本发明属于水力发电设备安全检测技术领域，具体涉及一种水力发电设备系统的安全状况预测方法。
背景技术：
水冲击在水力装置提供发电用水时，由于管道内流和压力波动的扰动，对管道和基础设施的稳定性产生巨大的影响。因此，确保水冲击的稳定性至关重要，现场实验对于水冲击的稳定性审查至关重要。然而，大型现场实验可能会造成巨大的成本损失，而难以实现。因此，在国内外水电设施的开发和升级中，需要通过数值分析进行水冲击稳定性评估。
对此，许多研究人员对水力发电设备进行水冲击分析进行了研究，具体包括如下方式：(1)使用计算机化特征线法分析湍流摩擦条件下，阀门关闭对水冲击的影响；(2)运用弹性波理论，对水电站管道的稳定性进行分析，并且使用了计算机模拟来验证该标准。对各参数进行分析后，确认管道材料的弹性对稳定性评价有显著影响；(3)开发基于matlab/simulink的液压涡轮机的非线性特性和非弹性水冲击分析模拟器来评估了水轮机调速器和调压水箱等其它设施参数的所造成的影响。现有技术中水冲击稳定性评价主要对是上、下管网系统进行评价，但水电设备水冲击稳定性评价不足。
技术实现要素：
为了解决上述问题，且检测发电设备对于水冲击的稳定性，本发明基于采用反应水冲击发生机制的特征线法的数值分析方法来提供一种水力设备系统的安全状况预测方法。
本发明建立水冲击发生机理分析与数值分析法，并在此基础上建立了水力发电设备的非正常流动分析模型。
本发明具体采用以下技术方案：
一种水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据动量方程以及连续性方程，建立异常压力流动模型；
步骤2：采用特征线法对步骤1建立的异常压力流动模型进行变换，获得压力水头的高度hp和流速vp的计算模型；
步骤3：分别设定上游管道的边界条件、下游阀门的边界条件、水泵边界条件，其中，上游是指靠近蓄水池的一侧，下游是指靠近阀门的一侧；
步骤4：采集需要预测安全状况的水力设备系统的各项参数，并输入到步骤2中的计算模型中，所述各项参数包括管道长度l、管道直径d、摩擦系数f、管道节点数量n以及上游管口高度hup、下游管道口高度hdown；
步骤5：设定计算时间间隔、正常流动时流速v0、阀门关闭时长和/或水泵停止时长，并根据步骤2中的模型以及步骤4中采集的水力设备系统的各项参数进行预测。
本发明还进一步采用以下优选技术方案：
在所述步骤1中，将水力设备系统内的压力和液体流速作为未知变量，将沿管道传播的距离和传播时间作为自变量，建立异常压力流动模型方程：
其中，h为压力水头高度；v为液体流速；θ为管道倾斜度，通过上、下游管道的高度以及管道长度来计算；a为压力水头的传播速度；g为重力加速度；t为总计算时间；f为摩擦系数；x为沿管道传播的距离；d为管道直径。
所述压力水头的传播速度通过以下公式进行计算：
其中，a为压力水头的传播速度；k为体积弹性系数；ρ为流体的密度；e为管道厚度；d为管道直径；c为泊松比。
所述步骤2中，压力水头的高度hp的计算模型如下：
流速vp的计算模型如下：
其中，v1、v2是指管道内任意两点处的当前流速；h1、h2是指与v1、v2对应的压力水头的高度，δt表示进行计算的时间间隔。
在所述步骤3中，将蓄水池水位高度视为上游管道的边界条件，由此获得以下边界条件：
hpl＝h0
其中，hpl是长度为l处的上游管道的未发生水冲击时的水头高度；h0为蓄水池水位高度；vpl是长度为l处的上游管道的流速；v0的正常流动时的流速；hl是长度为l处的上游管道的发生水冲击后的水头高度。
在所述步骤3中，下游管道的边界条件由压力水头的高度进行表示：
其中，hpn 1是节点n 1处的压力水头高度；hn是指节点n处的压力水头高度；vpn 1是节点n 1处的流速；vn是节点n处的流速。
在所述步骤3中，结合上游管道中流量的控制方程来建立水泵的边界条件，具体如下：
hp＝aq2 bq c
其中，a、b、c分别为水泵的常数参数，q为流量，且q＝vpla；hp＝hpl-hσp。其中，hσp是产生异常流动之后的蓄水池高度。本发明具有以下有益效果：
本发明提出的计算数值模型能够预测水力发电设备在运行过程中可能发生的异常状态流体活动，从而能够作为检查设备稳定性的有用工具。
附图说明
图1是本发明的一种水力设备系统的安全状况预测方法的流程图。
图2是本发明的一个实施例与sinsem分析结果中压力水头的高度随时间变化的对比曲线图。
图3是本发明的一个实施例与sinsem分析结果中流速随时间变化的对比曲线图
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的一种水力设备系统的安全状况预测方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种水力设备系统的安全状况预测方法包括以下步骤：
步骤1：根据动量方程以及连续性方程，建立异常压力流动模型方程。具体地，产生水冲击时管道内的大部分液体处于非定常流状态，这表示特定点的流体的流速和压力随时间变化。系统内的压力和平均流速或水头和流量作为未知变量，自变量为沿系统管道传播的距离和传播时间。因此可通过以下公式表示流体系统的过度现象：
【式1】
【式2】
其中，式1是根据式2推导出的一维异常压力流动方程。且h为压力水头高度；v为液体流速；θ为管道倾斜度，可通过上、下游管道的高度以及管道长度来计算；a为压力水头的传播速度；g为重力加速度；t为总计算时间；f为摩擦系数；x为沿管道传播的距离；d为管道直径。
其中，压力水头是指阀门关闭或水泵停止运转时，由于管道内的水流会瞬间停止而造成管道内压力迅速上升生成的。压力水头△h后，向水压较低的上游传播，并且传播到上游的压力水头再次向下游的阀门方向移动，随着这个过程的重复，管内压力逐渐达到正常状态。这种非定常流状态恢复到正常流动状态所需的时间与管道长度l以及压力水头△h的传播速度a有关，具体为t＝l/a。
其中，压力水头△h的传播速度a根据弹性理论进行计算，具体由管道的厚度、管道的材质、弹性系数以及泊松比进行计算，具体公式如下：
【式3】
其中，a为压力水头的传播速度；k为体积弹性系数；ρ为流体的密度；e为管道厚度；d为管道直径；c为泊松比。
步骤2：采用特征线法对步骤1建立的异常压力流动模型进行变换，获得压力水头的高度hp和流速vp的计算模型。具体地，为了提高计算准确度和方便性，采用特征线法对异常压力流动模型进行变换。通经过将微空间轴和微时间轴的比值定义为传播速度，以有限差分的形式将控制方程进行积分，从而能够计算出任意一点处的压力水头的高度和流速。其中，控制方程包括连续方程和动量方程。进行变换后的模型如下：
【式3】
【式4】
其中，v1、v2是指管道内任意两点处的当前流速；h1、h2是指与v1、v2对应的压力水头的高度，δt表示进行计算的时间间隔。
步骤3：设定上游管道的边界条件、下游阀门的边界条件、水泵边界条件。具体地，以单一管道系统为例，将蓄水池水位高度视为上游边界条件，由此可得如下公式：
【式5】
hpl＝h0
其中，hpl是长度为l处的上游管道的未发生水冲击时的水头高度；h0为蓄水池水位高度；vpl是长度为l处的上游管道的流速；v0的正常流动时的流速；hl是长度为l处的上游管道的发生水冲击后的水头高度。
下游管道的边界条件可以由以下公式表示：
【式6】
其中，hpn 1是节点n 1处的压力水头高度；hn是指节点n处的压力水头高度；vpn 1是节点n 1处的流速；vn是节点n处的流速。
结合上游管道中流量的控制方程来建立水泵的边界条件，具体公式如下：
【式7】
hp＝aq2 bq c
其中，a、b、c分别为水泵的常数参数，q为流量，且q＝vpla；hp＝hpl-hσp。其中，hσp是产生异常流动之后的蓄水池高度。
步骤4：采集需要预测安全状况的水力设备的各项参数，并输入到步骤2中的模型中，其中，各项参数包括管道长度l、管道直径d、摩擦系数f、管道节点数量n以及上游管口高度hup、下游管道口高度hdown。
步骤5：设定计算时间间隔、正常流动时流速v0、阀门关闭时长、水泵停止时长，并根据步骤2中的模型以及步骤4中采集的水力设备的各项参数进行预测。
为了检测上述模型的预测准确度，本发明通过以下实施例进行验证。
实施例1：
在本实施例中，以紧急关闭阀门时产生的水冲击为例来验证本发明的水力设备安全状况预测模型。且本实施例中，水力设备的总体结构为蓄水池-管道-阀门–蓄水池。上游端蓄水池的水位高度h0＝220米；管道长l＝1500米，管道直径d＝0.8m，压力水头传播速度a＝750m/s，摩擦损失系数f＝0.02，上游管道处高度为30米，下游管道处高度为15米。设置初始流速为1.5m/s，总计算时间为100秒，计算间隔为0.25秒，阀门的关闭时长分别位置为5秒和10。计算结果，阀门关闭时长为5秒时的压力水头和流速变化的周期相比阀门关闭时长为10秒时，压力水头和流速变化的周期提前，并且压力水头和流速变动周期的变动幅度增加为2倍以上。因此，可以得知，阀门关闭时长越短，在管道中作用的压力增加越大。
并且，采用simsen仿真软件分析本实施例进行瞬态分析后，对本发明的模型的分析结果以及simsen仿真软件的模拟结果进行的比较。如图2所示，具体地，采用本发明的模型进行分析得出的结果为最大上升水头为298.8m，采用simsen仿真软件进行分析的结果为最大上升水头为296.3m，其误差约为0.8％；且能够看出水头的上升/降低的反复周期基本一致。
如图3所示，两种模型的最大流速一致，皆为1.54m/s，最小值分别为-0.93m/s和-1.01m/s，其误差约为7.9％；且能够看出流速变化周期也基本一致，其中，符号“-”表示朝向蓄水池方向的反向的流速。
本发明通过采集水力设备的各项参数，能够预测水力发电设备在运行过程中可能发生的异常状态流体活动，从而能够作为检查设备稳定性的有效工具。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
1.一种水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据动量方程以及连续性方程，建立异常压力流动模型方程；
步骤2：采用特征线法对步骤1建立的异常压力流动模型进行变换，获得压力水头的高度hp和流速vp的计算模型；
步骤3：分别设定上游管道的边界条件、下游阀门的边界条件、水泵边界条件，其中，上游是指靠近蓄水池的一侧，下游是指靠近阀门的一侧；
步骤4：采集需要预测安全状况的水力设备系统的各项参数，并输入到步骤2中的计算模型中，所述各项参数包括管道长度l、管道直径d、摩擦系数f、管道节点数量n以及上游管口高度hup、下游管道口高度hdown；
步骤5：设定计算时间间隔、正常流动时流速v0、阀门关闭时长和/或水泵停止时长，并根据步骤2中的模型以及步骤4中采集的水力设备系统的各项参数进行预测。
2.根据权利要求1所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
在所述步骤1中，将水力设备系统内的压力和液体流速作为未知变量，将沿管道传播的距离和传播时间作为自变量，建立异常压力流动模型方程：
其中，h为压力水头高度；v为液体流速；θ为管道倾斜度，通过上、下游管道的高度以及管道长度来计算；a为压力水头的传播速度；g为重力加速度；t为总计算时间；f为摩擦系数；x为沿管道传播的距离；d为管道直径。
3.根据权利要求2所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
所述压力水头的传播速度通过以下公式进行计算：
其中，a为压力水头的传播速度；k为体积弹性系数；ρ为流体的密度；e为管道厚度；d为管道直径；c为泊松比。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
所述步骤2中，压力水头的高度hp的计算模型如下：
流速vp的计算模型如下：
其中，v1、v2是指管道内任意两点处的当前流速；h1、h2是指与v1、v2对应的压力水头的高度，δt表示进行计算的时间间隔。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
在所述步骤3中，将蓄水池水位高度视为上游管道的边界条件，由此获得以下边界条件：
hpl＝h0
其中，hpl是长度为l处的上游管道的未发生水冲击时的水头高度；h0为蓄水池水位高度；vpl是长度为l处的上游管道的流速；v0的正常流动时的流速；hl是长度为l处的上游管道的发生水冲击后的水头高度。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
在所述步骤3中，下游管道的边界条件由压力水头的高度进行表示：
其中，hpn 1是节点n 1处的压力水头高度；hn是指节点n处的压力水头高度；vpn 1是节点n 1处的流速；vn是节点n处的流速。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的水力设备系统的安全状况预测方法，其特征在于：
在所述步骤3中，结合上游管道中流量的控制方程来建立水泵的边界条件，具体如下：
hp＝aq2 bq c
其中，a、b、c分别为水泵的常数参数，q为流量，且q＝vpla；
