《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》国际标准项目研究

682019.05.DQGYSTANDARDIZED SYNTHESIS ‖标准化综合一、混流式水轮机发展及国内外技术情况分析水电开发是世界上许多快速经济增长体的增长战略的重要组成部分，在全球100多个国家都有水电开发，约占全球电力生产的16.4%。

水力发电占全球储能能力的95%以上。

根据国际水电协会（IHA）的数据，2017年，全球新增装机容量达219GW，中国再次占据了新调试项目的最大份额。

个体增长最大的五个国家分别是中国（9.1GW）、巴西（3.4G W ）、印度（1.9G W ）、葡萄牙（1.1G W ）和安哥拉（1.0GW）。

目前，全球总装机容量已达1267千兆瓦，清洁电力约为4185太瓦时（tWh），占可再生能源发电量的三分之二。

目前全球有100多个抽水蓄能水电项目正在建设中，总容量约为75GW。

到2030年，这些项目将使现有全球存储容量增加50%，达到近225GW。

根据能量转换的特征，水轮机分为反击式和冲击式两种。

反击式水轮机的水流体动能和势能发生变化，而冲击式水轮机仅利用水流的动能发生变化。

在水电站中，反击式水轮机中的混流式水轮机由于适应水头和流量范围广、结构简单、运行稳定、效率高等特点，在建设水电站已经使用的水轮机中占有比重很大。

当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》 国际标准项目研究每年出口产品在5亿美元左右。

作为世界上水力发电的大国，中国在混流式水轮机从模型机到原型机的压力脉动换算方面有丰富的经验和先进的技术。

同时，由于大型水电站的建立，中国掌握着很多其他国家所无法得到的试验数据。

二、国际标准项目研究基础分析IEC/TC4（水轮机委员会）是国际电工委员会（IEC）所属委员会，创建于1913 年，是IEC 第一批成立的4个委员会之一。

IEC/TC4主要任务是负责编制、定期审查和更新国际标准和技术报告，标准和技术报告内容包括水轮机、蓄能泵和水泵水轮机以及与水力发电相关设备的设计、制造和修复、调试、安装、测试、操作和维护等。

目前IEC/TC4已制定了29个国际标准，有13个不同的工作组和维护团队正在积极制定新标准和维护现有标准，有35个国家作为成员参加其中。

在2018年9月的第四次全体会议上，共有178名注册专家确认对28项已经发布或正在研究的主要标准和指南（有些还提供多种语言版本）负责。

TC4就振动、大流量测量、监测和控制以及海洋能源、智能水力和监测与其他可再生能源集团的活动与其他IEC技术委员会、ISO（国际标准化组织）、ASME（美国机械工程师学会）和IEEE（电气和电子工程师协会）保持联系。

TC4已经制定的与混流式水轮机压力脉动换算相关国际标准主要为IEC 60994:1999《水力机械（水轮机、蓄能泵和水泵水轮机）振动和脉动现场测量导则》、IEC 60193:1999《水轮机、蓄水泵、水泵 模型验收试验》，尚未制定关于从模型向原型的压力脉动换算方法标准。

中国在TC4中各工作组的活跃表现已经得到公认，特别是中国通过大型水利工程获得的经验和技术受到世界各国的重视。

在2012年TC4年会上，鉴于中国水电发展技术水平，主席和秘书长提出希望中进入、轴向流出，单机出力从几十千瓦到几十万千瓦。

目前这种水轮机最大出力已经超过70万kW。

据初步统计，中国已运行的单机容量200MW以上的大中型混流式水轮机有400多台，均为混流式水轮机。

我国著名的水电站，比如刘家峡、二滩、三峡、向家坝、白鹤滩等都使用了混流式水轮机。

在混流式水轮机的研发过程中，混流式水电机组的稳定性问题，特别是混流式水轮机的压力脉动问题始终是机组选型的重要指标。

通过对国家能源体系中占有重要的地位的三峡、溪洛渡、向家坝等大型、巨型混流式水电机组论证、研发、运行，对白鹤滩、乌东德等1000MW级巨型混流式水电机组的论证、研发等实践可以得出结论，在某些情况下，混流式水轮机的压力脉动引起的机组不稳定可能成为影响机组稳定安全运行乃至电网安全的大问题。

针对某些大型、巨型电站水轮机的压力脉动过大而引起的稳定性相关的问题，直接在原型机上采取相应补救措施往往费时费力且经常效果不明显。

针对上述情况，业内通行的做法是首先通过在按比例缩小的水轮机模型上进行试验，通过对水轮机模型的试验结果来预测和检验原型机的压力脉动情况。

由于混流式水轮机压力脉动影响因素很多，目前还没有一种有效的方法能够准确地将混流式水轮机模型的压力脉动试验结果换算到原型机上。

德国、法国、意大利、澳大利亚、加拿大、美国等世界各个国家都在攻克该技术难题，同时各国都对本国的试验成果和数据进行保密。

中国经过近十几年的技术引进、消化吸收和再创新，特别是通过大量水电站建设的技术实践，使我国的水电设备开发及制造技术日臻完善，达到了国际先进水平，且具有了一定的国际影响力。

水电产品作为我国重要的发电设备，仅哈尔滨电气集团有限公司和东方电气集团有限公司两家的年产值就在70亿元的水平，／中国电器工业协会 徐元凤／2019.05.DQGY69STANDARDIZED SYNTHESIS‖标准化综合‖国来负责编制IEC/TS 62882《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》（Hydraulic machines Technical specification for francis turbine pressure fluctuation transposition），以解决由于换算方法和数据的复杂性而多年未被世界解决的问题。

三、国际标准项目研究内容及技术路线分析IEC/TS 62882《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》是为了规定混流式水轮机、水泵水轮机的工况压力脉动类型、表述方法、标定方法及换算方法。

主要包括但不局限于叶道涡、尾水管涡带和动静干涉。

同时标准中提供不同类型压力脉动引起振动的消除和减轻方法。

本国际标准通过研究，提出了一种与IEC 60193：1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》中采用的换算方法不同的一种新的混流式水轮机模型到原型机压力脉动换算方法。

标准中的方法需要通过转轮出口速度头对压力脉动幅值进行无量纲化，通过每个水头下的零环量流量对水轮机的流量（负荷）进行无量纲化，通过理论分析及大量的数据比较，该方法较IEC 60193：1999的更加合理而且方便。

该标准出版后，应该更易于对原型压力脉动进行预估，有利于电站安全稳定运行。

混流式水轮机压力脉动换算的技术关键是国内外混流式水轮机模型及相似原型机压力脉动数据的统计分析。

压力脉动是水轮机研发的关键技术和性能考核的重要指标，国内外主要水力公司，出于商业及技术保密考虑，极少全面发表关于其水轮机压力脉动相关的文献及数据。

因此如何得到比较完整准确的模型水轮机和相似原型机的数据，建立一套能够对比模型与原型压力脉动的数据分析标准体系，是编制IEC/TS 62882《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》的基础和技术关键。

IEC/TS 62882《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》的技术研究路线是在世界范围内不同的水力机械试验室，进行低、中、高三种转速混流式水轮机变水头、变空化系数试验比较，找出影响混流式水轮机压力脉动的关键因素。

统计不同国家混流式水轮机模型和相似原型机压力脉动数据，采用统计学的方法进行分析，最终确定不同位置不同运行区间的换算方法及不确定度。

四、国际标准项目取得的成果分析在进行混流式水轮机压力脉动换算的影响因素研究阶段，分别在哈尔滨电机厂有限责任公司水力机械试验室、东方电机有限公司研究试验中心、中国水力水电科学研究院水力机械试验室、洛桑联邦理工大学水力机械试验室、挪威科技大学水力机械试验、法国Alstom水力试验室、德国Voith水力试验室这些水力领域国际知名试验室进行相似的试验。

各国内外主要水力试验室根据自己的产品同时进行相似的对比试验，找出了普遍存在的规律，得到了具有通用性和普遍适用性的数据。

在进行数据统计时，为了不损害各公司的利益，数据均采用相对值，以最大值作为参考点，取得了大量宝贵的试验数据和结论。

第一，对于混流式水轮机，模型和原型机除了尺寸相差较大外，模型试验水头和原型机运行水头差别也较大。

标准研制过程中在不同试验台上，研究了不同比转速的混流式水轮机压力脉动的影响因素。

试验结果表明，在一定范围内试验水头对混流式水轮机压力脉动影响较小，鉴于试验水头与雷诺数Re、弗劳德数Fr和韦伯数We直接相关，在研究混流式水轮机压力脉动相似性时，可忽略其影响。

第二，在模型试验时压力脉动通常在恒定的空化系数下进行，而原型机尾水位是变化的，模型试验的空化系数和原型机运行的空化系数可能会存在差异。

压力脉动试验在混流式水轮机最优单位转速附近的6个典型工况进行，即空载、低部分负荷（叶道涡区）、部分负荷、最优工况、额定负荷和超负荷，所对应的相对流量 Q11/Q11，opt分别为0.1、0.5、0.7、1.0、1.2和1.4。

试验结果表明，空化系数不但对混流式水轮机尾水管压力脉动幅值有较大影响，对其频率分布乃至涡带结构也有较大影响。

第三，通过不同空化基准面选择的比较得出结论，对于混流式水轮机压力脉动试验，以转轮中心线作为空化基准面比较合理。

第四，不同试验室不同比转速混流式水轮机压力脉动试验结果表明，在测量条件相同的情况下，混流式水轮机压力脉动的主要影响因素是运行工况和空化系数。

在进行混流式水轮机蜗壳进口、无叶区和尾水管压力脉动相似性研究时，需要确定模型和原型机压力换算的不确定度。

鉴于压力脉动的影响因素较多，试验工况的变化、原型机尾水位的变化、模型和原型机测点位置的差异、模型和原型机使用传感器的差异、测量管路系统的差异（模型一般与流道平齐，而原型机一般通过引出管进行测量）等因素均可影响到压力脉动的测量和分析。

而且目前没有一套成熟的理论来分析模型到原型机的不确定度，这就需要统计世界范围内比较有代表意义的模型和相似原型机的压力脉动数据。

混流式水轮机压力脉动数据是各公司和研究机构严格保密的数据，是公司核心商业机密，但是为了标准的可靠性，各公司及研究机构建议在进行试验数据研究时，按照统一的换算方法，转换成大家可接受的相对数据，在保护了各公司和研发机构的知识产权基础上也保证了标准编写的数据可靠性。

这在以前本领域的研究中从未出现，既是一个技术创新，也是一个全球一体化的合作创新。

该标准定义并描述了不同类型压力脉动的现场、特征、引起的问题和解决措施；对模型及原型机压力脉动测量进行了规范，包括传感器选择、测点选择、测量系统选择、安装方法、测量过程和分析方法等；对模型试验台的共振识别方法进行了介绍，原型机不同工况可能存在的共振等现象进行了说明；提出了一种新的预估方法。

参考文献：IEC文献《STRATEGIC BUSINESS PLAN》，SMB/6614/R注：本文为科技部国家重点研发计划项目“国家质量基础的共性技术研究与应用-电力装备和工程建筑领域国际标准研究” （编号2016YFF0202805）课题研究论文。