CN105678025A - 基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法及系统，首先结合水轮机模型分析在各运行区域下的运行特点；获取水轮机真机运行状态实时数据，通过水电机组在线监测系统分析统计运行时的状态量；通过对水轮机转轮的静应力进行有限元分析，核查转轮在各种工况下最大静应力数值和部位；然后对水轮机进行动应力测试，分析和评估动态应力和转轮运行寿命；测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验，最后获取水轮机各重要部位的参数，评估出机组运行的振动区和稳定运行区；最大限度的保证机组运行安全，避免转轮裂纹产生延长检修周期，提高水轮机的安全稳定性，保证机组的安全经济运行。

Description

基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法及系统

技术领域

本发明涉及水轮机运行控制领域，尤其涉及一种基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法。

背景技术

现有的水轮发电机组投产后，开展机组稳定性试验，划分机组振动区和高效运行区，为水轮机运行提供依据。该技术较为简单和单一，不能真实反映水头有较大变化下的各运行区域的变化，不能真正测试出转轮承受的应力，造成水轮机在长时间运行中转轮产生裂纹，对水轮机安全稳定运行造成严重危害。

发明内容

(一)要解决的技术问题是提供一种水轮机实时运行过程中如何使得水轮机在较大变化下能安全稳定运行的优化控制方法，解决了水轮机在水头有较大变化下的长时间运行造成转轮裂纹的现象。

(二)技术方案

本发明的目的是提供一种基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，包括以下步骤：

S1：根据水轮机设计过程中的模型试验并获取原型机的性能指标数据，记录和分析原型机的运行工况点数据；

S2：监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据；

S3：根据运行状态实时数据对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到水转轮的静态应力和静应力最大的部位和数值；

S4：对水轮机的转轮进行动应力测试，获取转轮在各种实际工况下的动态应力，确定真机组的动应力区；

S5：测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验，获取水轮机的实际运行参数值，并确定机组运行的振动区和稳定运行区；

S6：根据步骤S4获得的动应力区和实际运行参数值确定机组的禁止运行区和限制运行区；

S7：根据机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

进一步，所述步骤S1中的性能指标数据包括原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力和导叶水力矩。

进一步，所述步骤S2中的水轮机的运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据。

进一步，所述步骤S2中的水轮机运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据；

所述静应力最大的部位和数值是通过绘制出转轮叶片的静应力分布图来确定静应力最大的部位和数值。

进一步，所述步骤S4中的各种实际工况下的动态应力包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；

所述水轮机的实际运行参数值包括轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。

本发明还提供了一种基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，包括模型试验性能指标数据模块、真机组运行状态实时数据模块、水轮机转轮有限元分析模块、水轮机动应力测试模块、水轮机实际运行参数值模块、机组运行区确定模块和机组运行区判断调整模块；

所述真机组运行状态实时数据模块，用于监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据；

所述水轮机转轮有限元分析模块，用于根据运行状态实时数据对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到水转轮的静态应力和静应力最大的部位和数值；

所述水轮机动应力测试模块，用于对水轮机的转轮进行动应力测试，获取转轮在各种实际工况下的动态应力，确定真机组的动应力区；

所述水轮机实际运行参数值模块，用于测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验；

所述机组运行区确定模块，用于根据动应力区和实际运行参数值来确定机组的禁止运行区和限制运行区；并通过水轮机的实际运行参数值，并确定机组运行的振动区和稳定运行区；

所述机组运行区判断调整模块，根据机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

进一步，所述模型试验性能指标数据模块中的性能指标数据包括原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力和导叶水力矩。

进一步，所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机的运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据。

进一步，所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据；

所述静应力最大的部位和数值是通过绘制出转轮叶片的静应力分布图来确定静应力最大的部位和数值。

进一步，所述水轮机动应力测试模块中的各种实际工况下的动态应力包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；

所述水轮机的实际运行参数值包括轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。

(三)有益效果

与现有技术和产品相比，本发明有如下优点：

本发明通过对水轮机模型试验和真机运行的研究，结合转轮静、动应力测试结果，并开展全水头全负荷段的稳定性试验和能量试验，生产人员开展运行方式优化，确定机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区、稳定运行区。针对不同运行区域，电厂可以水轮机对运行方式的优化，采取不同的运行策略，最大限度的保证机组运行安全，避免转轮裂纹产生延长检修周期，提高水轮机的安全稳定性，保证机组的安全经济运行。利用该基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法，可以优化机组运行方式，改变开机规律降低开机过程中动应力集中现象，延长转轮使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化系统图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法，包括以下步骤：

S1：根据水轮机设计过程中的模型试验获取模型水轮机及换算得到的原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力、导叶水力矩等性能指标数据，对主要运行工况点数据进行记录和分析，优化水力型线，避免出现不能运行工况，为投产后水轮机真机运行提供依据和安全保障。

S2：机组投产后监测、获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据，从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取轴承振动、摆度、压力脉动、效率等数据，用于分析水轮机真机运行状态是否与模型水轮机相符，为真机运行区域划分和运行策略提供数据依据。

S3：真机运行后开展对水轮机转轮的有限元分析，得到转轮在各种设计工况下的静态应力，主要是最大水头和出力工况下的叶片、进水边、出水边，绘制出转轮叶片的静应力分布图，找出静应力最大的部位和数值，判断是否超出转轮材料的许用应力。

S4：开展对水轮机转轮动应力测试，分析和评估转轮在各种实际工况下，包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力，还可以测试出有限元无法计算的各种非正常运行工况的应力，详细了解真机的实际运行情况、分析机组运行的稳定性、优化开停机规律和运行特性，水轮机运行中应尽量避免高动应力区，防止水轮机转轮疲劳出现裂纹等。

S5：测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验，获取水轮机的实际运行参数值，包括轴承振动值、摆度值、压力脉动、噪声等，根据GB/T11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》和GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》评估出机组运行的振动区和稳定运行区。

S6：根据S5步骤获得机组在全水头、全负荷段下的振动区和稳定运行区，根据S4步骤获得水轮机运行的高动应力区域，并按轴承振动摆度值大小、压力脉动值大小和动应力值，综合确定机组的“禁止运行区”、“限制运行区”、“振动区”和“稳定运行区”。

“禁止运行区”内机组轴承振动摆度较大，尾水压力脉动和噪声值较大，转轮在低负荷下动应力值较大，机组若运行在该区域易导致机组损坏。

“限制运行区”内机组轴承振动摆度偏大，尾水压力脉动和噪声值略大，转轮在低负荷下动应力值偏大，机组不应长期运行在该区域内。

“振动区”内机组轴系摆度振动明显超过正常值数倍，顶盖垂直振动明显增大，压力脉动超标，存在强烈的尾水偏心涡带，虽然转轮动应力值较小，机组禁止在该区域运行。

“稳定运行区”内机组轴系振动摆度较小属于正常范围，顶盖振动较小，动应力、压力脉动值属于正常范围，可以长周期运行。

S7：根据S6步骤确定的机组运行的“禁止运行区”、“限制运行区”、“振动区”和“稳定运行区”四个区域，有针对的优化机组运行工况的调整，积极和上一级电网机构沟通协调，调整AGC分配策略，避免机组在“禁止运行区”和“振动区”内运行，尽量缩短机组在“限制运行区”运行时间，尽量保证机组在“稳定运行区”内稳定运行。

所述步骤S2中的实时数据是通过水电机组在线监测系统来获取的水轮机运行时的振动参数、摆度参数、水压脉动在内的状态量，以及有功值、无功值和水头参数。

所述步骤S4中的动应力测试包括测试转轮在启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力参数。

所述步骤S5中的运行参数值包括水轮机各部位的轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。

实施例2

本实施例提供的基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法，首先是通过水轮机转轮设计模型试验，分析理论上转轮在各运行区域下的运行特点；测量水轮机真机运行状态实时振动、摆度、水压脉动等参数数据，掌握真实情况下机组运行特点。然后，通过开展对水轮机转轮的动应力测试，分析和评估转轮在各种实际工况下，包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力最大值；利用第三方独立测试单位开展水轮机全水头、全负荷段稳定性试验，获取水轮机各重要部位的轴承振动值、摆度值、压力脉动、噪声等，根据GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》评估出机组运行的振动区和稳定运行区；最后综合水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和动应力测试报告数据，评价各个水轮机运行区间的特点，划分运行区间。根据划分的四个不同运行区间，有针对性的制定运行策略，实现水轮机运行的安全。

具体过程如图1所示，图1为本实施例提供一种基于动应力测试和稳定性试验的水轮机优化运行控制方法，具体包括以下步骤：

1、结合水轮机转轮设计模型试验，分析转轮在各运行区域下的运行特点，有针对性的开展型线优化。

2、获取水轮机真机运行状态实时数据，通过水电机组在线监测系统分析统计运行时的振动参数、摆度参数、水压脉动在内的状态量，及有功值、无功值、水头等参数。

3、通过对水轮机转轮的静应力进行有限元分析，核查转轮在各种工况下最大静应力数值和部位

4、开展对水轮机转轮的动应力测试，分析和评估转轮在各种实际工况下，包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；评估在不同运行条件下的转轮运行寿命，为合理划分机组安全运行区域提供科学依据，较为全面的评价转轮安全可靠性能。

本实施例在真机中开展转轮动应力试验，确定动态应力最大的部位和数值，进而了解真机的实际运行情况，对分析机组运行的稳定性、优化开停机规律和运行特性具有十分重要的意义。

5、利用第三方独立测试单位开展水轮机全水头、全负荷段稳定性试验，获取水轮机各重要部位的轴承振动值、摆度值、压力脉动、噪声等，根据《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》(即GB/T11348.5-2008)评估出机组运行的振动区和稳定运行区。

本实施例在真机中开展稳定性试验，可以测量水轮机在各种实际工况下，包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的轴承摆度值、机架顶盖的振动值，测试蜗壳尾水管内压力脉动值，研究该机组的稳定运行区和振动区，指导机组运行的合理调度。

根据《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》(即GB/T11348.5-2008)规定，根据旋转机械的振动幅值将旋转机械划分为两个主要的运行范围：

大区A-B：振动值在此大区内的机器被认为可以无限制长期运行；

大区C-D：振动值在此大区内的机器具有较高的振幅。需考虑具体的设计和运行条件，判别振动值是够允许长期连续运行。

根据该标准，水力发电厂和泵站机组所规定的A/B区范围内，可以长期稳定运行；在所规定的C/D区范围内，不能长期运行。可以判断机组振动区和稳定运行区的范围。

6、综合水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和动应力测试报告数据，评价各个水轮机运行区间的特点，划分运行区间。

利用该基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法，可以优化机组运行方式，改变开机规律降低开机过程中动应力集中现象，延长转轮使用寿命。

该方法可掌握该水轮机全负荷运行特点，有针对性的优化机组运行方式，调整AGC有功调节策略，避免机组在禁止、限制运行区运行，避免频繁跨越振动区，积极和电网调度单位协调优化机组负荷分配，提高了水轮机运行稳定性和可靠性。

该方法可掌握在开机过程中转轮的动应力最大的部位和数值，通过对不同的开机时间和开机曲线下的叶片动应力的对比测量，选用一种合理的调速器开机规律，降低转轮承受的动应力，延长转轮使用寿命。

该方法是采用专门的转轮动应力试验来测试某种型号的水轮机转轮的动应力分布范围，根据动应力最大的传感器分布来确定应力的大小和部位。

实施例3

本实施例采用基于动应力测试和稳定性试验的水轮机优化运行控制方法，对小湾水电厂的1、2、3、4、5、6号700MW水轮发电机组进行优化运行控制。

一、对700MW水轮发电机组运行方式进行分析。

1、结合小湾水轮机模型试验分析运行工况特点

本实施例提供的转轮采用高水头水轮机试验平台进行了模型试验。水轮机模型最高效率为95.06％，换算成原型后为96.45％；模型机加权平均效率为94.09％，真机加权平均效率为95.48％，初生空化系数裕度大于1.2，临界空化系数的裕度大于1.5，模型水轮机及换算得到的原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力、导叶水力矩等性能指标均满足要求，反映水轮机转轮能量指标较高，并且在整个运行范围内水轮机有较高的效率，最优工况区较宽。

2、分析统计小湾水轮机投产后主要运行方式情况

小湾水轮机自2009年第一台机投产运行以来，经过多年运行，统计运行工况如下：以2号机组为例，统计从2009年投产以来一直至2013年12月水轮机在各负荷段下运行时间；得到在稳定运行区运行时间占总运行时间的75％左右，其他25％的时间、超过6600小时都运行在禁止运行区，远远超过水轮机规定的范围。

经进一步统计其他1、3、4、5、6号机组，情况基本一致，在禁止运行区内运行时间过长，不利于机组安全、经济运行。2011至2013年小湾电厂各台机组在低负荷区(单机负荷小于200MW)运行时间共17048.6小时，占总运行时长的17.46％，且呈现逐年增加趋势。

二、开展小湾700MW水轮发电机组运行方式优化研究

为了进一步掌握转轮运行工况特点，小湾电厂从动静应力测试、稳定试验等方面开展测试和分析工作。

1、对小湾水轮机静应力进行复核计算

通过对小湾转轮的有限元受力分析计算，转轮在各种工况下的静态应力并不算高，完全满足技术规范的要求。分别测出最大水头最大出力下转轮静应力、飞逸工况下转轮静应力、最大流量下最大出力下的转轮静应力；根据以上三个工况的静应力分析，最大峰值应力出现在叶片出水边与下环的过渡区，但均低于转轮材料许用应力。

虽然最大应力集中处都在叶片出水边与下环的过渡区，与现阶段转轮裂纹位置一直，但由于静应力均小于材料许用应力，故不是由于结构设计原因导致出现裂纹。

2、开展小湾水轮机动应力试验测试

小湾水轮机投入运行以来，多次发现转轮开裂现象，且多发生在叶片出水边与下环连接处。故开展转轮动应力测试。

通过对各种工况下叶片的应力、压力脉动测试显示，小湾水轮机在连续稳定区和限制运行区内运行时，动应力主要来自于无翼区的动静干涉。但在禁止运行区内，动态应力主要来自于转轮旋转涡带造成的尾水管压力脉动，特别是在200MW负荷以下(峰值在120MW以下)，多个叶道涡带和水力绕流的混频作用，动应力远超过正常运行工况值，极易造成水轮机转轮的疲劳破坏。

通过转轮动应力试验，得到转轮在各运行工况下的动、静应力情况，为评估在不同运行条件下的转轮运行寿命，为合理划分机组安全运行区域提供科学依据，较为全面的评价转轮安全可靠性能，对进一步分析大型水轮机转轮叶片开裂原因和深入开展转轮可靠性研究具有重要意义。

3、开展小湾水轮机全水头、全负荷段稳定性试验

小湾机组安装有TN8000机组状态监测分析系统和振摆保护系统，进行全水头全负荷段的稳定性及效率试验。

从最低水头164m至最大水头251m范围内水头进行了稳定性试验。

(1)单台水轮发电机组运行稳定性测试

对6号机组进行稳定性测试为例：上游水位995.1m，下游水位1212.0m。通过在不同工况下测量机组各机架振动、轴承摆度以及蜗壳压力脉动情况，分析机组的运行稳定情况。

根据测试振摆数据观察，上导、下导摆度全负荷范围内、水导摆度在270MW以下负荷和420MW以上负荷段，均在GB/T11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》第5部分：水力发电厂和泵站机组所规定的A/B区范围内，可以长期稳定运行；而在210MW至420MW负荷段内，水导摆渡处于该标准所规定的C/D区范围内，不能长期运行。

上、下机架及顶盖振动幅值在处于GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》第5部分：水力发电厂和泵站机组所规定的A/B区范围内，可以长期稳定运行。根据综合判断在该测试水头216.9米下，6号机组振动区为270MW-420MW，应尽量避开此区域运行。

(2)单机分水头稳定性试验分析

小湾电厂结合多次的分水头稳定性试验结果，对机组振动区进行了设置，水轮发电机组振动区为：当水头小于等于193m时，振动区为210MW～380MW；当水头大于193m时，振动区为240MW～480MW；压力脉动在负荷为200MW以下较大，建议尽量减少机组在200MW以下运行。

根据试验监测数据分析，小湾电站6台水轮机组运行稳定性能基本相同，试验中对机组各部位振动摆度、压力脉动进行监测，同时结合机组动应力测试发现，机组在120MW负荷以下工况运行，水轮机严重偏离设计工况产生严重叶道涡，有严重的水力扰动和水力不稳定，此时的动应力最大；120MW-240MW间，转轮旋转涡带造成的振动较大，尾水压力脉动有明显的0.9HZ的主频；从240MW以上，各部位振动、摆度出现不同程度的增大，压力脉动、水导摆度、定子机座振动、顶盖垂直振动尤为明显；在480MW负荷以上机组逐渐进入高效稳定运行区域，随着负荷的增加，各部位振动摆度、脉动总体趋势稳定。

根据机组运行稳定性特点，全水头全负荷区间可划分为：禁止运行区、限制运行区、振动区、稳定运行区4种。

(1)空载及0-120MW为禁止运行区，机组禁止在该负荷段运行；

(2)120-240MW为限制运行区，允许机组在该负荷段短时间运行，单台机组在该负荷段内运行时间每年不应超过800小时；

(3)240-480MW为振动区，机组不宜在此负荷段运行；

(4)480-700MW为稳定运行区，机组能在此负荷段长时间稳定运行。

通过对水轮机全水头、全负荷段稳定性试验，小湾电厂优化了机组运行方式，调整AGC有功调节策略，避免机组在禁止、限制运行区运行，避免频繁跨越振动区，积极和电网调度单位协调优化机组负荷分配，提高了小湾水轮机运行稳定性和可靠性。

开展优化前，在一年周期内每台机检修后一般在禁止运行区和限制运行区内运行时间在1100-1300小时；进行优化后，每台机在禁止运行区和限制运行区内运行时间减少至200小时以内。

根据水轮机转轮动应力测试发现，不良的调速器开机规律也是造成叶片疲劳损伤、开裂的重要原因。原有的开机规律中，导叶迅速开到空载开度并保持，若0Hz＜机频≤35Hz，导叶开度开到空载开度+5％全开度；若35Hz＜机频≤47.5Hz，导叶开度到1.2倍空载开度，整个开机过程中叶片动应力较大。

通过对不同的开机时间和开机曲线下的叶片动应力的对比测量，采用斜率线性的调速器开机规律：导叶按0.25％导叶全开度/秒的开启速率从全关至1.4倍的空载开度，转速达到90％的额定转速后导叶开度开至1.3倍的空载开度，转速到达95％的额定转速后调速器控制逻辑由开机状态转为空载状态。

通过实测，转轮叶片下环侧的动应力峰值由原来的开机规律下的340MPa降至200MPa，叶片上冠侧的动应力峰峰值则由55MPa将至30MPa，经计算转轮疲劳寿命可增加2倍；而开机时间仅增加了20秒，符合电网对水电机组快速启动的要求。

当全厂总负荷小于700MW，满足单台机组运行及进相条件下，运行方式优化为单台机组高负荷运行。当单机进相能力不满足系统调压要求时，增加全厂总负荷以满足机组在高负荷运行区运行。可以实现夜间电厂低负荷时单机高负荷运行。

同时将机组各部位振摆值纳入月度运行分析，优化AGC程序，尽量避免机组长时间运行在振动去或频繁的跨越振动区。

实施例4

本实施例提供的水轮机优化运行方法首先采集水轮机实时运行数据并结合水轮机模型试验数据来确定水轮机机组运行的工况区，所述工况区包括禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区；

然后利用机组的实时运行数据来判断机组是否在禁止运行区或振动区内运行，如果是，则在预设禁止运行时间内停止机组运行；

如果否，则判断机组是否在限制运行区运行时间，当水轮机在限制运行区运行时间时，则在预设限制时间段内停止机组运行；如果不在限制运行区运行时间，还要进一步判断机组是否在稳定运行区，如果是，则按照预设调速器斜率线性开机规律启动机组运行并保持机组在稳定运行区运行；如果否，则循环重复判断过程。

本实施例提供的基于动应力测试和稳定性试验的水轮机运行优化方法，具体步骤如下：

S1：根据水轮机设计过程中的模型试验并获取原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力、导叶水力矩的性能指标数据，对运行工况点数据进行记录和分析；

S2：监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据，从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取轴承振动、摆度、压力脉动、效率，用于分析水轮机真机运行状态是否与模型水轮机相符，为真机运行区域划分和运行策略提供数据依据；

S3：对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到转轮在各种设计工况下的静态应力，包括最大水头和出力工况下的叶片、进水边和出水边，绘制出转轮叶片的静应力分布图，找出静应力最大的部位和数值，判断是否超出转轮材料的许用应力；

S4：对水轮机转轮进行动应力测试，分析和评估转轮在各种实际工况下，包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力，分析机组运行的稳定性、优化开停机规律和运行特性，水轮机运行中应尽量避免高动应力区，防止水轮机转轮疲劳出现裂纹；

S5：测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验，获取水轮机的实际运行参数值，包括轴承振动值、摆度值、压力脉动、噪声等，并评估出机组运行的振动区和稳定运行区；

S6：根据S5步骤获得机组在全水头、全负荷段下的振动区和稳定运行区，根据S4步骤获得水轮机运行的高动应力区，并按轴承振动摆度值大小、压力脉动值大小和动应力值，确定机组的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区；

S7：根据S6步骤确定的机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

本实施例还提供了一种基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，包括模型试验性能指标数据模块、真机组运行状态实时数据模块、水轮机转轮有限元分析模块、水轮机动应力测试模块、水轮机实际运行参数值模块、机组运行区确定模块和机组运行区判断调整模块；

所述模型试验性能指标数据模块，用于根据水轮机设计过程中的模型试验并获取原型机的性能指标数据，记录和分析原型机的运行工况点数据；

所述真机组运行状态实时数据模块，用于监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据；

所述水轮机转轮有限元分析模块，用于根据运行状态实时数据对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到水转轮的静态应力和静应力最大的部位和数值；

所述水轮机动应力测试模块，用于对水轮机的转轮进行动应力测试，获取转轮在各种实际工况下的动态应力，确定真机组的动应力区；

所述水轮机实际运行参数值模块，用于测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验；

所述机组运行区确定模块，用于根据动应力区和实际运行参数值来确定机组的禁止运行区和限制运行区；并通过水轮机的实际运行参数值，并确定机组运行的振动区和稳定运行区；

所述机组运行区判断调整模块，根据机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

所述模型试验性能指标数据模块中的性能指标数据包括原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力和导叶水力矩。

所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机的运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据。

所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据；

所述静应力最大的部位和数值是通过绘制出转轮叶片的静应力分布图来确定静应力最大的部位和数值。

所述水轮机动应力测试模块中的各种实际工况下的动态应力包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；

所述水轮机的实际运行参数值包括轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。

以上实施例仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。其具体结构和尺寸可根据实际需要进行相应的调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据水轮机设计过程中的模型试验并获取原型机的性能指标数据，记录和分析原型机的运行工况点数据；

S2：监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据；

S3：根据运行状态实时数据对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到水转轮的静态应力和静应力最大的部位和数值；

S4：对水轮机的转轮进行动应力测试，获取转轮在各种实际工况下的动态应力，确定真机组的动应力区；

S5：测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验，获取水轮机的实际运行参数值，并确定机组运行的振动区和稳定运行区；

S6：根据步骤S4获得的动应力区和实际运行参数值确定机组的禁止运行区和限制运行区；

S7：根据机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略，并返回步骤S2；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

2.根据权利要求1所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，其特征在于，所述步骤S1中的性能指标数据包括原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力和导叶水力矩。

3.根据权利要求1所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，其特征在于，所述步骤S2中的水轮机的运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据。

4.根据权利要求1所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，其特征在于，所述步骤S2中的水轮机运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据；

所述静应力最大的部位和数值是通过绘制出转轮叶片的静应力分布图来确定静应力最大的部位和数值。

5.根据权利要求1所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化方法，其特征在于，所述步骤S4中的各种实际工况下的动态应力包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；

所述水轮机的实际运行参数值包括轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。

6.基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，其特征在于，包括模型试验性能指标数据模块、真机组运行状态实时数据模块、水轮机转轮有限元分析模块、水轮机动应力测试模块、水轮机实际运行参数值模块、机组运行区确定模块和机组运行区判断调整模块；

所述模型试验性能指标数据模块，用于根据水轮机设计过程中的模型试验并获取原型机的性能指标数据，记录和分析原型机的运行工况点数据；

所述真机组运行状态实时数据模块，用于监测真机组并获取水轮机在各种工况下的运行状态实时数据；

所述水轮机转轮有限元分析模块，用于根据运行状态实时数据对运行水轮机转轮进行有限元分析，得到水转轮的静态应力和静应力最大的部位和数值；

所述水轮机动应力测试模块，用于对水轮机的转轮进行动应力测试，获取转轮在各种实际工况下的动态应力，确定真机组的动应力区；

所述水轮机实际运行参数值模块，用于测试水轮机全水头、全负荷段稳定性试验和效率试验；

所述机组运行区确定模块，用于根据动应力区和实际运行参数值来确定机组的禁止运行区和限制运行区；并通过水轮机的实际运行参数值，并确定机组运行的振动区和稳定运行区；

所述机组运行区判断调整模块，根据机组运行的禁止运行区、限制运行区、振动区和稳定运行区四个区域，判断机组的运行区，如果运行区处于禁止运行区和振动区，则调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于限制运行区，则按照预设运行时间并调整机组运行工况和调整AGC分配策略；如果运行区处于稳定运行区，则保持机组的运行状态。

7.根据权利要求6所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，其特征在于，所述模型试验性能指标数据模块中的性能指标数据包括原型机的效率出力、空化空蚀、压力脉动、轴向水推力和导叶水力矩。

8.根据权利要求6所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，其特征在于，所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机的运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据。

9.根据权利要求6所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，其特征在于，所述真机组运行状态实时数据模块中的水轮机运行状态实时数据是从机组状态监测系统、气隙间隙系统或振摆保护系统中获取的轴承振动、摆度、压力脉动和效率数据；

所述静应力最大的部位和数值是通过绘制出转轮叶片的静应力分布图来确定静应力最大的部位和数值。

10.根据权利要求6所述的基于动应力测试和稳定性试验水轮机运行优化系统，其特征在于，所述水轮机动应力测试模块中的各种实际工况下的动态应力包括启动、空载、部分负荷、满负荷和甩负荷过渡过程的动态应力；

所述水轮机的实际运行参数值包括轴承振动值、摆度值、压力脉动和噪声数据。