三维模型分别计算并把计算结果通过交界面传递给对方；
[0027]
瞬态过程开始，水轮机三维模型在计算流体力学软件中根据编制的自定义函数计算下一个时间步的转速，从而实现每一个时间步转轮转速的更新，对每一个小步进行顺序迭代以获取瞬时工作参数，从而实现瞬态全过程计算；
[0028]
计算过程中监测关键参数是否收敛或达到设置的最大计算步数，若否，则继续迭
代计算，若是，则计算结束。
[0029]
本发明的特点还在于，步骤3中，当水轮机飞逸状态停机时，第二控制阀线性关闭时间为30s～60s。
[0030]
本发明的有益效果是，本发明一种循环冷却水余压发电装置及方法，在水轮机系统工况变换时，可以在不影响水泵网络及热交换器网络的运行方式前提下，利用水轮机最大化回收系统余压能；并且解决了水轮机事故飞逸及飞逸停机过程给系统带来的水锤问题，降低水轮机对系统运行稳定性的影响。
附图说明
[0031]
图1是循环冷却水余压发电装置的结构示意图；
[0032]
图2是不同工况下水轮机与循环冷却水系统水力弃压弃流联合调节策略；
[0033]
图中，1.上塔管道，2.水轮机，3.发电机，4.第一控制阀，5.检修阀，6.上塔阀，7.第二控制阀，8.计算机。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0035]
本发明提供一种循环冷却水余压发电装置，如图1所示，包括连接冷却塔的上塔管道1，上塔管道1内侧设置有压力传感器和流量传感器，基于压力传感器和流量传感器的实时数据，优化水轮机第一控制阀4和第二控制阀7的水力开度，上塔管道1一侧设置有水轮机2，最大化回收循环冷却水系统余压能，水轮机2两端分别通过管道与上塔管道1连通，水轮机2通过线路连接有发电机3，发电机3为异步发电机。
[0036]
上塔管道1上设置有上塔阀6和第一控制阀4，上塔阀6位于上塔管道1一端且远离冷却塔，第一控制阀4位于水轮机2与上塔管道1两处连通位置之间。
[0037]
第一控制阀4、第二控制阀7、压力传感器和流量传感器远程连接有计算机8。
[0038]
水轮机2一端与上塔管道1连通管道上设置有检修阀5，另一端与上塔管道1连通管道上设置有第二控制阀7，第二控制阀7靠近上塔阀6。
[0039]
本发明还提供了循环冷却水余压发电方法，具体步骤如下：
[0040]
步骤1、将上塔阀6和检修阀5设置全开状态，使冷却水通过上塔管道1经过水轮机2流入冷却塔；
[0041]
步骤2、通过压力传感器和流量传感器实时采集并反馈到计算机8冷却水入塔压力参数、流量参数；
[0042]
步骤3、计算机8通过冷却水入塔压力参数、流量参数并结合以循环冷却水系统余压能特性曲线及水轮机特性曲线定义的弃压弃流联合调节策略，如图2所示，远程控制第一控制阀4和第二控制阀7的开度；
[0043]
当水轮机2出现飞逸状态时，计算机8通过所构建的三维水轮机与一维循环冷却水系统耦合算法计算结果，控制第一控制阀4进行线性开启运动，第二控制阀7进行线性关闭运动，直至水轮机2达到停机状态；
[0044]
水轮机2飞逸状态停机瞬态过程，第一控制阀4线性开启时间小于第二控制阀7线性关闭时间，当流量传感器监测到上塔管道1内流量增大时，第一控制阀4的线性开启时间
逼近第二控制阀7线性关闭时间，第二控制阀7线性关闭时间为30s～60s。
[0045]
水轮机2飞逸停机过程两个控制阀均采取线性开启或关闭方式，两个控制阀同时执行操作但操作时长不同。根据水轮机2飞逸前冷却水入塔压力参数和流量参数，优化两个控制阀的操作时长，目标是限制停机过程中出现过大的正、负水锤峰值。
[0046]
步骤3.1、基于水轮机2与循环冷却水系统的水力特性，通过压力传感器和流量传感器反馈的冷却水入塔压力参数和流量参数，结合弃压弃流联合调节策略，计算正常运行工况两个控制阀的水力开度；
[0047]
步骤3.2、当水轮机2出现飞逸状态时，构建三维水轮机与一维循环冷却水系统耦合算法；
[0048]
步骤3.2.1、建立瞬态模型，采用特征线法建立一维循环冷却水系统的瞬态模型，采用三维计算流体力学方法建立水轮机瞬态模型；
[0049]
循环冷却水系统中一维非恒定流动的运动方程和连续性方程是拟线性双曲线偏微分方程组，采用特征线法获得解析解，得到一维循环冷却水系统的瞬态模型；
[0050]
水轮机采用三维计算流体力学方法，因水轮机内部流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，将水轮机内的流动近似看作不可压缩的三维粘性非定常湍流流动，因此通过将纳维-斯托克斯方程改写为：
[0051][0052]
其中，ui为瞬时速度；p为瞬时压强；ρ为密度，v为水分子运动粘性系数；fi为体积力，计算得到三维水轮机的瞬态模型；
[0053]
步骤3.2.2、使用耦合算法模拟循环冷却水系统中水轮机不同瞬态过程；
[0054]
(1)获得一维模型与三维模型的初始边界条件，其中一维模型均采用压力边界，三维模型采用进口质量流量与出口压力边界；
[0055]
(2)水轮机瞬态过程计算前先对三维模型初始边界条件下稳态工况进行定常计算，获得水轮机稳态工况流场，并将计算结果作为瞬态计算中三维模型的初始文件；
[0056]
(3)为保证瞬态过程中的收敛性，在开始对瞬态过程计算前，先对稳态工况进行一定时间的非定常计算，通过自编插件获取稳态工况时水轮机转轮的水力矩、角速度和转轮轴向力的工作参数，在每一步中，一维模型与三维模型分别计算并把计算结果通过交界面传递给对方；
[0057]
(4)瞬态过程开始，水轮机三维模型在计算流体力学软件中根据编制的自定义函数计算下一个时间步的转速，从而实现每一个时间步转轮转速的更新，对每一个小步进行顺序迭代以获取瞬时工作参数，从而实现瞬态全过程计算；
[0058]
(5)计算过程中监测关键参数是否收敛或达到设置的最大计算步数，若否，则继续迭代计算，若是，则计算结束。
[0059]
步骤3.3、计算机8通过所述耦合算法控制第一控制阀4进行线性开启运动，第二控制阀7进行线性关闭运动，直至水轮机2达到停机状态；
[0060]
步骤3.4、当水轮机2飞逸状态停机时，第一控制阀4线性开启时间小于第二控制阀7线性关闭时间，当流量传感器监测到上塔管道1内流量增大时，第一控制阀4的线性开启时间与第二控制阀7线性关闭时间相等。
[0061]
步骤4、水轮机(2)和发电机(3)将循环冷却水余压能转化为电能。
[0062]
本技术根据实际水轮机工况，调整控制阀的启闭开度与时间，具体实施情况，采用某耦合水轮机的循环冷却水系统，该系统单座冷却塔的设计流量为4500m3/h，余压发电水轮机最优工况点参数为19m，4100m3/h。该实施例中水轮机分别在3500m3/h、4100m3/h和4500m3/h三种工况下发生飞逸前后控制阀的水力开度，如表1所示，3500m3/h、4100m3/h和4500m3/h三种工况下水轮机发生飞逸，第二控制阀7关阀操作时间均设置为30s，第一控制阀4开阀时间分别为10s、18s和24s。实施例三种工况下，通过水轮机2串联、并联控制阀启闭方案，系统压力平缓的恢复至飞逸前状态。
[0063][0064]
表1
[0065]
本发明一种循环冷却水余压发电装置及方法，在水轮机系统工况变换时，可以在不影响水泵网络及热交换器网络的运行方式前提下，利用水轮机最大化回收系统余压能；并且解决了水轮机事故飞逸及飞逸停机过程给系统带来的水锤问题，降低水轮机对系统运行稳定性的影响。

技术特征：
1.循环冷却水余压发电装置，其特征在于，包括上塔管道(1)，所述上塔管道(1)内侧设置有压力传感器和流量传感器，所述上塔管道(1)一侧设置有水轮机(2)，水轮机(2)两端分别通过管路与上塔管道(1)连通，所述水轮机(2)通过线路连接有发电机(3)，所述上塔管道(1)上设置有上塔阀(6)和第一控制阀(4)，所述上塔阀(6)位于上塔管道(1)一端，所述第一控制阀(4)位于水轮机(2)与上塔管道(1)两处连通位置之间，所述水轮机(2)一端与上塔管道(1)连通管道上设置有检修阀(5)，另一端与上塔管道(1)连通管道上设置有第二控制阀(7)，所述第二控制阀(7)靠近上塔阀(6)，所述第一控制阀(4)、第二控制阀(7)、压力传感器和流量传感器远程连接有计算机(8)。2.根据权利要求1所述的循环冷却水余压发电装置，其特征在于，所述发电机(3)为异步发电机。3.循环冷却水余压发电方法，其特征在于，该方法使用权利要求2所述的循环冷却水余压发电装置，具体步骤如下：步骤1、将上塔阀(6)和检修阀(5)设置全开状态，使冷却水通过上塔管道(1)经过水轮机(2)流入冷却塔；步骤2、通过压力传感器和流量传感器实时采集反馈到计算机(8)冷却水入塔压力参数、流量参数；步骤3、计算机(8)通过冷却水入塔压力参数、流量参数并结合以循环冷却水系统余压能特性曲线及水轮机特性曲线定义的弃压弃流联合调节策略，远程控制第一控制阀(4)和第二控制阀(7)的开度；当水轮机(2)出现飞逸状态时，计算机(8)通过构建的三维水轮机与一维循环冷却水系统耦合算法计算结果，控制第一控制阀(4)进行线性开启运动，第二控制阀(7)进行线性关闭运动，直至水轮机(2)达到停机状态；水轮机(2)飞逸状态停机瞬态过程，第一控制阀(4)线性开启时间小于第二控制阀(7)线性关闭时间，当流量传感器监测到上塔管道(1)内流量增大时，所述第一控制阀(4)的线性开启时间逼近第二控制阀(7)线性关闭时间；步骤4、水轮机(2)和发电机(3)将循环冷却水余压能转化为电能。4.根据权利要求3所述的循环冷却水余压发电方法，其特征在于，所述步骤3具体步骤如下：步骤3.1、基于水轮机(2)与循环冷却水系统的水力特性，通过压力传感器和流量传感器反馈的冷却水入塔压力参数和流量参数，结合弃压弃流联合调节策略，计算正常运行工况两个控制阀的水力开度；步骤3.2、当水轮机(2)出现飞逸状态时，基于构建的三维水轮机与一维循环冷却水系统耦合算法，确定与水轮机串联和并联的控制阀操作方案；步骤3.3、计算机(8)通过耦合算法控制所述第一控制阀(4)进行线性开启运动，第二控制阀(7)进行线性关闭运动，直至水轮机(2)达到停机状态；步骤3.4、当水轮机(2)飞逸状态停机时，第一控制阀(4)线性开启时间小于第二控制阀(7)线性关闭时间，当流量传感器监测到上塔管道(1)内流量增大时，第一控制阀(4)的线性开启时间与第二控制阀(7)线性关闭时间相等。5.根据权利要求4所述的循环冷却水余压发电方法，其特征在于，所述步骤3.2具体步
骤如下：步骤3.2.1、建立瞬态模型，采用特征线法建立一维循环冷却水系统的瞬态模型，采用三维计算流体力学方法建立水轮机瞬态模型；循环冷却水系统中一维非恒定流动的运动方程和连续性方程是拟线性双曲线偏微分方程组，采用特征线法获得解析解，得到一维循环冷却水系统的瞬态模型；水轮机采用三维计算流体力学方法，因水轮机内部流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，将水轮机内的流动近似看作不可压缩的三维粘性非定常湍流流动，因此通过将纳维-斯托克斯方程改写为：其中，u
i
为瞬时速度；p为瞬时压强；ρ为密度，v为水分子运动粘性系数；f
i
为体积力，计算得到三维水轮机的瞬态模型；步骤3.2.2、使用耦合算法模拟循环冷却水系统中水轮机不同瞬态过程。6.根据权利要求5所述的循环冷却水余压发电方法，其特征在于，所述步骤3.2.2具体步骤如下：获得一维模型与三维模型的初始边界条件，其中一维模型均采用压力边界，三维模型采用进口质量流量与出口压力边界；水轮机瞬态过程计算前先对三维模型初始边界条件下稳态工况进行定常计算，获得水轮机稳态工况流场，并将计算结果作为瞬态计算中三维模型的初始文件；为保证瞬态过程中的收敛性，在开始对瞬态过程计算前，先对稳态工况进行一定时间的非定常计算，通过自编插件获取稳态工况时水轮机转轮的水力矩、角速度和转轮轴向力的工作参数，在每一步中，一维模型与三维模型分别计算并把计算结果通过交界面传递给对方；瞬态过程开始，水轮机三维模型在计算流体力学软件中根据编制的自定义函数计算下一个时间步的转速，从而实现每一个时间步转轮转速的更新，对每一个小步进行顺序迭代以获取瞬时工作参数，从而实现瞬态全过程计算；计算过程中监测关键参数是否收敛或达到设置的最大计算步数，若否，则继续迭代计算，若是，则计算结束。7.根据权利要求3所述的循环冷却水余压发电方法，其特征在于，所述步骤3中，当水轮机(2)飞逸状态停机时，第二控制阀(7)线性关闭时间为30s～60s。

技术总结
本发明公开的循环冷却水余压发电装置及方法，包括上塔管道，上塔管道内侧设置有压力传感器和流量传感器，上塔管道一侧设置有水轮机，水轮机两端分别通过管路与上塔管道连通，水轮机通过线路连接有发电机，上塔管道上设置有上塔阀和第一控制阀，上塔阀位于上塔管道一端，第一控制阀位于水轮机与上塔管道两处连通位置之间，水轮机一端与上塔管道连通管道上设置有检修阀，另一端与上塔管道连通管道上设置有第二控制阀，第二控制阀靠近上塔阀。本发明合理控制阀门启闭，利用水轮机回收能源的同时，解决了水轮机事故飞逸及飞逸停机过程给操作不当带来的水锤问题，提升耦合水轮机的循环冷却水系统运行稳定性。冷却水系统运行稳定性。冷却水系统运行稳定性。


技术研发人员：肖礼报 王鹏
受保护的技术使用者：西安格睿能源动力科技有限公司
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/27