电站水力过渡过程工况拟定问题探讨

刘君，张军智，邓志勇

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065）

电站水力过渡过程工况拟定问题探讨

刘君，张军智，邓志勇

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065）

电站水力过渡过程工况拟定涉及上、下游水位、输水系统布置、调压措施、机组动作、电气主接线方式等几个主要因素，各类工况拟定的合理性和全面性对确定输水系统结构设计、机组招标设计、闸门设计和指导电站安全运行具有重要影响。对常规混流式机组电站和抽水蓄能电站水力过渡过程工况拟定中遇到的有关问题进行了探讨，并提出了相应的建议。

混流式机组电站；抽水蓄能电站；水力过渡过程；工况

1 引言

国家能源局于2016年11月底正式发布《水电发展“十三五”规划》报告[1]，该报告要求积极有序推进大型水电基地建设，加快抽水蓄能电站建设。常规水电站和抽水蓄能电站在“十三五”期间每年分别开工1 200万kW左右，将成为水电建设“新常态”。水力过渡过程计算研究是一项涉及输水发电系统工程技术可行性及经济合理性的重要问题[2]，其中工况拟定是开展过渡过程计算的前提之一。过渡过程计算工况主要是指完成水力过渡过程计算所需要的一组边界条件，涉及电站上、下游水位、输水系统布置、调压措施、机组动作、电气主接线方式等几个主要因素，各类工况拟定的合理性和全面性对确定输水系统结构设计、机组招标设计、闸门设计和指导电站安全运行具有重要影响。水电规机电（2013）12号文件《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂时规定（试行）》[3]中提出了设计工况和校核工况的基本概念，但并未说明设计工况和校核工况的具体拟定方法。本文结合在实际工作中遇到的问题，对电站水力过渡过程工况拟定中遇到的有关问题进行探讨。

2 过渡过程工况拟定的几个问题及探讨

2.1 近期有关文件及会议要求

近几年，国内外部分混流式水电站和抽水蓄能电站出现了一些与输水系统过渡过程或机组调节保证有关的问题，为此水电总院和电站业主单位多次召开会议研究讨论，其中与电站水力过渡过程工况拟定的有关文件规定及会议要求主要如下。

（1）水电规机电（2013）12号文件《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂时规定（试行）》中对于过渡过程工况的有关要求如下：

1）调节保证设计应遵循“确保安全、留有裕度”的原则。对调节保证设计工况，输水发电系统运行过程中可能出现的水力过渡过程极值应不超过调节保证设计值；对调节保证校核工况，应控制不出现无法预测后果的运行状态，保证机组与输水建筑物结构不产生破坏。

2）水力过渡过程计算包括大波动（含水力干扰）计算、小波动计算等。调节保证设计应从结构安全性、运行稳定性、调节品质等方面对输水发电系统进行全面评价。

3）为实现输水发电系统设计的技术经济合理性，在进行水力过渡过程大波动计算时，将计算工况分为设计工况和校核工况。设计工况为在电站正常运用范围内不利的水力过渡过程计算边界条件下，电站正常运用（包括开停机、增减负荷、正常工况转换以及稳定运行等状态）或正常运用时考虑一个偶发事件（设备故障、电力系统故障等）引起的过渡工况；校核工况为在上述正常运用条件下考虑两个相互独立的偶发事件引起的过渡工况。调节保证设计过程中一般不考虑三个独立的偶发事件或设备故障叠加引起的过渡过程工况。

（2）2016年4月，国网新源控股有限公司在“抽水蓄能电站机电设备运行设计”研讨会中，要求加强调保计算，确保机组在各种运行工况和极端状态下的安全。

（3）根据国家电网基建水电〔2016〕99号文件《国网基建部关于开展防水淹厂房专项复核的通知》[4]和国网新源运检〔2016〕63号文件《国网新源公司运检部转发国网基建部关于开展防水淹厂房专项复核的通知》[5]的有关要求，水力过渡过程计算及复核的各类工况必须完整，上述文件的附件中要求计算需包含如下几个工况，见表1所示。

表1 文件要求计算的几个工况

（4）2016年10月，国网新源控股有限公司在北京召开“抽水蓄能电站提升设计安全理念和措施”专题研讨会，并在2016年12月正式下发新源基建〔2016〕454号文件《国网新源控股有限公司关于印发提升抽水蓄能电站本质安全相关意见的通知》[6]，该文件中对抽水蓄能电站水力过渡过程工况拟定的有关要求如下：

1）对于引水系统一管两机布置方式，机组相继甩负荷工况应作为校核工况，过渡过程参数应满足规程规范要求（尾水管最低压力暂按-8 m控制）。

2）电站调保计算应留有适当的裕度，一般应多从水工布置方面多考虑，而不是从机组上来挖潜使机组处于临界状态。应优化水泵工况和水轮机工况的导叶开关运动规律。水轮机工况关闭规律尽量采用一段关闭，并不得多于两段；水泵工况采取一段关闭规律；不允许采用导叶延迟的关闭规律；主进水阀不允许参与大波动过程调节。

3）厂房明管段的设计压力，按过渡过程计算成果中最不利工况下的水锤压力设计，并保留一定的安全裕度。

2.2 关于工况拟定中“水位”的探讨

水力过渡工程计算的有关文件中均未提及“水位”的拟定方法，而工况拟定中必须包含水位。过渡过程工况拟定中通常引用如下几个工程特征水位。

（1）设计洪水位和校核洪水位

一般来说，当水库遇到比设计洪水更大的校核洪水时，由于水库滞洪建筑物尺寸的限制，水库水位超过了设计洪水位，这时所达到的最高水位称为校核洪水位。它是水库在非常运用情况下，允许临时达到的最高洪水位，是确定坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。此水位可采用相应大坝校核标准的各种典型洪水，按拟定的调洪方式，自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。校核洪水位一般采用频率法来计算[7]。GB50201-2014《防洪标准》中，根据水工建筑物级别、坝型和地理位置（山区、丘陵、平原、滨海）对水工建筑物的设计防洪标准和校核防洪标准进行了规定，根据厂房级别对水电站厂房的设计防洪标准和校核防洪标准进行了规定。

（2）可能最大洪水位（PMF）

对于部分国外水电站，其挡水坝、泄水建筑物非常运用洪水重现期采用PMF的概念，PMF（Probable MaximumFlood）指可能最大洪水。世界上以暴雨洪水为主的大多数国家，包括美国、巴西、印度、澳大利亚、加拿大等国家，对于失事后会导致重大人员伤亡的水库和核电站工程，都采用“可能最大洪水”作为防洪标准进行规划设计[8]。我国于1958年开始引进PMF的概念，1973年～1978年在全国得到推广，1978年列入国家规范。关于“可能最大洪水”的定义有很多种，其中引用刘光文教授主编的《水文分析与计算》中的定义，“可能最大洪水”是指合理地考虑水文与气象条件的最严重遭遇而发生的洪水，合理一词，强调其恰当与可能，而不是一味求其量大。有关规范[7]指出可能最大洪水（PMF）与通过频率分析法得出的校核洪水位在计算理论和方法上都不相同，在选择采用频率法的重现期多年洪水还是采用PMF时，应根据计算成果的合理性来确定。一般PMF在数值上比校核洪水位还要大。

“校核洪水位”和“PMF”均是一个概率的定义，都是针对于水库、大坝的一种水位概念，且为水库在非常运行情况下，允许临时达到的最高洪水位，其与输水发电系统的运行情况并无必然的联系。建议将过渡过程工况中出现的这种特征水位作为一个“偶发事件”来理解和处理。对于纯抽水蓄能电站，校核洪水位仅略大于设计洪水位，将出现校核洪水位作为一个偶发事件，并结合另一个偶发事件“事故甩负荷或抽水断电”，形成校核工况，将不会过于降低抽蓄电站的调节保证设计标准；对于常规混流式水电站，将出现校核洪水位或PMF作为一个偶发事件，并结合另一个偶发事件“事故甩负荷”，形成校核工况，并以“不出现无法预测后果的运行状态，保证机组与输水建筑物结构不产生破坏”对校核工况结果进行判断，也不会盲目提高常规混流式水电站的调节保证设计标准。

2.3 关于“极端工况”的探讨

一般来说，“极端工况”（或称为“参考工况”或“其他工况”）是指除了设计工况和校核工况外，机组转速上升、蜗壳最大压力、尾水管最小压力、调压井涌波等出现极值的其它小概率组合工况或特殊不利工况。2015年6月，水电总院在《水电站水力机械设计手册》“调节保证设计”章节专题讨论会中对“其他工况”的说明如下：根据具体电站输水发电系统实际情况或要求，设计者认为需要提高设计标准而选择的其他水力过渡过程计算分析工况。例如白鹤滩水电站过渡过程计算的拟定的极端组合工况为“上下游高水位时，在最不利时刻两台机相继增负荷工况”和“下游两台机水位时，在最不利时刻两台机相继甩负荷工况”。

对于常规水电站，当上库校核洪水位时，下库通常应为相对应的校核洪水位，虽然也存在下库泄洪情况等不确定的因素，但是“上库校核洪水位、下库一台机或者半台机等低水位工况”仍然为很小概率的情况，建议将该种工况作为极端工况考虑，不罗列在设计工况或校核工况中。对于纯抽水蓄能电站来说，作为能量载体的水体在一个周期内基本保持一个定量，在上、下水库之间往复利用，上下库均出现死水位的工况概率较小。通常认为拟定上下库高水位或者上下库低水位工况，并将该工况下出现的极值作为设计依据并提高设计标准是不合理的。但是对于上库几乎无天然径流的纯抽水蓄能电站来说，比如镇安、阜康、白莲河等抽水蓄能电站，在初期调试时，上库水位处于较低水位，为了避免超低水泵工况启动带来较大入力，常常尽量维持下库也为低水位，这时上下库同时低水位的过渡过程工况是有可能发生的。故建议纯抽水蓄能电站仍然拟定上下库同低水位的计算工况，并作为“极端工况”加以计算分析。此外，对于部分抽水蓄能电站，在上库正常蓄水位或下库正常蓄水位时，额定水头对应的下库或上库也为高水位，这时也等同于上下库均为同高水位，因此“上库/下库正常蓄水位、额定水头工况”应结合具体电站情况对其工况类型进行判断。

2.4 关于“三个及以上偶发事件”工况

水电规机电（2013）12号文件《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂时规定（试行）》中说明：调节保证设计过程中一般不考虑三个独立的偶发事件或设备故障叠加引起的过渡过程工况。对于三个及以上独立的偶发事件或设备故障叠加，有以下几种特殊情况建议予以考虑。

（1）对于一洞三机布置的抽水蓄能电站（比如阿克陶、琼中抽水蓄能电站等）和常规混流式水电站，存在三台机相继甩负荷的工况，建议作为极端工况考虑。

（2）对于一洞多机布置的抽水蓄能电站来说，存在同一水力单元水泵断电后多台机导叶拒动的工况，建议作为极端工况考虑。

2.5 关于抽蓄电站水泵断电且导叶拒动工况

在抽蓄电站水泵断电且导叶拒动的过渡过程中，当接近机组飞逸时，在等开度线上随着单位转速的变化，单位流量急剧减小，如果上、下游输水系统很长，虽然导叶拒动不关，但由于高水头转轮叶片的“截止效应”，在上、下游输水系统内仍有可能产生很大的正水击和负水击，这与常规混流式机组进入飞逸工况的过渡过程变化情况是不同的。此外，对于抽蓄电站的导叶拒动工况，实际上是发生了飞逸现象，转速上升率可能会超过45%的控制标准。建议水泵断电且导叶拒动工况作为抽水蓄能电站输水发电系统调节保证设计的必拟工况之一，并按照校核工况的标准进行判断：该工况的最不利结果不会导致出现无法预测后果的运行状态，不会导致机组与输水建筑物结构产生破坏。

2.6 关于地下厂房电站尾水管检修闸门的有关计算工况

（1）对于设置尾水管检修闸门井但不设置尾水调压室的地下式水电站来说，比如玛尔挡、金川（4台机地下厂房方案）等水电站，虽然未设置尾水调压室，但此时尾闸室作为尾水系统调压的作用不可忽略。应将尾水闸门井作为尾水调压室考虑，并拟定关于调压室的有关组合工况。

（2）对于尾水管检修闸门独立于尾水调压室布置（如拉西瓦水电站等）、未设置尾水调压室的较长尾水系统电站（如镇安、阜康抽蓄电站等）或尾水管检修闸门与尾水调压室布置在一起的水电站（如鲁地拉、功果桥、乌弄龙水电站等），应考虑一台机检修、尾闸关闭时的尾闸处最大压力计算工况，这时才是尾闸承受的最大动水压力。如将2台机或多台机运行时的尾闸处最大动水压力作为尾闸设计压力考虑，则可能会提高闸门的设计标准，不经济。譬如乌弄龙水电站在确定尾闸设计压力时，拟定工况如下表2所示。在针对乌弄龙水电站尾闸设计压力的工况计算结果中，最大涌浪为1 834.13 m，而2台机运行的有关计算工况中，最大涌浪为1 835.61 m，两者差值约为1.5 m。

表2 乌弄龙水电站关于尾水管检修闸门井拟定的工况

例如镇安抽蓄电站，一台机组尾水检修时，尾闸洞底部的最大动水压力计算结果为151.5 m，发生工况为：上库死水位1 367.00 m，下库正常蓄水位945.00 m，最低扬程，一台机检修，尾水闸门关闭，另一台机正常抽水，突然断电，导叶正常关闭。而两台机的有关计算工况中，尾闸洞底部的最大动水压力为164 m，发生工况为：上库死水位1 367.00 m，下库设计洪水位945.00 m，最小扬程，两台抽水断电，导叶正常关闭。两者差值为12.5 m，因此该工况的合理拟定对于确定尾闸的工程量会带来一定影响。

2.7 关于长输水系统布置的有关工况

当输水系统长度较短、型式简单，其水力特性对电站运行灵活性的限制很小，但对于长输水系统的布置，调压室的涌浪通常波幅大、周期长，尤其是低水头电站，此时调压室体型通常难以满足输水发电系统自身要求的托马面积要求，则更应引起注意。例如南俄3水电站一洞3机布置，引水系统长约11km，同一水力单元三台机组正常关闭后，三台机开机时间需间隔100 s以上可完全排除调压室被拉空的风险。故对于具有长引水（尾水）隧洞的水电站，需要拟定有关组合工况，重点关注调压室涌波对运行限制的影响，必要时对运行限制条件进行研究。

对于高水头、长引水系统水电站，水击压力升高与导叶初始开度有关，初始导叶开度越小，压力上升值一般越大，此外由于小开度下引水流量较小，流速较小，相应的水头损失小，机组初始水头较大，两者叠加可能导致小开度甩负荷工况成为电站最大水击压力的控制工况。尤其是2016年云南电网与南方电网主网实行异步联网后，部分云南电站机组存在较多空载小负荷运行状态，建议对存在类似情况的电站考虑甩小负荷的工况，以策安全。

2.8 关于机组和调压室的小波动分析工况

水电规机电（2013）12号文件《水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂时规定（试行）》中指出应对机组和调压室进行小波动分析，但国内以往通常对小波动机组调节品质工况和调压室稳定性工况不作区别，大多取10%或5%的额定负荷扰动量。对于机组调节品质来说，取10%或5%的额定负荷扰动工况是可以的，但对于阻抗式调压室和差动式调压室来说，其阻尼效果与扰动量的平方成正比，扰动量越小，其阻尼效果就越小，因而小扰动量可能会导致调压室不稳定。例如缅甸某低水头混流式电站，当计算5%负荷扰动的小波动工况时，调压室波动是收敛的，而计算3%负荷扰动的小波动工况时，调压室收敛缓慢甚至发散。故建议针对调压室的小波动稳定性分析，拟定3%及以下的负荷扰动工况。

2.9 关于运行指导工况

水电站一般应满足各种工况下的调节保证设计要求，但有些发生不利极值的工况，为满足其要求需要增加较大的工程造价，或者工况本身是可人为控制的，或者有些电站在建成后发现部分工况存在一定风险，则可通过拟定有关工况加以详细计算研究，提出合理的运行指导方案。比如乌东德水电站为减少对其水力单元机组正常增负荷的限制约束，通过优化计算，允许同一水力单元的2台机组正常增负荷，正常增负荷时间确定为60 s；赞比亚伊泰兹水电站（2×60 MW，轴流机组，额定水头40 m）通过小波动计算分析，得出若在孤网下运行，则建议一台机不允许带超过20 MW负荷，以确保机组调节系统的稳定和调压室水位的收敛。

2.10 关于电气主接线对工况拟定的的影响

水电站电气主接线是构成电力系统的重要环节，与电力系统整体及水电站本身的运行可靠性、灵活性密切相关。在具有多台机组的水电站或抽水蓄能电站过渡过程工况拟定时，通常应结合电气主接线的连接方式，分析多台机组同时跳闸事故的可能性。对于抽水蓄能电站来说，抽水蓄能机组启停次数非常频繁，例如南方某抽水蓄能电站在2004年，全厂8台机组共启动了15 054次，如此频繁的启动造成了设备操作频率及操作次数极高，同时使设备和线路均处于不断的时冷时热循环中，这对蓄能输配电设备、机组设备和线路的运行更为苛刻。因此，对于具有远期规划和预留其他回路输电线路的电站，即使线路跳闸的事故概率很低，只要存在发生事故的可能性，仍建议按照可能发生的最不利过渡过程工况进行调节保证设计，以确保电站的长期安全稳定运行。

3 结论和建议

（1）过渡过程计算工况涉及电站上、下游水位、输水系统布置、调压措施、机组动作、电气主接线方式等几个主要因素，各类工况拟定的合理性和全面性对确定输水系统结构设计、机组招标设计、闸门设计和指导电站安全运行具有重要影响。

（2）“校核洪水位”和“PMF”均是一个概率的定义，都是针对于水库、大坝的一种水位概念，且为水库在非常运行情况下，允许临时达到的最高洪水位，其与输水发电系统的运行情况并无必然的联系。建议将过渡过程工况中出现的这种特征水位作为一个“偶发事件”来理解和处理。

（3）建议结合工程实际拟定“极端工况”，并按照校核工况的控制标准进行判断，对极端工况计算结果和工程实际进行综合分析后确定修正量，提出合理的调节保证设计值。

（4）建议水泵断电且导叶拒动工况作为抽水蓄能电站过渡过程必拟工况之一，并按照校核工况的标准进行判断；建议工况拟定中考虑一台机检修、尾闸关闭时的尾闸处最大压力计算工况；对于长输水系统水电站，建议拟定有关组合工况，关注调压室涌波对运行限制的影响；高水头、长引水系统水电站的水击压力升高与导叶初始开度有关，初始导叶开度越小，压力上升值一般越大，此外由于小开度下引水流量较小、水头损失小，机组初始水头较大，两者叠加可能导致小开度甩负荷工况成为最大水击压力控制工况；对于调压室的小波动稳定性分析，建议拟定3%及以下的负荷扰动工况；对于具有远期规划和预留其他回路输电线路的电站，即使线路跳闸的事故概率很低，只要存在发生事故的可能性，建议仍按照可能发生的最不利过渡过程工况进行调节保证设计，以确保电站的长期安全稳定运行。

[1]国家能源局.水电发展“十三五”规划（2016-2020年）[Z], 2016．

[2]李修树,高瑜,董笑波.浅析水电站调节保证设计[J].水力发电，2014，40（4）：58-60．

[3]水电规机电（2013）12号:水电站输水发电系统调节保证设计专题报告编制暂时规定（试行）[S].

[4]国家电网基建水电〔2016〕99号:国网基建部关于开展防水淹厂房专项复核的通知[Z].

[5]国网新源运检〔2016〕63号:国网新源公司运检部转发国网基建部关于开展防水淹厂房专项复核的通知[Z].

[6]国网新源基建〔2016〕454号:国网新源控股有限公司关于印发提升抽水蓄能电站本质安全相关意见的通知[Z].

[7]DL/T 5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准[S].

[8]王国安,张志红,李荣容.可能最大洪水的新定义[J].人民黄河，2010，32（7）：1-3．

TV131

A

1672-5387（2017）04-0004-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.002

2017-01-3

刘君（1984-），男，工程师，从事水电水利工程的水力机械设计及研究工作。