計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在水輪機(jī)綜合特效曲線生成中的應(yīng)用

李一鳳

【摘要】在電子信息發(fā)展迅速的現(xiàn)在，我國(guó)對(duì)于電力的需求越來越大，在我國(guó)電力需求的強(qiáng)烈拉動(dòng)下，水力發(fā)電已經(jīng)成為我國(guó)電力提供的重要技術(shù)，其中水輪機(jī)及輔機(jī)是重要的水電設(shè)備，是水力發(fā)電行業(yè)必不可少的組成部分。在水力發(fā)電站中，水輪機(jī)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)節(jié)主要依賴于水輪機(jī)的模型綜合特性曲線，而這些綜合特性曲線大多以圖形的形式表現(xiàn)出來，繪制圖形需要記錄一些數(shù)據(jù)后進(jìn)行圖形繪制，數(shù)據(jù)的錄入以人工讀取數(shù)據(jù)后錄入計(jì)算機(jī)，此方法工作繁瑣，工作量多，數(shù)據(jù)采集誤差大。本研究利用計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確的特性進(jìn)行采集，適應(yīng)個(gè)性化需求高、刷新頻率快的特性曲線的快速處理，同時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集也適合其他圖形的繪制。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集；特性曲線；計(jì)算機(jī)采樣

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。軟件部分以硬件部分為基礎(chǔ)，硬件部分要根據(jù)軟件部分的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改善。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAT）作為一門綜合性技術(shù)，在水輪機(jī)的內(nèi)部模擬中應(yīng)用廣泛，但水輪機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單的原件，所以暫時(shí)沒有準(zhǔn)確且有效的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析并進(jìn)行描述。所以對(duì)于水輪機(jī)的能量特性仍然需要通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定，這種方法也是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。水輪機(jī)的特性曲線一般通過模型特性曲線上的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行模擬，再通過當(dāng)前的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整最終得出。

1.計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)于特性圖數(shù)據(jù)的采集

使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行水輪機(jī)模型綜合特性曲線的數(shù)據(jù)采集需要將原有圖形進(jìn)行掃描，同時(shí)將掃描的圖形以圖形文件的格式保存在計(jì)算機(jī)里。但是由于掃描錄入，掃描的圖形坐標(biāo)會(huì)與水輪機(jī)的參數(shù)坐標(biāo)不一致，所以計(jì)算出兩個(gè)做標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并進(jìn)行相應(yīng)的換算，使兩個(gè)圖形坐標(biāo)一致，而這個(gè)環(huán)節(jié)是利用計(jì)算機(jī)輔助作用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)之一。由于掃描圖形坐標(biāo)與水輪機(jī)參數(shù)坐標(biāo)不一致，必須對(duì)兩種坐標(biāo)分別取相同條件下的幾個(gè)點(diǎn)后進(jìn)行一系列換算，從而得出兩個(gè)坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)得出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)整體的圖形坐標(biāo)進(jìn)行換算。

2.計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)采集速度的提高

水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行及模擬仿真運(yùn)行時(shí)，其所有被測(cè)參數(shù)都是隨著不同時(shí)刻情況的變化而變化的，變化的幅度不是一個(gè)等值的變化過程，而是一個(gè)幅度不同的變化過程。為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確度提高，必須提高數(shù)據(jù)的采集速度，使其測(cè)量值盡可能的接近運(yùn)行下的情況。對(duì)于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集軟件來說，不應(yīng)具有局限性，而是可以同時(shí)滿足多種情況的圖形數(shù)據(jù)采集，并且具備速度快，準(zhǔn)確性高等優(yōu)質(zhì)特性。

3.水輪機(jī)綜合特性曲線的模擬

由于水輪機(jī)具有不同類型，水輪機(jī)在選定不同類型時(shí)，數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)于采集到的水輪機(jī)綜合特性曲線數(shù)據(jù)也需要一定的數(shù)值進(jìn)行模擬并給與一定的描述。而對(duì)于水輪機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬和描述，通常使用的方法（最小二乘法等）對(duì)于大多數(shù)單調(diào)曲線的描述已經(jīng)足夠用，但是這種方法對(duì)于封閉式曲線沒有效果。所以對(duì)于封閉式曲線的數(shù)據(jù)模擬和描述，大多采用分段式模擬的方法，但是這種方法比較繁瑣，所以并不常用。

用這種方法對(duì)于水輪機(jī)模擬特性曲線的模擬時(shí)由于出現(xiàn)效率大于最優(yōu)效率的錯(cuò)誤（圖形表示為曲線拱高過大），再者，水輪機(jī)綜合特性曲線模擬的正確性不僅取決于過型值點(diǎn)的逼近性，而且還取決于所取該節(jié)點(diǎn)的疏密程度。由于上述原因，為此我們采用三次序號(hào)參變量樣條磨光法[1]。三次序號(hào)參變量樣條磨光法不僅具有非常高的型值點(diǎn)逼進(jìn)性，而且具有保凸性，保尖性，而且對(duì)于大間距型值點(diǎn)節(jié)點(diǎn)也十分合適。在對(duì)于水輪機(jī)綜合特性曲線的模擬采樣中，為了確定模擬情況的準(zhǔn)確性，于是在設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集軟件中設(shè)置了被采集水輪機(jī)綜合特性曲線上繪制出經(jīng)過模擬后的曲線，使兩條綜合特征曲線在一個(gè)坐標(biāo)內(nèi)表現(xiàn)出來，工作人員可以直接進(jìn)行比對(duì)通過鼠標(biāo)的單擊用來確定工作人員對(duì)于模擬出來的特征曲線的準(zhǔn)確性是否滿意。如果得出的結(jié)果并不理想，可以通過計(jì)算機(jī)重新對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取，并將節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇直到滿足所要求的情況為止。這種方法可以保證節(jié)點(diǎn)選取的合理性，同時(shí)也可以減少工作人員為達(dá)到準(zhǔn)確的模擬而進(jìn)行的反復(fù)采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，可以大大減輕工作人員的工作量，并大大的提高準(zhǔn)確性。除此之外，為了減少達(dá)到準(zhǔn)確擬合的反復(fù)采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，節(jié)點(diǎn)一般選擇近似等距的辦法，但是在變化情況劇烈的曲線線段中，其間距可以選擇稠密一些，而在變化情況比較穩(wěn)定的曲線線段中，其間距可以選擇稀疏一些。

4.水輪機(jī)綜合特性曲線對(duì)于任意工況的特性參數(shù)確定

通過上面敘述的方法，學(xué)者們可以模擬出水輪機(jī)綜合特性曲線圖中的各條等值曲線，其中包括等效率線，等開度線和等汽蝕線等。而對(duì)于圖中任意一點(diǎn)的特性參數(shù)也可以通過模擬單位流量線或者單位轉(zhuǎn)速線所交的各個(gè)等值曲線的交點(diǎn)的變化關(guān)系后確定[2]。然而此種方法對(duì)于最大等效率曲線內(nèi)的工況點(diǎn)效率則會(huì)出現(xiàn)最大效率大于最優(yōu)工況點(diǎn)效率或者是出現(xiàn)在最優(yōu)工況點(diǎn)處的效率并不是最優(yōu)效率等錯(cuò)誤的情況。我們雖然可以采用以最優(yōu)工況點(diǎn)為中心，并用最優(yōu)工況點(diǎn)與各條等值特性曲線的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)極坐標(biāo)并以此進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，但是這種方法非常繁瑣，并且得到的結(jié)果誤差也會(huì)比較大。所以我們?yōu)榱双@得最優(yōu)效率可以采用所得最大等效率曲線內(nèi)的工況點(diǎn)并配合如下方法獲得準(zhǔn)確值。將最優(yōu)工況點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)尸的直線相連接，并使其相交于最大等效率曲線上的相鄰接點(diǎn)的直線與一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)命名為K點(diǎn)，并以K點(diǎn)引出一條水平線，使水平線與該等效率曲線相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)命名為H，再以H點(diǎn)引出一條垂線與UP直線相交在2點(diǎn)，通過2點(diǎn)再引出一條水平線，該水平線與該等效率線相交于3點(diǎn)，然后過3點(diǎn)引出一條垂線再與UP直線相交與4點(diǎn)。所得4點(diǎn)就是尸直線交最大等效率曲線的近似交點(diǎn)，然后將4點(diǎn)作為新的K點(diǎn)繼續(xù)重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行求解，反復(fù)幾次即可獲得比較準(zhǔn)確的交點(diǎn)。這種方法相對(duì)于其他幾種方法比較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性較高，對(duì)于計(jì)算機(jī)來說也不是很復(fù)雜。

5.水輪機(jī)綜合特性曲線的生成

在選定水輪機(jī)型號(hào)并且對(duì)于水輪機(jī)模型特性曲線在數(shù)值上進(jìn)行模擬后，就可以通過軟件將圖形生成，在效率交工作特征曲線的一系列交點(diǎn)被確定后，我們可以通過軟件，即可得到我們需要的圖形。

結(jié)束語(yǔ)

本研究通過計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)點(diǎn)擊自動(dòng)的獲得水輪機(jī)特性參數(shù)[3]，并且可以方便的生成準(zhǔn)確度高，可靠性高的水輪機(jī)綜合特性曲線，這種方法和之前的人工讀取數(shù)據(jù)然后人工輸入電腦中進(jìn)行儲(chǔ)存相比較，不僅減輕了工作人員的工作量，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和速度，滿足了現(xiàn)代社會(huì)為了適應(yīng)不同的情況，追求更高的效率的基本要求，除此之外，本文所研究的圖形數(shù)據(jù)采集方法及圖形的繪制，除了適應(yīng)水輪機(jī)綜合特性曲線圖的繪制之外，對(duì)于其他的圖形繪制數(shù)據(jù)采集也是通用的。所以這種方法的兼容性廣泛，應(yīng)用的前景市場(chǎng)也十分廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]唐岳顴，楊建東.Fortran和MATLAB的混合編程在水輪機(jī)特性曲線處理中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（2）：45一49.

[2]陳文毅.泵特性曲線的擬合方法[J].艦船科學(xué)技術(shù)，66一69.

[3]沈祖貽，田樹棠，支培法.水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助分析IM].南京：河海大學(xué)出版社，19.