基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法与流程

本发明属于水力发电系统建模，特别是涉及基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法。

背景技术：

1、随着风能、太阳能等间歇性新能源的大规模并网，电网的频率稳定性与供电可靠性面临严峻挑战，抽水蓄能电站凭借其调峰填谷、调频调相、事故备用等核心调节功能，已成为当前电网中成熟可靠的调节资源。在抽水蓄能电站复杂的水力机械系统中，进水球阀是设置在水轮机蜗壳与压力管道之间的关键设备，承担多项功能：在机组正常启停过程中协调控制水流，在停机状态下减少机组泄漏，在机组检修或事故工况下快速截断水流以防止事故扩大，并在过渡过程中降低水锤压力。然而，在长期高水头、高启停频次的运行环境下，球阀工作密封组件因密封环老化极易发生密封劣化与泄漏失效。这种密封失效会引发一系列链式反应：泄漏导致球阀从刚性截断状态转变为柔性阀门特性；在引水系统扰动作用下工作密封进入振荡状态，诱发管道水体周期性压力波动；当泄漏流量与压力脉动形成正反馈时，即会激发强烈的自激振动。分析这一自激振动的形成机理并评估其危害，需要建立能够准确刻画泄漏流量与水头差之间动态关系的模型，并将该动态关系与引水系统的水锤波传播过程相耦合。因此，如何对抽蓄电站漏水球阀进行精细化耦合建模，是本领域亟待解决的技术问题。

2、针对上述技术问题，现有技术通常从三个层面展开研究。第一个层面是泄漏量的经验估算。工程实践中常将球阀泄漏近似视为孔口出流或缝隙流动，依据简化的经验关系式给出泄漏流量与水头差之间的静态对应关系，进而以泄漏流量的大小评判密封状态的好坏或估算停机工况下的水量损失。这类经验公式形式简单、便于工程应用，是当前电站设计阶段评估球阀泄漏的主要手段，但公式中的经验系数通常依赖特定球阀的实验标定，不同密封间隙与密封劣化程度下难以直接沿用。第二个层面是密封结构的改进设计。为延缓密封部件的老化与磨损，现有技术通过优化密封环的材料与结构配置，引入弹性补偿机构、自适应预紧机构等手段维持密封面接触压力，以减少泄漏的发生；部分方案还通过提高操作油压等级、改进密封环动作机构来提高工作密封的投退可靠性，从机械结构层面延长密封寿命。第三个层面是数值仿真分析。在密封性能评估方面，采用有限元方法计算密封面接触应力与密封比压的分布，校核密封结构在不同内压工况下是否满足必须比压与许用比压的要求，判定球阀密封设计的合理性；在引水系统响应评估方面，采用特征线法对压力管道的水力过渡过程进行数值求解，将管道离散为计算单元并结合上下游边界条件，模拟机组启停、甩负荷等动态过程中引水系统的压力波动与衰减特性，据此校核管道与球阀等设备的水锤安全性。此外，部分研究结合试验台架实测泄漏数据拟合经验系数，或将实测压力包络线用于校核过渡过程仿真结果，但整体上上述手段分别服务于密封结构校核、泄漏流量估算与水力响应评估三个相对独立的用途，相互之间缺乏统一的动态模型作为衔接。

3、然而，上述现有技术手段存在明显不足，难以满足漏水球阀耦合建模的需求。依赖经验公式估算泄漏流量时，经验公式只给出静态的平均泄漏估算，无法反映密封结构参数变化对泄漏动态特性的影响，密封劣化过程中泄漏流量的动态演化过程被完全忽略。公开号为cn105221782a的中国专利公开了大口径全焊接球阀密封性能有限元分析建模方法，但该方案中以理论公式计算平均密封比压并以有限元分析密封面应力分布，侧重于密封结构的静态校核，未建立泄漏流量随水头差变化的动态关系式，无法表征密封劣化过程中泄漏特性的动态变化。采用特征线法计算引水系统过渡过程时，传统方案将阀门环节简化为固定边界或已知流量过程，泄漏流量动态模型与管道水锤波传播相互解耦。公开号为cn106013319a的中国专利公开了计算供水系统极限飞逸水锤压力的方法，但该方案中以水泵运转特性耦合水锤传播求解管道压力，未考虑球阀密封泄漏引起的柔性阀门边界特性，无法反映泄漏流量对压力波动的反馈作用。从机械结构角度改进密封性能的方案，同样无法解决上述动态耦合问题。公开号为cn103363145a的中国专利公开了水电站进水球阀高油压操作硬密封结构，但该方案中通过密封圈压缩补偿与挡沙结构提高密封可靠性，未从水压滞后效应的角度建立活动环节的动力学模型，无法刻画输出腔水压滞后推动泄漏流量增大进而诱发引水系统自激振动的正反馈机理；因此，需要提出一种基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法，旨在克服现有球阀泄漏建模依赖经验公式、泄漏动态与水锤传播相互解耦且无法量化密封劣化程度的缺陷，具有以电路等效理论统一刻画泄漏路径滞后响应、活动环动力学与水锤波传播并实现参数自动辨识优化的特点。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法，包括以下步骤：

4、步骤1，基于电路等效理论建立球阀工作密封泄漏路径的流体动力学模型，将泄漏路径等效为包含流感和流阻的rl电路，流感表征输出腔水压变化的滞后效应，流阻表征流体粘性阻力；

5、步骤2，建立活动环动力学模型，得到活动环位移与水头差的关系式；

6、步骤3，构建阀门泄漏流量与水头差的动态关系式，令特征参数，其中为高压侧体积；

7、步骤4，采用特征线法建立管道水锤波传播模型；

8、步骤5，通过遗传算法以仿真与实测压力包络线的时域绝对误差积分构建适应度函数，优化特征参数，输出最优值。

9、优选地，所述步骤1中，所述rl电路满足泄漏流量与压强差的微分方程：

10、；

11、其中，为球阀输入腔与输出腔之间的压强差，为泄漏流量，为流感，为流阻，为时间。

12、优选地，所述流感和流阻根据泄漏路径的等效几何尺寸与流体物性参数确定，所述流感满足：

13、；

14、所述流阻满足：

15、；

16、其中，为泄漏路径等效长度，为泄漏路径等效截面积，为活动环密封接触宽度，为密封间隙高度，为流体动力黏度。

17、优选地，所述步骤2中，压强差与水头差的换算关系为：

18、；

19、其中，为流体密度，为重力加速度，为水头差。

20、优选地，所述步骤2中，建立活动环动力学模型包括建立活动环所受合力与水头差的关系式：

21、；

22、其中，为活动环所受合力，为输入腔的水压，为输出腔的水压，为输出腔水压对活动环的有效压力面积，为输入腔水压对活动环的有效压力面积，为阀腔内水压对活动环的压力面积，且满足。

23、优选地，所述步骤2中，得到活动环位移与水头差的关系式包括：忽略所述流阻的影响，结合牛顿第二定律对活动环加速度进行两次时间积分并通过流固耦合关系化简，得到关系式：

24、；

25、其中，为活动环质量，为水体体积弹性模量，为高压侧体积且满足，其中为活动环行程。

26、优选地，所述步骤3中，阀门泄漏流量与水头差的动态关系式为：

27、；

28、其中，为泄漏流量，为阀门直径，为活动环行程，为球阀固定环与竖直方向的角度，为重力加速度，为高压侧体积，为输出腔有效承压面积，为流体密度，为水体体积弹性模量，为活动环质量，为水头差，为流感；特征参数，值越大表明输出腔水压变化的滞后性越强。

29、优选地，所述动态关系式的推导过程采用活动环与阀芯之间的间隙，所述间隙与活动环位移满足：

30、；

31、阀门泄漏流量通过所述间隙表示为：

32、；

33、其中，为活动环与阀芯之间的间隙，为活动环位移，为活动环行程，为球阀固定环与竖直方向的角度，为阀门直径，为重力加速度，为水头差。

34、优选地，所述动态关系式表示为：

35、；

36、其中中间系数、满足:

37、；

38、；

39、其中，、为中间系数，随特征参数线性增大。

40、进一步地，代入实际球阀数据得到，，其中为特征参数。

41、优选地，所述步骤4中，采用特征线法建立管道水锤波传播模型包括：将管道离散化为个计算单元，取时间步长，其中为空间步长，为水锤波速；水锤波控制方程为：

42、；

43、；

44、其中，为水头，为管道流量，在球阀端等效为泄漏流量，为沿管道轴向的位置坐标，为时间，为管道截面积，为管道直径，为摩擦因数。

45、优选地，沿正向特征线方向，特征线方程为：

46、；

47、沿反向特征线方向，特征线方程为：

48、；

49、；

50、；

51、其中，为计算单元数；上游边界条件为，其中为管道首端节点水头，为上游水库水头；下游边界条件为：

52、；

53、其中，为阀门直径，为活动环行程，为球阀固定环与竖直方向的角度，为流体密度，为重力加速度，为高压侧体积，为输出腔有效承压面积，为水体体积弹性模量，为活动环质量，为流感。

54、优选地，所述步骤5中，通过遗传算法优化特征参数包括：设置种群规模、交叉概率和变异概率；初始化种群并计算个体适应度；通过选择、算术交叉和高斯变异生成子代；采用精英保留策略合并父代种群与子代种群；设置收敛条件，迭代计算直至收敛，输出最优值。

55、进一步地，所述交叉概率，变异概率，种群规模为50。

56、优选地，所述选择采用轮盘赌选择方式，收敛条件为：当连续代的最优个体适应度变化量小于收敛阈值，或迭代代数达到最大迭代代数时，判定遗传算法收敛并终止迭代；其中所述收敛阈值取初始种群最优适应度的倍，，。

57、优选地，一种基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模系统，用于执行所述的基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法，包括泄漏路径等效建模模块、活动环动力学建模模块、泄漏动态关系构建模块、水锤波传播求解模块和参数优化模块；泄漏路径等效建模模块用于将球阀工作密封泄漏路径等效为包含流感和流阻的rl电路，并输出泄漏流量与压强差的微分方程；

58、活动环动力学建模模块用于根据压强差对应的水头差建立活动环位移与水头差的关系式，并输出活动环位移；

59、泄漏动态关系构建模块用于根据活动环位移构建泄漏流量与水头差的动态关系式，确定特征参数并输出动态关系式，其中为高压侧体积；

60、水锤波传播求解模块用于以动态关系式输出的泄漏流量作为下游边界条件，采用特征线法求解管道水锤波传播模型，输出管道各节点的水头并形成仿真压力包络线；

61、参数优化模块用于以仿真压力包络线与实测压力包络线的时域绝对误差积分为适应度函数，通过遗传算法优化特征参数，输出最优值并将最优值反馈至泄漏动态关系构建模块以更新动态关系式。

62、优选地，一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行所述的基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法。

63、优选地，一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行所述的基于电路等效理论的抽蓄电站漏水球阀耦合建模方法。

64、本发明的有益效果如下：

65、1，本发明通过将球阀工作密封泄漏路径等效为包含流感与流阻的rl电路，推导泄漏流量与压强差满足的微分方程，并在此基础上建立活动环动力学模型与活动环位移和水头差的关系式，进而构建泄漏流量与水头差之间的动态关系式，实现了对球阀泄漏过程中水压滞后、粘性阻力和活动环惯性响应的联合刻画，解决了现有技术仅以经验公式估算静态平均泄漏流量、无法表征密封结构参数对泄漏动态特性影响的缺陷。本方案中，流感表征输出腔水压变化的滞后效应，流阻表征流体粘性阻力，使泄漏路径的动态响应得以显式表达；通过令特征参数为流感与高压侧体积的乘积，值的大小直接反映输出腔水压滞后作用的强弱，为球阀密封劣化程度的定量表征提供了明确的理论依据。

66、2，本发明通过建立活动环与阀芯之间间隙随活动环位移变化的几何关系，并依据该间隙推导泄漏流量表达式，将该泄漏流量作为水锤波传播模型的下游边界条件，采用特征线法将管道离散为计算单元并以时间步长与空间步长之比等于水锤波速倒数的离散格式迭代求解，实现了球阀泄漏流量动态模型与引水系统水锤波传播的耦合求解，解决了现有技术将泄漏环节与水锤传播相互解耦、无法评估泄漏流量对压力脉动反馈作用的缺陷。本方案在引水系统受到扰动时，可同步迭代计算管道各节点的水头与流量，使泄漏流量随时间的变化及其对管道压力波动的反馈得到一致表达，能够复现泄漏流量与压力脉动相互增强形成正反馈的过程，为评估工作密封振荡状态下引水系统压力波动幅度及其自激振动风险提供了精细化数值手段。

67、3，本发明通过遗传算法以仿真压力包络线与实测压力包络线的时域绝对误差积分为适应度函数，引入选择、算术交叉与高斯变异等遗传操作并采用精英保留策略，自动搜索使仿真结果逼近实测结果的优化特征参数，解决了现有技术依靠人工试算整定模型参数、难以适应密封状态动态变化的缺陷。遗传算法以种群规模、交叉概率与变异概率为可配置参数，并设置以最优个体适应度变化量与最大迭代代数构成的收敛判据，保证了参数辨识过程的稳定性与可重复性，使模型能够随运行数据的积累持续完成标定。优化所得特征参数以定量方式反映当前密封状态下输出腔水压的滞后程度，将该参数反演结果集成至电站监测系统后，可随运行进程重复执行遗传算法优化并更新特征参数的取值，连续监测特征参数的变化趋势，为密封失效预警与检修决策提供依据，从而避免球阀密封劣化诱发引水系统自激振动事故的发生。