2022抽水蓄能电站输水发电系统水力激振预控导则-solarbe文库

抽水蓄能电站输水发电系统水力激振预控导则目次 1 总则 1 2 术语 2 3 基本规定 3 4 水力激振分析 4 4.1 输水系统特征频率分析 4 4.2 振源频率分析 4 4.3 激振分析 4 5 预控措施 6 5.1 预防措施 6 5.2 监测要求 6 5.3 控制措施 6 本规程用词说明 7 条文说明 .17 1 1 总则 1.0.1 为规范抽水蓄能电站输水发电系统水力激振预防与控制工作，制定本导则。 1.0.2 本导则规定了抽水蓄能电站水力激振预防、控制应遵循的一般原则。 1.0.3 本导则适用于新建、改建和扩建的抽水蓄能电站水力流动和水力机械引起输水发电系统水力激振现象的预防与控制。 1.0.4 抽水蓄能电站输水发电系统水力激振预防与控制除符合本导则外，尚应符合国家和行业现行标准的规定。 2 2 术语 2.0.1 水力激振 hydraulic oscillation 输水发电系统中由于系统自身或外界的扰动引起的水力振荡现象，包括自激振荡和受迫振荡。 2.0.2 自激振荡 self-excited oscillation 输水发电系统在没有外部振源的条件下，由于系统内部不稳定扰动而激发的水力振荡现象。 2.0.3 受迫振荡 forced oscillation 输水发电系统在受到外部周期性激励输入情况下产生的水力振荡现象，也称强迫振荡。 2.0.4 水力共振 hydraulic resonance 输水发电系统受到的扰动频率与其水体特征频率相同或接近的情况下引起的持续大幅振荡现象。 2.0.5 振源 oscillation source 引起输水发电系统水力激振的激励源，如输水发电系统中的机组、进水阀等。 2.0.6 振源频率 oscillation source frequency 引起输水发电系统水力激振的激励源的频率。 2.0.7 特征频率 characteristic frequency 反映输水发电系统固有的频率特性，取决于输水发电系统的布置，以及机组、阀门和调压室等的水力特性。 3 3 基本规定 3.0.1 输水发电系统设计阶段，应进行水力激振分析，避免发生水力共振。 3.0.2 机组及其附属设备应设置必要的防止自激振荡扩大的防范措施。 3.0.3 输水发电系统运行阶段，应考虑发生水力激振情况下的安全调控措施。 4 4 水力激振分析 4.1 输水系统特征频率分析 4.1.1 抽水蓄能电站输水发电系统水力振动分析内容应包括自由振动分析和强迫振动分析。 a) 应采用自由振动分析，以各阶振型、频率和衰减因子来描述输水发电系统的自振特性。 b) 应采用强迫振动分析，以输水发电系统的振型图来描述不同扰动源对水力振动的影响。 4.1.2 应根据抽水蓄能电站机组和输水系统参数，针对水力振动分析工况，采用自由振动分析法，确定输水系统的特征频率。 4.1.3 水力振动分析应以频域分析为主，断面水头和流量均采用复值，状态向量为各断面振荡水头和振荡流量。 4.1.4 根据输水系统中水力元件的布置特性，应采用水力阻抗法，结合水力元件的过流特性，确定水力元件的水力阻抗。 4.1.5 输水系统自由振动分析宜结合较低阶的自振频率进行分析，应涵盖输水系统可能的振源频率范围。 4.1.6 应结合水锤波速的敏感性分析确定输水系统的特征频率。 4.1.7 针对设置调压室或闸门井的输水系统，第 1 阶或前几阶特征频率必须与调压室或闸门井的水位波动频率对应一致或强相关，可结合理论计算公式进行校核。 4.2 振源频率分析 4.2.1 机组相关的振源，包括尾水管涡带、振荡大轴及转子的转频摆振、轮叶 5 过频振荡，振源频率详见附录 A。 4.2.2 进水阀的振源，包括检修密封、工作密封泄漏引起的振动，振源频率详见附录 A。 4.3 激振分析 431 输水发电系统任意 1 阶或多阶特征频率对应的衰减因子为正值，机组应避开对应的工况点运行或快速通过对应的运行区域。 432 宜分析进水阀密封引起的自激振荡。 433 根据输水发电系统的特征频率和振源的幅频特性，评估系统在外扰作用下产生水力激振的可能性。 434 针对多调压室的输水发电系统，应进行多调压室水位波动的水力共振分析，各调压室的水位波动周期宜相差 20%以上。 435 引水道和尾水道的低阶特征频率宜相差 20%以上。 6 5 预控措施 5.1 预防措施 5.1.1 应采取措施防止进水阀引起的自激振动，工作密封和检修密封投入腔和退出腔压力差应满足密封压紧要求。 5.1.2 进水阀的工作密封和检修密封滑动面应做防锈处理，采用可靠的止水密封型式，防止投入腔和退出腔之间产生泄漏。 5.1.3 输水系统和水泵水轮机设计时，应避免因动静干涉所产生的压力波在蜗壳和高压侧引水管路中传播和叠加引起的共振。 5.1.4 应明确输水系统的特征频率，并在输水系统设计时应充分考虑水泵水轮机的激振频率。 5.2 监测要求 521 应进行输水系统压力值的实时监测，监测设备精度等级不低于 0.5%，压力值宜以模拟量接入监控系统。 522 应进行进水阀工作密封投入、退出压力腔压力值和压差值的实时监测和计算，监测精度等级不低于 0.5%，压力值宜以模拟量接入监控系统。 523 应进行进水阀本体位移量的实时监测，位移量宜以模拟量接入监控系统。 524 应进行进水阀工作密封位置的实时监测，宜以开关量接入监控系统。 525 宜在进水阀典型监控画面中增加水力激振保护画面。 526 应进行机组蜗壳、尾水管、无叶区等部位的压力脉动幅值及频率监测。 527 应进行机组振动和摆度监测。 7 5.3 控制措施 5.3.1 应制定输水发电系统水力激振消除处置流程。 5.3.2 机组应避开或快速通过不稳定运行区，以避免产生自激振荡。 5.3.3 应考虑防止进水阀引起的自激振荡扩大的处置措施。 8 本规程用词说明 1 为便于在执行本导则条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下： 1）表示很严格，非这样做不可的：正面词采用“ 必须” ，反面词采用 “严禁”； 2）表示严格，在正常情况均应这样做的：正面词采用“ 应” ，反面词采用 “不应”或“不得” ； 3）表示允许稍有选择，在条件许可时首先应这样做的：正面词采用“ 宜” ，反面词采用 “不宜”； 4）表示有选择，在一定条件下可以这样做的，采用“ 可”。 2 条文中指明应按其他有关标准执行的写法为：“应符合……的规定”或“ 应按……执行” 。 9 附录 A 典型振源种类附表 A 典型振源种类及频率范围名称频率范围备注尾水管涡带振荡机组转频的 0.2 到 0.4 倍，但主要在 0.25 到 0.3 倍之间。在没有测试数据的情况下可用系数 0.278。主要发生在最高效率点水轮机出力的 45%到 65%运行条件下，因此也称为“半负荷涡带” 。大轴及转子的转频摆振小幅时等于转频。大幅时若进入非线性区后会产生高次波动分量，但基波为转频不变。高次谐波以 3 次和 5 次为主。造成大轴摆振的可能较多，例如尾水管涡带，尾水管空化振荡等因素都可造成大轴的水力受迫摆振。轮叶过频振荡 𝑓 = 𝑛 × 𝑍𝑟 × 𝑘 其中 n 为转频，Z r 为转轮叶片数， k=1,2,3…为谐波次数。在转轮旋轮过程中轮叶与静止的导叶交汇而过时产生的水力冲击。水泵水轮机的水泵工况和离心水泵较为严重。进水阀密封振动频率进水阀密封泄漏，受输水系统及机组运行特性影响，产生随机振动。主要受泄漏量及流速、密封材料影响。可通过三维仿真，计算密封振动频率进水阀在水体中的“湿模态”分析，各阶固有频率为基准频率，将进水阀密封振动频率与之对比，严重时会产生共振。 10 附录 B 水力激振分析方法在水力振动分析中，一般采用复数进行各种计算，如振荡水头 h 和振荡流量 q 均有下面的形式 h  Hest ， q  Qest (B-1) 式中：H 和 Q 分别为瞬时水头和瞬时流量；s 为拉普拉斯变量，在水力振动理论中亦称复频率，s 定义为 s= +i ，其中  为衰减因子，  为角频率。 u d x u d 图 B-1 单一计算管段单管水力振动的基本方程为： Zx  Zu  Zc tanh x 1  Zu tanh xZ c Z  Hu u Q (B-2) 式中：H x、Q x 分别为 H、Q 对 x 的偏导； u ，H u、Q u 分别为 x=0 时 Z   R  fQ L  1 C  gAc H、Q 的值； Cs ，   Cs(R  sL) ， gDA2 ， gA ， a2 ，g 为重力加速度；A 和 D 分别为计算管段断面积和直径；a 为管道计算水锤波速，f 为管道摩阻系数。水力振动基本方程是水力阻抗法和传递矩阵法的共同基础。建立了水力振动基本方程以后，可建立有压输水系统各组成管道和水力元件的水力阻抗模型，进行水力振动分析。 11 B.1 水力阻抗法在水力阻抗法中，引入振荡水头和振荡流量的比值—水力阻抗，根据系统已知边界条件，可以计算出系统各断面的水力阻抗，在水力振动分析中，水头和流量均采用复值，从而使各断面的水头、流量变化的振幅和相角均不同，水力阻抗的大小也就取决于水头、流量的复数运算结果。一些基本水力元件的阻抗特性如下： (1) 上(下) 库 1 2 图 B.1-1 上(下)库或出口端如图 B.1-1 所示，水库水位 H u0，故水力阻抗为 Z  Hu  0 u Q u (B.1-1) (2) 机组单位流量 Q11 n11 机组单位转速图 B.1-2 机组特性曲线 12 T 水力阻抗公式为 Z  Ht  Qt n D (Q 2n  Q11 n ) 11 1 11 n 11 (B.1-2) 式中： Q11 为单位流量； n11 为单位转速； n 为机组转速； D1 为机组转轮直径。 (3) 阻抗式调压室图 B.1-3 阻抗式调压室阻抗式调压室水力阻抗计算公式为 Z  Hu  sl  1  2k Q gAs sAs (B.1-3) 式中：k 为流进或流出调压室阻抗孔的水头损失系数；A s 为调压室的面积；l 为调压室水深。 B.2 传递矩阵法和结构矩阵法传递矩阵法和结构矩阵法是输水系统频率域分析的两种主要方法。 B.2.1 传递矩阵法 (1) 串联点 11 u 13 0 1 在两根管道的串联节点，忽略该点的局部水头损失，满足 Qd1=Qu2，H d1=Hu2，则点传递矩阵为 [P]  1 0   (2)分岔点 (B.2.1-1) d u 图 B.2.1-1 分岔点 Zd 3 在分岔点处 H d1=Hd3=Hu2，Q d1+Qd3=Qu2，定义  Hd 3Q d 3 为 3 号管道截面 d 处的水力阻抗值，则该点的点传递矩阵为(由上游往下游传递)  1 0P  1  1  Zd 3  (B.2.1-2) (3) 并联系统 Loop Path 1 k1 Path 2 k2 i A Path j B Path n 14 [ ] = [ ] 图 B.2.1-2 并联系统该并联系统的场传递矩阵为 11 1 2 21 2 2 (B.2.1-3)  1      n  1  u11  u12  u21   u22   u  15 1 2  1  式中：  ，  ，  ，  ， η、 ξ 和 ζ 分别为 i1  12 i ， n  u  1 n  u  1    11  i1  u12 i  Z dk ，    22   i1  u12 i Zdk 。 (4) 集中元件结合调压室和机组等集中元件相关断面的水力阻抗值，则类似于分岔点的点传递矩阵，可写出相应于某集中元件的点传递矩阵。 d u 图 B.2.1-3 集中元件调压室等来说，具有 Hdi=Huj=Hp，Q diQp=Quj，其中 Hp，Q p 分别为集中元件相关断面的水头和流量，当流体从集中元件流出时取“＋” ，否则取“－”，则点传递矩阵为 Z  H p p Q  1 0 [P]   1   Zp  (B.2.1-4) 式中： p 为集中元件相关断面的水力阻抗。对于机组来说，顺水流方向，具有如下特性，Q di=Quj=QpT，H diHpT=Huj，集中元件i jd u 16 则点传递矩阵为 [P]  1 ZpT  0 1   Z  H pTpT Q (B.2.1-5) 式中： pT , QpT，H pT，Z pT 分别定义为水轮机或水泵的引用流量，工作水头(扬程 )和阻抗，符号 “+”表示集中元件为可逆式机组的水泵工况，符号“ －”表示集中元件为可逆式机组中的水轮机工况。 B.2.2 结构矩阵法结构矩阵法是一种先将对象系统分拆成简单元素并建立各元素的子矩阵表达式，然后用分拆后各元素的子矩阵搭建整个系统的总矩阵模型的水道系统数学模型建模方法。 (1)弹性管道元素图 B.2.2-1 弹性管道元素边界符号定义弹性管道元素的子结构矩阵为：   s s  z z  2 z tanh( L) a 2 z sinh( a L)  hi   qi  s  s h   q  17 （B.2.2-1）  j   j  2 z z z sinh( L)  a 2 z tanh( a L)  式中: hi、h j、q i、q j 分别为弹性管道两端水头和流量的无量纲增量，表达式为 18 2 Q  q  Q 、 h  H ，Q 0 为稳态流量，H 0 为稳态水头； Q0 H 0 2 z  ，s 为拉普拉斯算子， k 0 ； H 0 g 为重力加速度； A 和 D 分别为计算管段断面积和直径； a 为管道计算水锤波速； =f / (2gDA2)，f 为水损系数， z  a z ，   aQ0 。 c gA s 2gAH 0 （2）水库元素图 B.2.2-2 水库元素边界符号定义 - 1 h  q  （B.2.2-2）   j j  2 Q 2式中：  0 ，  为局部水头损失系数。 H 0 （3）调压室元素 19  h q Q n  qi 图 B.2.2-3 调压室元素边界符号定义 - AS H 0   q  （B.2.2-3）  s hi i  0  式中： A s 为调压室断面面积。 (4) 水轮机元素图 B.2.2-4 水轮机元素边界符号定义  0.5(1  Qn ) 0.5(1  Qn ) Qy 0 Qn  hi   qi   0.5(1  Q )  0.5(1  Q n )  Qy 0   n  j    j   Ph  Ph Py 1 Pn  y    0  （B.2.2-4） 0 0 0 1  T (s)  E  p   p   a n    out   0 0 1/ G(s) 0 1  n   0  式中： Q11 N11 0Q n 水轮机转速～流量自调节系数， Q n  11 Q11 0 Q ；N 20 Qy 水轮机开度对流量的传递系数， Q  Q11y Y Y0 ；Q  y 接力器行程或导叶开度增量相对值， y  Y Y0 11 0 ； Pn  (1  eq )Qn ； Py  (1  eq )Qy ； Ph  0.5(1  eq )(1  Qn )  (1  eh ) ； eh 相对效率对相对水头变化率， eh   Ho ；H  o eq 相对效率对相对流量变化率， eq   Qo ；Q  o G(s)  y  (Tn s  1)(Td s  1) ，b 调速器的永态转差系数，b 暂态转差系  n (bt  bp )Td s  bp 数，T d 缓冲时间常数， Tn 微分( 或加速)时间常数， n  1 T a s  E n ( p  p out ) ，E n 发电机自调节系数，T a 机组惯性时间常数， p 相对出力增量， p  P 。 P0 p t 21 抽水蓄能电站输水发电系统水力激振预控导则条文说明 22 目次 4 水力激振分析 19 4.1 水道系统特征频率 19 4.3 激振分析 21 23 4 水力激振分析 4.1 水道系统特征频率 4.1.1 输水发电系统自由振动分析的方法包括水力阻抗法、传递矩阵法和结构矩阵法。水力阻抗法是水力振动分析的基础，水力阻抗法以振荡水头和振荡流量的比值，即水力阻抗，来描述管道或水力元件的流量和能量特性。水力阻抗法的水力元件包括： a) 上水库和下水库。水位保持不变，振荡水头应为零。 b) 盲管。管道末端振荡流量为零。具有封闭端的管道，管道末端阀门或机组导叶开度为零，均可作为盲管分析。 c) 振荡阀及固定孔口。阀门振荡幅度为零，可视为固定孔口。机组导叶开度为固定值时，亦可视为固定孔口。 d) 气垫式调压室。应考虑气体的参数及其热力学性质。空气室和气罐均可视为气垫式调压室。 e) 阻抗式调压室。应根据调压室运行条件下的水位和有效面积，并宜结合阻抗孔的阻力特性，分析阻抗式调压室的水力阻抗。 f) 机组。应根据机组运行工况点的流量和能量特性分析水力阻抗，宜结合机组运行工况点局部的特性曲线综合分析确定，可计及调速器的特性、机组力矩和转速特性。传递矩阵法和结构矩阵法用来求解输水发电系统的水力振动特性。（ 1）传递矩阵法，建立管道进口断面与出口断面状态向量之间的场传递矩阵，水力元件上游侧和下游侧状态向量之间的点传递矩阵，系统进口和出口状态向量之间的总传递矩阵。包括： 24 a) 管道串联点。应根据上游管道出口和下游管道出口流量连续和水头平衡的边界条件，建立串联点状态向量的点传递矩阵。 b) 管道分岔点。应根据节点上游侧所有管道出口和下游侧所有管道进口流量连续和水头平衡的边界条件，建立分岔点状态向量的点传递矩阵。 c) 调压室。应根据节点流量连续和水头平衡的边界条件，建立节点上游侧和下游侧状态向量之间的点传递矩阵。 d) 机组和进水阀。应根据节点流量连续和水头平衡的边界条件，建立节点上游侧和下游侧状态向量之间的点传递矩阵。 e) 并联管路。宜综合串联支路和分岔点的点传递矩阵，建立并联管路上游侧管道出口和下游侧管道进口状态向量之间的点传递矩阵。建立点传递矩阵后，遵循如下顺序建立系统的特征方程。 a) 根据分段管道的分段长度、当量直径、综合糙率和水锤波速，计算得到管道的流阻、流感和流容，以及传播常数和特征阻抗的表达式。 b) 根据水力元件节点的流量和水头平衡条件，建立水力元件节点的点传递矩阵。 d) 根据水力元件的点传递矩阵和特征管道的场传递矩阵，宜从系统进口至系统出口，也可系统出口至系统进口，建立系统的总传递矩阵。 e) 根据系统进口和系统出口的边界条件，水库水位和尾水位保持不变，其中状态变量之一的振荡水头为零，可得到描述系统水力振动特性的特征方程。（ 2）结构矩阵法的输水系统水力振动特性分析，根据输水系统的布置，应结合水力元件的水力阻抗，建立水力元素的子结构矩阵，包括： a) 水库。水位保持不变，考虑进/出水口局部水头损失，建立元素子结构矩阵。 25 b) 管道。应根据管道两端的阻抗特性，建立元素子结构矩阵。 c) 调压室。应根据调压室运行条件下的水位和有效面积，并宜结合阻抗孔的阻力特性，建立元素子结构矩阵。 d) 机组和进水阀。应根据机组运行工况点的流量和能量特性分析水力阻抗，宜结合机组运行工况点局部的特性曲线综合分析确定，可计及调速器的特性、机组力矩和转速特性，建立元素子结构矩阵。建立子结构矩阵后，根据系统各水力元素节点间的水头和流量平衡条件，建立输水发电系统的总结构矩阵。 4.1.5 采用迭代法求解系统特征方程之前，可首先假定一系列连续的特征频率，作出特征频率与特征方程值之间的关系曲线，以该曲线每一波谷相应的特征频率作为求解特征方程的迭代初值。 4.3 激振分析 4.3.3 最危险振源的扰动频率等于或接近于系统某一阶自振频率，而且扰动强度相对较大、数值  kTk 节点。 ( Tk  2  k )较小、位于或接近振型中压力腹点或流量

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