一种水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法及系统与流程

1.本发明属于水力发电技术领域，涉及一种水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法及系统。


背景技术：

2.水轮机过流部件一般由引水部件(引水管道，蜗壳)、导水部件(固定导叶，活动导叶)、工作部件(转轮)、泄水部件(尾水管)。引水部件把上游来流均匀对称的引入导水部件；导水部件中固定导叶承接来蜗壳出来的上游来流，对来流进行导引并进一步形成环量，再进入活动导叶，通过对活动导叶开度大小有序的控制，即可对机组空载工况的转速以及并网工况的负荷进行调节控制；工作部件进行能量转换，将谁的动能及压能抓换为机械能；泄水部件将工作部件利用完的水流引到下游。
3.部分水电站所在河流泥沙含量很大，电站进水口设置的沉沙池，拦污栅等降低机组过流杂质以及泥沙含量的做法很难达到理想效果。而水轮机过流中的泥沙会对过流部件产生撞击刮擦形成泥沙磨蚀坑，恶化了过流部件表面的平滑形状，使得过流部件内流态变得更加复杂，又反过来促进了泥沙磨损，形成恶性循环，对过流部件金属结构产生损伤破坏，对水轮机的安全稳定运行产生不利影响，其恶果包括但不限于：结构破坏甚至缺失，出力下降，振动增加，更有甚者影响整个机组乃至电站的安全。
4.目前对多泥沙河流电站机组过流部件泥沙磨蚀位置和损坏范围的评估与判断一般需要进行机组拆解，然后根据目测或者简单测量对其进行分级评估，根据分级评估对修补的材料时间等安排进行计划统筹。电厂对过流部件泥沙磨蚀采取补焊或者整体更新等手段进行处理，这种传统方式具有相对固定流程，不够灵活，对结构损害状况缺乏预见性和定量描述，对部分结构复杂区域的磨蚀情况难以或者不能进行直观评估，进而可能对检修进程产生一系列不利影响。
5.综上，由于水轮机过流部件泥沙磨蚀形成原因复杂且危害大，传统评估方法及处理方法难度高局限性大，因此对水轮机过流部件泥沙磨蚀的位置及范围进行科学预测很有必要。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法及系统，该方法及系统能够预测水轮机过流部件的泥沙磨蚀位置及范围。
7.为达到上述目的，本发明所述的水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法包括以下步骤：
8.1)获取电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据；
9.2)根据电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据进行几何建模以及数值模拟，从计算结果中提取水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据；
10.3)根据水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据形成过流部件的泥沙
磨蚀位置及范围。
11.所述电站的运行数据包括机组检修间隔内运行负荷分布和对应运行时间分布、水头、进水口水面高程、尾水水面高程、流量、过流部件开度、来流泥沙含量及尺寸及机组安装高程。
12.电站机组过流部件的几何数据包括引水管道几何尺寸和空间位置参数、蜗壳几何参数、过流部件几何参数、转轮几何参数及尾水管几何参数。
13.采用商用几何建模软件或有限元分析软件进行几何建模以及数值模拟。
14.步骤2)的具体操作为：根据电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据进行几何模拟及数值模拟，计算出水和沙两相流，再以此提取水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布等数据。
15.本发明所述的水电机组过流部件泥沙磨蚀预测系统包括：
16.获取模块，用于获取电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据；
17.提取模块，用于根据电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据进行几何建模及数值模拟，提取水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据；
18.预测模块，用于根据水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据形成过流部件的泥沙磨蚀位置及范围。
19.本发明具有以下有益效果：
20.本发明所述的水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法及系统在具体操作时，先获取电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据，再以此利用数值分析的方法对机组过流部件泥沙磨蚀的位置与范围进行预测，为机组检修时泥沙磨蚀修复进行预报指导，对后期检修工作的开展有预见性，为节省人力物力以及时间成本提供了可能，为机组检修改造提供科学依据，有助于机组泥沙磨蚀问题的解决与预防，弥补传统处理方式的短板，有益于机组安全经济运行，减少了机组运维成本。
附图说明
21.图1为沙粒速度及分布图；
22.图2为水流速度流线图；
23.图3为引水管压力分布云图；
24.图4为引水管速度分布云图；
25.图5为引水管水流速度流线和沙粒速度及分布图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制
的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
28.本发明所述的水电机组过流部件泥沙磨蚀预测方法包括以下步骤：
29.1)获取电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据；
30.所述电站的运行数据包括机组检修间隔内运行负荷分布和对应运行时间分布、水头、进水口水面高程、尾水水面高程、流量、过流部件开度、来流泥沙含量及尺寸及机组安装高程；
31.电站机组过流部件的几何数据包括引水管道几何尺寸和空间位置参数、蜗壳几何参数、过流部件几何参数、转轮几何参数及尾水管几何参数；
32.2)根据电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据进行几何建模及数值模拟，选择检修间隔内机组加权较大的若干工况下的水和沙两相流计算结果，再以此提取水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据；
33.在实际操作时，可以采用商用几何建模软件和有限元分析软件进行几何建模及数值模拟。
34.3)根据水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据形成过流部件的泥沙磨蚀位置及范围。
35.在实际操作时，可以将本发明的预测结果与机组检修时过流部件的实际泥沙磨蚀位置及范围进行对比，以调整商用几何建模软件或有限元分析软件中的数值模拟数据库。
36.本发明所述的水电机组过流部件泥沙磨蚀预测系统包括：
37.获取模块，用于获取电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据；
38.提取模块，用于根据电站的运行数据及电站机组过流部件的几何数据进行几何建模及数值模拟，提取水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据；
39.预测模块，用于根据水和沙的流线分布以及流道内压力、速度分布的数据形成过流部件的泥沙磨蚀位置及范围。
40.实施例一
41.参考图1至图5，采用管径为2m，总长50m，中部弯折与水平夹角为18
°
的输水管路，入口水流速度设定为1m/s，模拟沙粒粒径0.05～1mm。由本发明可得引水管路中的水流流态以及其速度压力分布，也可以得出泥沙在管路中的分布及速度，水流经倾斜段后进入平直流段，在管路拐弯处水流及沙粒速度发生了衰减，且出现沙粒在弯折处聚集且速度下降，最小达到了0m/s，可以判断此处出现较大水力损失和沙粒撞击，表现为沙粒撞击后动能降低，从压力云图及速度云图分布可以明显看出此现象，局部压力明显高于周边，最高达225pa，经过对计算结果的后期处理，可得出泥沙磨损的具体位置。