IEC TS 631112025 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机 水力瞬态分析、设计考虑和试验标准立项发展报告

水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力瞬态分析、设计考虑和试验标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Hydraulicturbines,storagepumpsandpump-turbines–Hydraulictransientanalysis,designconsiderationsandtesting摘要随着全球能源结构加速向清洁低碳方向转型，抽水蓄能电站作为大规模储能和电网调峰的重要手段，其机组的安全稳定运行日益受到关注。水力瞬态过程——包括水锤、压力脉动、转速上升和尾水回流等现象——是影响水轮机、蓄能泵及水泵水轮机设计安全性和运行可靠性的关键因素。然而，长期以来，国际范围内缺乏针对水力瞬态分析、设计考虑及试验验证的系统性技术规范。为填补这一空白，国际电工委员会（IEC）于2025年10月10日正式发布技术规范IECTS63111:2025《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力瞬态分析、设计考虑和试验》。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及预期应用价值进行系统阐述。报告指出，该标准首次在国际层面统一了水力瞬态分析的基本方法框架，明确了设计阶段瞬态工况的考虑准则，并规范了模型试验和现场试验的验证要求，涵盖从一维特征线法到三维计算流体动力学（CFD）仿真等多层次分析工具的应用准则。该标准的发布填补了IEC水轮机技术委员会（TC4）在瞬态技术规范领域的空白，为全球水电装备设计制造企业、电站运营单位、科研机构及咨询设计院提供了权威的技术依据，对提升抽水蓄能电站和常规水电站的安全设计水平具有重要的指导意义。本报告同时介绍了标准主要参与单位——中国水利水电科学研究院在标准编制中的技术贡献，并对该标准的未来发展方向进行了展望。关键词：水力瞬态；水轮机；蓄能泵；水泵水轮机；IEC技术规范；水锤分析；设计准则；模型试验Keywords:Hydraulictransient;Hydraulicturbines;Storagepumps;Pump-turbines;IECTechnicalSpecification;Waterhammeranalysis;Designcriteria;Modeltesting1引言1.1研究背景在全球碳中和目标驱动下，以风能、太阳能为代表的可再生能源装机容量快速增长，其出力波动性和间歇性对电网的调峰调频能力提出了更高要求。抽水蓄能电站作为目前技术最成熟、容量最大的储能方式，在全球范围内迎来新一轮建设高潮。据国际水电协会（IHA）统计，全球在建抽水蓄能装机容量已超过100GW，中国、印度、瑞士、美国等国家均在大力推进抽水蓄能电站建设。水轮机、蓄能泵和水泵水轮机的运行涉及复杂的水力瞬变过程。在机组启停、甩负荷、导叶启闭、工况转换等过渡过程中，有压输水系统内将产生显著的压力波动（水锤），不仅可能造成管道系统超压或负压破坏，还可能导致机组转速过度上升、振动加剧甚至结构损坏。典型的工程案例表明，水力瞬态分析不当曾是导致多起严重电站事故的直接原因。因此，科学可靠的水力瞬态分析已成为机组设计选型和电站安全论证中不可逾越的关键环节。然而，在IECTS63111:2025发布之前，国际范围内尚无一项专门针对水力瞬态分析的系统性技术标准。相关要求分散在IEC60193（水轮机模型验收试验）、IEC60545（水轮机安装运行导则）等标准的不同章节中，缺乏统一的分析方法框架、设计准则和试验验证规范。这导致不同设计单位和制造企业采用的分析方法、边界条件设定和安全判据差异较大，既影响了设计成果的可比性，也为电站长期安全运行埋下隐患。1.2标准编制历程鉴于上述行业需求，IEC第4技术委员会（TC4——水轮机）于2018年正式启动水力瞬态标准的编制工作。该标准编制工作由加拿大牵头，联合中国、瑞士、法国、挪威、日本、巴西等主要水电技术强国的专家共同参与。编制组先后召开了十余次国际工作会议，对瞬态分析的方法论、计算精度、设计准则和试验要求进行了深入研讨，并广泛征求了各国水电行业各方的意见。经过近七年的反复修改和完善，标准最终于2025年通过IEC各成员国投票，以技术规范（TechnicalSpecification，TS）形式正式发布，标准编号为IECTS63111:2025，发布日期为2025年10月10日。2标准主要内容IECTS63111:2025《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力瞬态分析、设计考虑和试验》是一部系统性的技术规范，全文共分为9个章节约80页，涵盖了水力瞬态分析的全过程技术要求。标准的主要技术内容包括以下方面。2.1术语定义与分析目标标准首先统一了水力瞬态领域的关键术语定义，包括瞬态过程、水锤压力、转速上升率、尾水回流、调压室涌浪等核心概念。在此基础上，标准明确了水力瞬态分析的三大目标：一是确保输水系统和机组在全部运行工况下的压力安全；二是验证机组转速变化满足发电机和电网的耐受要求；三是评估瞬态过程中机组和流道内的振动与稳定性风险。2.2瞬态分析的方法框架标准建立了一个分层次的分析方法框架，将水力瞬态分析工具划分为一维、三维和联合仿真三个层次。一维特征线法（MOC）适用于全系统长历时水锤过程的模拟，是输水系统设计和调压室方案论证的基本工具。三维计算流体动力学（CFD）方法适用于蜗壳、转轮、尾水管等关键部件内部流动细节的模拟，可捕捉涡带、回流等复杂流动现象。联合仿真方法则结合一维系统模型与三维局部模型，在计算效率和精度之间取得平衡。标准对每种方法的应用范围、网格要求、边界条件设定和结果验证均提出了明确要求。特别强调了一维特征线法建模中摩阻项的处理、波速的取值、初始稳态的确定等关键参数的选取原则，以减少因建模差异导致的计算偏差。2.3典型瞬态工况的模拟要求标准系统梳理了水轮机、蓄能泵和水泵水轮机需要重点分析的典型瞬态工况，包括：-机组甩负荷（包括发电工况和抽水工况）-导叶正常启闭和紧急关闭-水泵断电及水轮机过渡过程-工况转换过程（发电转抽水、抽水转发电）-调压室涌浪校核工况-尾水管水柱分离及其弥合工况针对每种工况，标准给出了推荐的初始条件、边界条件、控制规律及分析输出参数要求，确保不同分析者对于同一工程问题能够建立可比的分析场景。2.4设计阶段的瞬态考虑标准对机组和电站设计中的瞬态考虑提出了系统性要求。在机组设计方面，标准规定了转轮强度校核中应考虑的瞬态压力载荷组合、转速上升对转子动力特性的影响评估以及轴向水推力的瞬态变化特征。在电站系统设计方面，标准对调压室的设置条件与尺寸拟定原则、引水系统管壁厚度设计中瞬态压力的取值方法、进水阀和导叶关闭规律的设计原则等提出了具体指导。2.5模型试验与现场试验标准在试验验证方面建立了完整的规范体系。在模型试验层面，标准规定了瞬态压力测量传感器的安装位置和精度要求、压力脉动时域和频域分析方法以及模型与原型之间的相似律换算准则。在现场试验层面，标准明确了甩负荷试验、负荷阶跃试验和启停试验的测试程序、测量参数、数据记录要求及结果评估方法。标准还引入了数值模型校准的概念，要求将计算结果与实测数据进行系统性对比，并根据偏差对模型参数进行修正。3主要参与单位3.1中国水利水电科学研究院中国水利水电科学研究院（以下简称“中国水科院”）是中国水利水电领域规模最大、综合实力最强的国家级科研机构，也是IECTC4在中国的归口技术支撑单位。该院在水力机械与水力瞬态领域拥有超过六十年的研究积累，建有亚洲领先的高精度水力机械模型试验台和水力瞬态数值仿真平台。在IECTS63111:2025的编制过程中，中国水科院派出了由多位资深专家组成的代表团深度参与标准各章节的起草与讨论。该院专家主要负责了以下技术内容的编制工作：一维特征线法建模的关键参数选取准则、水泵水轮机工况转换瞬态过程的模拟方法框架以及模型试验中瞬态压力测量与数据分析方法等章节。中国水科院依托其在国内数十座大型抽水蓄能电站（如丰宁、长龙山、阳江等）瞬态分析咨询项目中积累的丰富工程经验，为相关技术条款的制定提供了大量宝贵的实测数据和工程案例支撑，显著提升了标准条款的工程适用性和可操作性。此外，该院还承担了标准草案在国内的技术审查和意见征集组织工作，组织国内主要水电设计院、制造企业和高校对标准草案进行了多轮研讨和反馈，有效保障了中国观点在国际标准中的充分表达。4标准的意义与影响IECTS63111:2025的发布具有多方面的重要意义。首先，它填补了国际水轮机标准体系中瞬态分析领域的技术空白，使IECTC4的标准体系更加完善。其次，该标准为全球水电行业建立了统一的水力瞬态分析方法论和技术要求，有助于提高设计成果的可比性和审查效率。第三，标准对瞬态分析中关键参数选取的系统规范，有助于降低因分析方法不当造成的安全风险，提升电站全生命周期的安全性。该标准的发布对抽水蓄能电站的高速发展尤为关键。抽水蓄能机组运行工况多、转换频繁、水头高，水力瞬态问题尤为复杂。本标准的出台，为中国乃至全球抽水蓄能电站的设计审查、机组招标技术规范编制和设备验收提供了明确的国际参考依据。5结论与展望IECTS63111:2025作为国际上首部专门针对水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力瞬态分析的系统性技术规范，是国际水电标准化领域的一项重要里程碑。该标准统一了瞬态分析方法框架，明确了设计考虑准则，规范了模型试验和现场试验的验证要求，为全球水电行业提供了权威的技术指引。展望未来，随着高水头、大容量、可变速抽水蓄能机组的不断涌现，以及人工智能和数字孪生等新技术在水力瞬态领域的逐步应用，该标准的技术内容将持续面临更新和完善的需求。IECTC4已在规划该标准的后续维护工作，预计将在未来3至5年内根据工程应用反馈和技术发展进展启动修订程序。建议国内相关单位积极跟踪该标准的实施动态，在工程实践中积累应用数据，为后续标准修订贡献中国经验和智慧。参考文献[1]IECTS63111:2025,Hydraulicturbines,storagepumpsandpump-turbines–Hydraulictransientanalysis,designconsiderationsandtesting,InternationalElectrotechnicalCommission,2025.[2]IEC60193:2019,Hydraulicturbines,storagepumpsandpump-turbines–Modelacceptancetests,InternationalElectrotechnicalCommission,2019.[3]IEC60545:1976,Guidef