水電站調節保證計算工況的選取

劉春燕，韓伶俐

(1.廣西壯族自治區水利電力勘測設計研究院，廣西南寧530023；2.水電水利規劃設計總院，北京100120)

0 前 言

調節保證是指在水電機組增減負荷、甩負荷等調節過程中，對水輪發電機組的最大轉速、輸水系統及水輪機過流部件內的最大、最小壓力以及調壓室最高、最低涌浪水位不超過允許值的保證。調節保證計算是研究機組突然較大幅度改變負荷時系統過渡過程的特性，分析和協調調節保證控制參數與電站輸水系統、水輪發電機組和輸出電能質量之間的矛盾，選定水輪機導水機構合理的啟閉規律和調節時間，使機組和水工建筑物安全可靠又經濟合理。

水電站機組設備和電氣設備故障導致的機組甩負荷具有多樣性和不可預測性，比較嚴重的是同一壓力管(尾水)道、共用送出線路或高壓配電裝置(母線)的相關機組同時丟棄全部負荷工況，更為嚴重的是同一壓力管(尾水)道機組先增后甩和相繼甩負荷等組合工況。雷擊、地質、洪水和冰雪等災害均可能導致輸電線路中斷，即使電站設有自動重合閘裝置，仍有不少電站因送出線路故障導致所有機組同時甩負荷。溪洛渡、向家壩水電站均曾因變電站故障導致多次大范圍切機。

目前，大型水電站和抽水蓄能電站越來越多地承擔電力系統調峰，機組調節頻繁，不穩定工況也相應增多。運行經驗表明，水電站水力機械部分的事故，大多是在過渡過程中發生的，此時水輪機進入異常的過速和制動工況，系統中產生的動負荷大，水流的不穩定性增高，引起強烈的壓力脈動、振動和水擊，影響機組設備的安全穩定運行和使用壽命。

根據DL/T 5186—2004《水力發電廠機電設計規范》的規定，大型水電廠、輸水系統復雜的水電廠、抽水蓄能電廠的調節保證計算應采用計算機仿真分析方法進行計算。國內許多高校、研究機構及設計院都開發了調節保證計算和分析程序。機組調節保證涉及水工、機電、自動調節和計算機等專業，計算的邊界條件多(包括水電站輸水系統布置、機組型式和特性、水輪機進水閥和調速器、電網、電氣主接線、上下游水位組合(水頭/揚程)等)，機組運行工況具有多樣性，增加了水力過渡過程計算工況選擇的難度。對于給定的水電站輸水系統布置及機電設計，計算工況的選擇是調節保證計算的難點之一。

1 調節保證計算工況的選擇

目前，針對調保設計的專業規范《水電站輸水發電系統調節保證設計導則》正在編制中，現行的《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫行規定》(以下簡稱《調節保證暫行規定》)、《水力發電廠機電設計規范》、《水電站壓力鋼管設計規范》、《水電站調壓室設計規范》、《抽水蓄能電站設計導則》等規范對調節保證計算工況如何選取均有所提及，有待完善。在工程設計中，采用成都勘測設計研究院有限公司劉保華和河海大學、武漢大學等高校開發的調節保證計算和分析程序，進行了大量常規水電站和蓄能電站的調節保證計算工作。水電站建成后的竣工安全鑒定、驗收等工作，積累了大量水電站運行資料。

本文將水電站各種可能發生的過渡過程工況進行歸納分類，水輪機設計工況可分為機組甩負荷工況、增負荷工況、先增后甩工況；蓄能電站水泵設計工況可分為機組抽水斷電工況和先增加抽水機組再斷電工況。水輪機校核工況可分為相繼甩負荷工況、分段關閉失靈、一臺機組導葉拒動、連續開機、洪水位時機組增負荷或甩負荷或先增后甩工況；蓄能電站水泵校核工況為導葉拒動工況。另外，需特別說明的是，洪水位特指上游大壩設計洪水位、校核洪水位和下游廠房校核洪水位，因出現頻率較低，故建議作為校核工況；下游廠房設計洪水位出現頻率較高，故一般建議作為設計工況。

工況編號的前兩位字母SJ、JH分別表示設計工況、校核工況，第三個字母T、P分別表示水輪機工況、水泵工況。

1.1 水輪機設計工況

推薦的水輪機設計工況共13個，計算目的及推薦理由如下：

(1)SJT1工況。同一壓力主管相關的機組在額定水頭下額定輸出功率運行，全甩負荷，機組導葉正常關閉。計算機組最大轉速上升率；導葉正常關閉時，機組最大轉速升高率通常在水輪機額定水頭甩負荷時發生，此時過機流量最大。

(2)SJT2工況。上游正常蓄水位，額定水頭或最大發電水頭時，同一壓力主管相關的全部機組額定輸出功率運行，同時全甩負荷，機組導葉正常關閉。計算機組蝸殼最大內水壓力和上游調壓室最高涌波水位。

(3)SJT3工況。上游正常蓄水位，共用上游調壓室(以下簡稱“上調”)的全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至額定輸出功率運行后，上調涌波水位最高時，全部機組同時丟棄全部負荷，機組導葉正常關閉。計算機組最大轉速上升率和機組蝸殼最大內水壓力。先增后甩工況，機組蝸殼最大內水壓力可能超過同時甩負荷工況，這主要是涌波疊加造成機組水頭(或出力)加大所致；機組轉速上升也可能超過同時甩負荷工況，主要是機組流量加大所致。

(4)SJT4工況。上游正常蓄水位，共用上調的全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率(當前水頭機組最大出力)運行后，流入上調流量最大時，全部機組同時甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算上調最高涌波水位和機組最大轉速上升率。上調最高涌浪在上游高水位時水輪機工況出現，此時上調起始水位最高。工況變化導致水位疊加后出現上調最高涌波水位。受上游調壓井最低涌波水位的限制，同水道的全部機組一般不考慮同時帶上滿負荷，故考慮涌波疊加時按n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率運行后。先增后甩工況，機組轉速上升可能超過同時甩負荷工況，主要是機組流量加大所致。

(5)SJT5工況。長輸水系統電站，上游正常蓄水位，一臺水輪機在最大水頭下帶1/2額定輸出功率運行，同一水力單元的其他機組停機；運行的一臺機甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算機組蝸殼最大內水壓力；長輸水系統電站，水道損失大，水輪機在最大水頭下運行時，損失小，初始壓力高，突甩1/2額定負荷，關閉時間短，有的轉輪在此工況可能出現機組蝸殼最大內水壓力。

(6)SJT6工況。最低尾水位下共尾水隧洞相關的各臺機組同時甩全負荷。計算尾水管進口最小內水壓力。

(7)SJT7工況。相應下游低水位時，共下游調壓室(以下簡稱“下調”)的全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率運行，在調壓室涌波水位最低時，甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算尾水管進口最小內水壓力；先增后甩工況，調壓室涌波波動較大，在調壓室涌波水位最低時全部機組甩負荷，尾水管進口最小壓力可能出現極值，主要是涌波疊加造成下游內水壓力降低所致。

(8)SJT8工況。常規電站上游死水位，同一水力單元(或共用上調)全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行同時突增至理想輸出功率運行；蓄能電站上庫事故備用水位，同一水道系統全部n臺機組由n-1臺增至n臺。計算引水系統上游側最低內水壓力和上調最低涌波水位。引水系統上游側最低內水壓力均在上游低水位時出現，此時上游輸水洞初始內水壓力小，水輪機工況開機時內水壓力下降，可能出現引水系統上游側最低內水壓力。常規電站在上游死水位增負荷時，上調起始水位低，工況變化導致水位疊加后出現最低涌波水位。除電網對電站有特殊要求外，應考慮由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率運行作為設計工況。

(9)SJT9工況。僅用于常規水電站，SJT8工況增負荷至理想輸出功率后，流入上調流量最大時，全部機組同時甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算上調最低涌波水位；上調涌波水位的第2振幅(波谷)可能是上調最低涌波水位。

(10)SJT10工況。僅用于常規水電站，下游設計洪水位時，共用下調的全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率運行。計算下調最高涌波水位；常規電站在下游高水位增負荷時，下調起始水位高，工況變化導致水位疊加后出現下調最高涌波水位。

(11)SJT11工況。僅用于常規水電站，下游設計洪水位時，開機增至滿負荷后，流出調壓室流量最大時，全部機組瞬間丟棄全部負荷的第2振幅(波峰)。計算下調最高涌波水位和引水系統下游側最高內水壓力。

(12)SJT12工況。共下調的全部機組在滿負荷及相應下游發電水位(蓄能電站下庫最低水位)時，全部機組同時甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算下調最低涌波水位；下調最低涌波水位在下游低水位時水輪機工況出現，可能是最大水頭，也可能是額定水頭。

(13)SJT13工況。相應下游低水位(蓄能電站下庫最低水位)時，共下調的全部n臺機組由n-1臺增至n臺，或全部機組由2/3額定輸出功率運行突增至理想輸出功率運行，流出下調的流量最大時，全部機組同時甩全部負荷，機組導葉正常關閉。計算下調最低涌波水位和尾水管進口最小內水壓力。先增后甩工況，調壓室涌浪波動較大，在流出調壓室流量最大時刻全部機組甩負荷，尾水管真空可能出現極值，主要原因在于，調壓室流出流量最大說明隧洞所需要的補水量最大，也是流速梯度變化比較劇烈的時刻，此時甩負荷會進一步加劇尾水管進口最小壓力。

1.2 水輪機校核工況

推薦的水輪機校核工況共11個，計算目的及推薦理由如下：

(1)JHT1工況。同一壓力主管相關的機組在額定水頭下額定輸出功率運行，全甩負荷，其中一臺機組導葉拒動，其他機組導葉正常關閉。計算機組最大轉速上升率。同一水力單元的所有機組甩全部負荷時若同一水力單元的一臺機組導葉拒動，其他機組導葉正常關閉，則會加劇拒動機組的過流量，使得機組轉速上升率更高。水泵斷電后導葉拒動，發生倒流反轉時的飛逸轉速一般比水輪機工況低，故機組最大轉速升高發生在水輪機飛逸工況。

(2)JHT2工況。負荷變化條件同SJT2工況，常規電站上、下游為設計洪水位或校核洪水位；蓄能電站上庫為設計洪水位或校核洪水位，下庫為死水位。計算機組蝸殼最大內水壓力和上調最高涌波水位。

(3)JHT3工況。負荷變化條件同SJT3工況，上游為設計洪水位或校核洪水位。計算機組蝸殼最大內水壓力。

(4)JHT4工況。上游正常蓄水位，同一壓力主管(或同一上調)相關的各臺機組相繼甩負荷，機組導葉正常關閉。計算機組蝸殼最大內水壓力和機組最大轉速上升率。以一洞二機為例，同一壓力鋼管上的機組相繼甩負荷(間隔3～8 s)，機組蝸殼壓力出現極值，主要是水擊造成機組水頭和出力加大所致。對常規水電站，若壓力管道分別與上調直接相接，1號機甩負荷后2號機在調壓室涌浪最高時甩負荷，機組蝸殼內水壓力也可能出現極值，主要是涌浪疊加造成機組水頭或出力加大所致。相繼甩負荷工況，機組轉速上升率可能超過同時甩負荷工況，主要是水擊造成機組出力加大所致。

(5)JHT5工況。上游正常蓄水位，同一壓力主管相關的各臺機組額定輸出功率運行，同時甩全部負荷，1臺機組分段關閉失靈，導葉直線關閉，同一水力單元的其他機組導葉正常關閉。計算機組蝸殼最大內水壓力和尾水管進口最小內水壓力。機組分段關閉失靈，機組導葉直線關閉，關閉時間短，機組蝸殼內水壓力比分段關閉大。若經論證不會發生分段關閉失靈，也可不計算此工況。

(6)JHT6工況。最低尾水位下共尾水隧洞(或同一下調)相關的各臺機組相繼甩負荷。計算尾水管進口最小內水壓力。以二機一洞為例，同一尾水管道上的機組相繼甩負荷，1號機組甩負荷后水擊造成尾水壓力降低，2號機組水頭和出力加大，此時2號機組甩負荷，尾水管最小內水壓力出現極值。若尾水管道分別與下調相連、調壓室前不設岔管，1號機甩負荷后2號機在調壓室涌波水位最低時甩負荷，尾水管進口最小內水壓力也可能出現極值，主要是涌波水位疊加造成下游壓力降低所致。

(7)JHT7工況。僅用于蓄能電站，下庫最低水位，水輪機工況時同尾水的全部機組同時甩最大負荷，一臺機導葉拒動而其余機組導葉正常關閉。計算尾水管進口最小內水壓力。同水道的多數機組突然關機使下游壓力下降，如此時有拒動機組發生振蕩性的飛逸將使流量隨轉速的振動而劇烈波動，因而可能使下游側產生最小內水壓力。

(8)JHT8工況。負荷變化條件同SJT4工況，上游為校核洪水位。計算上調最高涌波水位。

(9)JHT9工況。僅用于常規電站，上游死水位，連續開機(間隔1個或2個振蕩周期)。計算上調最低涌波水位和引水系統上游側最低內水壓力。間隔1個振蕩周期連續開機，上調涌浪最低，但開機可以人為控制，故此工況僅列為校核工況，并提出開機間隔時間。

(10)JHT10工況。僅用于常規電站，負荷變化條件同SJT10工況，下游為校核洪水位。計算下調最高涌波水位和引水系統下游側最高內水壓力。

(11)JHT11工況。僅用于常規電站，負荷變化條件同SJT11工況，下游為校核洪水位。計算下調最高涌波水位和引水系統下游側最高內水壓力。

1.3 蓄能電站水泵計算工況

推薦的蓄能電站水泵設計工況共3個、校核工況共5個。計算目的及推薦理由如下：

(1)SJP1工況。上庫最低水位，共用上調的機組在最小揚程抽水時，突然斷電，機組導葉正常關閉。計算上調最低涌波水位；蓄能電站在最低揚程抽水斷電時，上調起始水位低，工況變化導致水位疊加后出現最低涌波水位。

(2)SJP2工況。上庫最低水位，共用調壓室的全部n臺機組n-1臺抽水增至n臺，當流出上調的流量達最大時發生斷電機組導葉正常關閉。計算上調最低涌波水位；蓄能電站在實際運行中，水泵不會同時啟動，計算其上調最低涌波水位時，只須考慮n-1臺增至n臺工況。

(3)SJP3工況。上庫死水位，下庫正常蓄水位，共用調壓室的全部n臺機組由n-1臺抽水增至n臺，當流入下調的流量達最大時發生斷電，機組導葉正常關閉。計算下調最高涌波水位；蓄能電站在最低揚程抽水斷電時，下調起始水位高，工況變化導致水位疊加后出現下調最高涌波水位。

(4)JHP1工況。水泵工況在最低揚程時，共引水系統的全部機組同時斷電，一臺機組導葉拒動而其余機組導葉正常關閉。計算引水系統上游側最低內水壓力和上調最低涌波水位；泵工況和水輪機工況均只考慮一臺機拒動。

(5)JHP2工況。首臺機泵工況啟動，上游水位很低時，機組斷電，導葉拒動。計算引水系統上游側最低內水壓力和上調最低涌波水位；此時上游水位非常低，需復核計算，調試時做好應對措施。

(6)JHP3工況。水泵工況時，共尾水的全部機組在最低揚程時全部斷電，一臺機組導葉拒動而其余機組導葉正常關閉。計算引水系統下游側最高內水壓力和下調最高涌波水位；引水系統下游側最高壓力均在下游高水位時出現，此時下游初始壓力大，壓力上升與初始值疊加后可能產生下游側最大內水壓力。

(7)JHP4工況。負荷變化條件同SJP2，其中一臺機組導葉拒動。計算上調最低涌波水位和引水系統上游側最低內水壓力。

(8)JHP5工況。下庫正常蓄水位或設計洪水位，共用調壓室的全部n臺機組由n-1臺抽水增至n臺，在流入下調流量最大時突然斷電，一臺機組導葉拒動而其余機組導葉正常關閉。計算下調最高涌波水位和引水系統下游側最高內水壓力。根據調壓室規范，要求計算下庫校核洪水位時，共用調壓室的機組水泵工況抽水突然斷電，導葉全部拒動工況。考慮到校核洪水位發生概率低，導葉拒動概率低，可進行復核計算。

2 調節保證值的運用

機組調節保證的三個參數(機組最大轉速上升率、蝸殼最大壓力上升率和尾水管最大真空度)及調壓室最高、最低涌波水位對輸水系統的布置和結構設計、壓力鋼管與水輪機蝸殼以及進水閥門的設計有著直接的影響。《調節保證暫行規定》、NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設計規范》、GB/T 15468—2006《水輪機基本技術條件》、NB/T 35021—2014《水電站調壓室設計規范》等規范對調節保證設計均有規定。

根據《調節保證暫行規定》要求，輸水系統水工結構設計的有關荷載應按現行規范區分持久和偶然狀況，分別采用調節保證設計中的設計、校核工況成果；為滿足此規定，需要分別提供2套數據給水道設計專業。

《水電站調壓室設計規范》對設計工況和校核工況進行了區分，調壓室最高最低涌波水位安全要求，設計工況和校核工況相差0.5 m或1 m，一般情況下，校核工況為控制工況。

《水輪機基本技術條件》對正常運行工況和特殊工況對應的應力做了明確規定。對于同一個水電工程，《水電站壓力鋼管設計規范》對壓力鋼管結構設計所采用的內水壓力的選擇與《水輪機基本技術條件》對水輪機蝸殼等部件結構設計內水壓力的選擇不一致。根據各規范要求，水電站調節保證設計時應根據輸水系統水工建筑物、壓力鋼管和水輪機主要部件等的結構設計要求分別進行分析。

工程應用與理論分析相比，應該在滿足設計誤差的條件下，清楚易用。對洛寧、金寨、廈門、鎮安、陽江5個蓄能電站，采用不同程序、不同轉輪計算了各種計算工況下的蝸殼最大壓力。統計計算結果表明：設計工況、校核工況和參考工況(特指相繼甩負荷工況)最大相差28 m，差異相對值小于3%。機組轉速上升率，導葉拒動工況相對較大。尾水管最小壓力和調壓室涌波水位，無論設計工況和校核工況，均涉及可能破壞建筑物結構問題，對工況進行區分沒有太大的意義。

對調節保證值的運用，建議如下：

(1)蝸殼最大壓力設計值的選取除分段關閉失靈工況外，滿足其余所有工況。

(2)機組轉速上升設計值的選取除導葉拒動工況外，滿足其余所有工況。

(3)尾水管進口最小壓力，對常規電站，必須大于(-8+▽/900)×0.009 7 MPa(▽指安裝高程)；對蓄能電站，除相繼甩負荷工況外，均應大于(0+▽/900)×0.009 7 MPa。蓄能電站相繼甩負荷工況，尾水管進口最小壓力計算控制標準可為：按《調節保證暫行規定》考慮計算誤差不考慮壓力脈動，修正后

的尾水管最小壓力大于0米水柱。

(4)上游最低壓力，所有工況應滿足大于2米的要求。

(5)尾水管進口最大壓力設計值的選取應滿足所有工況。

(6)調壓室涌波水位設計值的選取，應滿足所有工況。若同一調壓室機組連續開機和校核洪水位工況不能滿足要求，則應提出運行限制條件。蓄能電站首臺機水泵工況啟動，上游水位很低時，若機組斷電且導葉拒動，需復核計算上調最低涌波水位和引水系統上游側最低內水壓力，調試時做好應對控制措施，防止發生事故。

綜上所述，建議僅將導葉分段關閉失靈、導葉拒動、相繼甩負荷工況作為校核工況，并給出不同的設計標準；復核計算同一調壓室機組連續開機和校核洪水位工況調壓室涌浪能否滿足要求，必要時應提出運行限制條件。

3 調節保證計算還應注意的一些問題

調節保證計算的邊界條件及其特性會影響調節保證計算成果，調節保證計算還應注意電站在電力系統中的作用及其運行調度方式、水頭與上下游水位組合的關系、機組相繼甩負荷間隔時間的選取、合理把握可控工況與不可控工況。