水電站大波動計算取值問題

朱 麗 輝

（云南機電職業技術學院，昆明 650203）

前言

在水電站設計過程中，對機組在各種水頭下甩全部負荷，所引起的水輪機前壓力管道（蝸殼）中的水錘壓力變化、水輪機尾水管真空度變化，以及機組轉速變化值等進行的計算，統稱為大波動計算（調節保證計算），其計算值應滿足國家相關規定的要求。調節保證計算對電站的安全穩定運行極為重要，在電站招標設計階段之前，它是引水系統及調壓井設計、壓力管道強度計算的依據之一；在招標和施工設計階段，它又是水輪機蝸殼強度設計的基礎；而在機組投產發電前，計算所確定的機組導水葉關閉時間和關閉規律，將是調速系統參數整定的重要理論依據。

1 相關問題

1.1 計算方法

在電站設計手冊中，分別對水錘壓力計算和轉速變化計算給出了幾個近似的計算公式，這些公式對邊界條件進行了諸多假設和簡化，使計算結果誤差較大。現階段在電站設計中都已基本不再使用，而是采用有壓管道非恒定流數學模型和特征線法進行計算機仿真計算。在目前設計中，使用較多的是武漢大學水利水電學院與水電水利規劃設計總院聯合開發的《水電站過渡過程計算軟件》和河海大學編制的《水電站水力機械過渡過程仿真計算通用軟件》。這兩個程序的計算精度較高，在電站設計的前期階段，無論采用哪個程序的計算結果，均能滿足要求。但對于有分岔管路的復雜引水系統電站和大型電站，最好能分別采用兩個程序進行計算，并將計算結果進行對比分析。

1.2 計算工況的選取

計算工況的選取應根據電站引水系統的布置特點、水輪機特性、機組運行工況、電站主接線連接方式和電網的要求等因素綜合分析確定，一般需計算以下幾種工況：（1）上游最高蓄水位，下游設計尾水位，事故甩負荷工況；（2）上游最高蓄水位，下游正常尾水位，事故甩負荷工況；（3）上游正常蓄水位，下游設計尾水位，事故甩負荷工況；（4）上游正常蓄水位，下游正常尾水位，事故甩負荷工況；（5）上游正常蓄水位，下游最高尾水位，事故甩負荷工況；（6）上游死水位，下游設計尾水位，事故甩負荷工況；（7）上游死水位，下游正常尾水位，事故甩負荷工況；（8）最大水頭，下游設計尾水位，事故甩負荷工況；（9）額定水頭，下游設計尾水位，事故甩負荷工況；（10）空載工況的穩定性計算。

1.3 多臺機組同時甩負荷問題

在進行大波動計算時，需要考慮是否有多臺機同時甩負荷問題。一般需根據以下情況確定：

對于幾臺機共用一回出線的電站，存在線路故障導致多臺機同時甩負荷情況，在進行大波動計算時，應計算多臺機組同時甩負荷時的工況。

對于一根引水主管分叉接幾臺機的引水系統，應計算多臺機組同時甩負荷工況。要特別引起注意的是，這樣的引水系統，當一臺機組甩負荷導致引水管壓力升高時，會波及相鄰機組，引起相鄰機組甩負荷，這就將形成壓力波疊加問題。如果機組頻率也正好導致壓力波疊加，這將是極其危險的，對機組和引水系統的破壞將十分嚴重。

對于出線、主接線設計方式和引水系統方式均不會產生多臺機同時甩負荷工況的電站，可只計算單機甩負荷工況。

如某電站一臺機甩負荷和兩臺機同時甩負荷算例見表1。該電站4臺機組，按二機一尾水調壓室，一尾水隧洞格局布置。單機容量 475MW，最大水頭149.0m，額定水頭 130.0m，額定轉速 111.1r/min。從計算看出，兩臺機同時甩負荷的壓力上升比一臺機甩負荷的壓力上升要多高出6m左右，而轉速上升要高出大約1%。

表1 甩負荷計算結果（有效關閉時間12s，直線關閉規律）

1.4 最大轉速升高率保證值的選取

前蘇聯《水電站機電設備手冊》中規定，允許混流式水輪機甩負荷時的速率上升小于或等于 55%～60%；對于軸流轉槳式水輪機應小于或等于 50%～55%；而對于水斗式水輪機，借助折向器的快速動作速率上升應小于或等于15%～20%。

我國原來使用的標準是參考前蘇聯規定而來，按反擊式機組 45%～55%、水斗式機組 30%進行控制。在總結我國多年來電站設計及運行的基礎上，現行的DL/T5186《水力發電廠機電設計規范》，對機組甩負荷時轉速升高率保證值提高了 5%，規定反擊式機組按50%～60%、水斗式機組按30%進行控制。而燈泡式機組由于機組的慣性矩較小，且機組容量占系統比重一般較少，對電力系統影響不大，故最大轉速升高率適當放寬為65%。

在電站設計中，最大轉速升高率保證值應在相關標準規定的范圍內選定，不能超出標準要求。而計算值，則應在保證值的基礎上再考慮留有適當裕度來確定。不同設計階段的計算值裕度是不同的，建議按以下選取：

（1）在預可行性研究階段和可行性研究階段，最大轉速升高計算值控制界限應比保證值低 4%～5%，水輪機導葉關閉規律采用直線關閉，不考慮分段關閉；

（2）在招標設計階段，機組采購時要求允許的最大轉速升高按保證值確定，并按計算值控制界限確定對機組GD2的要求。

（3）在水輪機完成模型試驗后，要重新復核調節保證計算。這個階段由于基礎資料詳實，裕度主要考慮計算誤差，計算值比保證值略低2%～3%即可。

（4）對于水頭在300m以上的電站，由于水輪機飛逸轉速較低，只是額定轉速的170%左右，建議調保計算的保證值取45%，而計算值最好不要超過40%，否則在甩負荷時容易造成機組飛逸。

1.5 最大壓力升高率保證值的選取

蝸殼允許的最大壓力升高率保證值，最終應由技術經濟的比較確定，在相關規范內，已根據各檔不同水頭范圍規定了相應的數值，如果選取的壓力升高保證值在規范推薦范圍內，則不需進行專題論證。但如果電站引水系統確實需要提高壓力設計標準，以滿足調節保證計算要求，則必須進行專題論證。計算值與保證值之間的裕度，應根據電站水頭不同分別選擇，當水頭為 100m以下時，保證值按規范推薦的上限選取，裕度按10%～20%考慮；當水頭在100～300m時，裕度按5%～10%考慮；當水頭大于300m時，裕度按3%～5%考慮。

對于甩負荷時尾水管進口斷面的最大真空度，前蘇聯《水電站機電設備手冊》推薦，尾水管進口斷面的最大真空度為-6.5m～-7.5m；我國《水力發電廠機電設計規范》推薦為-8m。由于不同電站海拔相差很大，設計選取保證值時，在規范的基礎上應考慮海拔修正，即尾水管進口斷面的最大真空度保證值為：-8m+▽安裝高程/900。

2 結論

考慮到在前期設計時，由于沒有最終水輪機模型資料，且甩負荷時蝸殼中存在壓力脈動以及計算時存在誤差等因素，電站引水系統及機組的調節保證設計值必須按規程規范選取，計算值與保證值之間必須留有適當的裕度，以確保工程安全。