高寒高海拔地區水電站水力過渡過程計算與分析
——以德羅水電站為例

彭志遠，桂紹波，陳 笙，殷成成

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

拉洛水利樞紐及配套灌區工程[1]位于西藏自治區日喀則地區境內，工程開發任務是灌溉、生態建設，兼顧發電和防洪，為改善區域生態環境創造條件。拉洛水利樞紐具有年調節水庫，共建兩座水電站，其中之一為德羅水電站。德羅水電站總裝機容量40 MW，共安裝2臺單機容量為20 MW的混流式水輪發電機組，單機額定流量10.33 m3/s，機組安裝高程4 044 m。德羅水電站采用引水式地面廠房，通過德羅水電站無壓隧洞引水到前池后，經壓力管道接入地面廠房，水電站采用兩機一管的引水方式，壓力鋼管直徑3.3 m，長約2 km，無調壓室，具有高水頭、高海拔、長距離引水等顯著特點。

學術界和工程界對水電站水力過渡過程數值計算開展過大量的研究[2]，高敏等[3]對石塘水電站3號機增容改造項目進行調節保證計算分析，孫劍峰等[4]對烏茲別克斯坦某水電站調壓閥代替調壓井方案進行了探討。然而，針對海拔4 000 m以上的高寒高海拔地區水電站水力過渡過程的相關研究還比較少。因此，本文以德羅水電站為例，開展水力過渡過程數值計算與現場測試分析研究，旨在為高寒高海拔、長距離引水式電站的調節保證設計提供依據與參考。

本文通過建立德羅水電站引水發電系統水力過渡過程計算模型，計算分析各種運行條件下機組甩負荷工況，優化導葉關閉規律，確定機組最高轉速上升率、蝸殼末端最大動水壓力以及尾水管最大真空度等調節保證控制參數并提出設計值，指導電站開展現場機組甩負荷試驗，并將數值計算結果與現場實測數據進行對比分析，進一步預測其他現場甩負荷工況水力過渡過程參數，確保電站安全穩定運行。

1 德羅水電站基本參數

1.1 特征水位及水頭

德羅水電站特征水位[5]及水頭見表1。

表1 特征水位及水頭Tab.1 Characteristic water level and head of power station m

1.2 水輪發電機組參數

德羅水電站水輪機主要參數如下：水輪機型號為HLTF310-LJ-158；額定水頭、最大水頭、最小水頭、加權平均水頭分別為225.50，232.75，225.50，226.79 m；水輪機額定轉速為600 r/min；轉輪直徑(進口直徑)、尾水管進口直徑、導葉高度分別為1.580，1.148，0.221 m；安裝高程為4 044 m。發電機組主要參數如下：額定容量為22.5 MW/26.47 MVA；轉動慣量GD2為160 t·m2。

1.3 引水發電系統管線特征參數

本文使用的數值計算軟件為武漢浪淘石水電站水力機械過渡過程反演及預測分析計算軟件V1.0，水電站引水發電系統計算模型[6]見圖1，其中J11，J12分別為德羅水電站1號機組和2號機組。引水管線特征參數如表2所示。

圖1 水電站引水發電系統計算模型示意Fig.1 Calculation model of water diversion system of hydro-power station

表2 引水發電系統管道特征參數Tab.2 Characteristic parameters of pipeline of water diversion power generation system

2 計算理論與方法

2.1 有壓管道非恒定流數學模型與特征線法

有壓管道非恒定流基本方程[7]如下。

連續方程為

(1)

動量方程為

(2)

上式中：H為以某一水平面為基準的測壓管水頭；下標x是隨x軸的函數，下標t是隨時間的函數；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；Ax為管道斷面面積隨x軸線的變化率，若Ax=0，則式(1) 即簡化為棱柱體管道中的水流連續性方程；θ為管道各斷面形心的連線與水平面所成的夾角；S為濕周；f為Darcy-Weisbach摩阻系數；a為水擊波傳播速度；g是重力加速度。本文數值計算采用當量管計算方法，因此式(1)中Ax=0。

式(1)～(2)是一組擬線性雙曲型偏微分方程，可采用特征線法將其轉化為兩個在特征線上的常微分方程，其中摩阻損失項采取二階精度數值積分，并用流量代替斷面流速[7]。

2.2 大波動過渡過程計算理論與方法

QP=QS

(3)

(4)

QP=QCP-CQP·HP

(5)

QS=QCM+CQM·HS

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

n=n0+0.1875(Mt+Mt0)Δt/GD2

(11)

3 大波動水力過渡過程計算

3.1 大波動計算工況

結合德羅水電站實際運行調度規則，初步擬定D1～D6工況作為基本計算工況；為了與甩負荷試驗結果進行對比分析，擬定D7與D8工況為反演計算工況。本文擬定8個計算工況如表3所示。

表3 大波動水力過渡過程計算工況Tab.3 Calculation case of large wave hydraulic transition process

3.2 控制標準

根據NB/T 10342-2019《水電站調節保證設計導則》，德羅水電站工程采用的控制標準：① 機組蝸殼允許最大壓力Hmax≤365 m(以水柱高度計，考慮高程修正，下同)；② 機組最大轉速上升率βmax≤60%；③ 尾水管進口最大真空度不大于4.8 m(以水柱高度計，考慮高程修正)。

3.3 導葉關閉規律

德羅水電站導葉關閉規律采用一段式9.5 s直線關閉規律[9]，如圖2所示。

圖2 導葉關閉規律Fig.2 Guide vane closing rule

3.4 計算結果及分析

采用以上關閉規律進行德羅水電站大波動過渡過程計算，大波動調保參數極值計算結果見表4，控制工況蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力等隨時間變化過程線見圖3～4。

注：蝸殼壓力以水柱高度計。圖3 D2工況蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力隨時間變化過程線Fig.3 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D2 case

注：蝸殼壓力以水柱高度計。圖4 D5工況蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力隨時間變化過程線Fig.4 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D5 case

表4 調保參數極值計算結果 Tab.4 Calculation results of extreme value of regulation guarantee parameters

當導葉關閉規律采用一段式9.5 s直線關閉規律時，計算結果如下：

(1) 蝸殼最大動水壓力是344.54 m出現在D2工況，滿足調保參數的要求(最大動水壓力Hmax≤365 m)：D2工況為額定出力條件下的最大水頭工況，其機組蝸殼最大動水壓力比同等出力條件下的D1，D3工況的大；相較于D5工況，機組初始導葉開度較小，導葉總共關閉時間較短，因此該工況下的機組蝸殼壓力比D5工況大。

(2) 機組最大轉速上升率為51.30%，出現在D5工況，滿足調保參數的要求(大轉速上升率βmax≤60%)：D5工況為超發11.6%額定出力條件下的最大水頭工況，其機組最大轉速上升率比同等出力條件下的D4，D6工況的大；相較于D2工況，機組初始導葉開度較大，導葉總共關閉時間較長，因此該工況下的機組最大轉速上升率比D2工況大。

(3) 尾水管進口最大真空度為0.20 m，出現在D5工況，滿足調保參數的要求(最大真空度H≤4.8 m)：D5工況為超發11.6%額定出力條件下的最大水頭工況，對應的下游尾水位最低，其機組尾水管進口最大真空度比同等出力條件下的D4，D6工況的大；相較于D2工況，機組初始導葉開度較大，機組過流量較大，在導葉關閉過程中，機組產生的振動較大，因此該工況下的機組尾水管進口最大真空度比D2工況大。

綜合上述分析，德羅水電站各項調保參數計算結果合理且均滿足規范要求，并具有一定的裕度。

4 現場甩負荷試驗測試

2021年1月6日，對德羅水電站1號、2號水輪發電機組依次分別進行甩負荷試驗，機組運行水頭231 m，其中1號機組、2號機組甩100%負荷分別對應計算工況D7和D8，反演計算得到的蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力隨時間變化過程線如圖5～6所示。

注：蝸殼壓力以水柱高度計。圖5 D7工況蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力隨時間變化過程線Fig.5 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D7 case

注：蝸殼壓力以水柱高度計。圖6 D8工況蝸殼壓力、轉速、尾水管進口壓力隨時間變化過程線Fig.6 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D8 case

2021年1月6日13∶30德羅水電站1號與2號機組自動開機，13∶35分機組并網，13∶50分機組做甩負荷試驗，試驗數據如表5所示。

表5 1號、2號機組甩負荷試驗數據Tab.5 No.1 & No.2 unit load rejection test data

從表5中可看出，在單臺機組100%甩負荷工況中，1號機組最大轉速上升率實測數據為35.34%，2號機組最大轉速上升率實測數據為36.26%，均小于D7，D8工況的計算極值39.01%；1號機組蝸殼進口最大壓力值為295.62 m，2號機組蝸殼進口最大壓力值為300.71 m，均小于D7，D8工況的計算值302.10 m。

綜上分析，1號機組與2號機組的實測值均要小于計算值，且留有一定的安全余量。因此，以德羅水電站水力過渡過程數值計算結果作為調節保證設計參數是偏安全的，能夠保障水電站在正常運行以及超發11.6%額定出力運行條件下的安全。

5 結 語

本文通過建立高寒高海拔地區德羅水電站引水發電系統水力過渡過程計算模型，計算分析了各種水位條件下的額定出力以及超發11.6%額定出力條件下的機組甩全負荷工況，優化了導葉關閉規律，確定機組最高轉速上升率、蝸殼末端最大動水壓力以及尾水管最大真空度等調節保證控制參數并提出設計值。通過將數值計算結果與現場實測數據進行對比分析，確定甩100%出力工況下的計算結果有一定的安全余量，從而進一步預測超發11.6%額定出力甩全負荷工況的水力過渡過程參數，確保電站安全穩定運行。本文研究成果可為高海拔、長距離引水式電站的設計提供參考。