電站水力過渡過程工況擬定問題探討

劉君，張軍智，鄧志勇

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065）

電站水力過渡過程工況擬定問題探討

劉君，張軍智，鄧志勇

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065）

電站水力過渡過程工況擬定涉及上、下游水位、輸水系統布置、調壓措施、機組動作、電氣主接線方式等幾個主要因素，各類工況擬定的合理性和全面性對確定輸水系統結構設計、機組招標設計、閘門設計和指導電站安全運行具有重要影響。對常規混流式機組電站和抽水蓄能電站水力過渡過程工況擬定中遇到的有關問題進行了探討，并提出了相應的建議。

混流式機組電站；抽水蓄能電站；水力過渡過程；工況

1 引言

國家能源局于2016年11月底正式發布《水電發展“十三五”規劃》報告[1]，該報告要求積極有序推進大型水電基地建設，加快抽水蓄能電站建設。常規水電站和抽水蓄能電站在“十三五”期間每年分別開工1 200萬kW左右，將成為水電建設“新常態”。水力過渡過程計算研究是一項涉及輸水發電系統工程技術可行性及經濟合理性的重要問題[2]，其中工況擬定是開展過渡過程計算的前提之一。過渡過程計算工況主要是指完成水力過渡過程計算所需要的一組邊界條件，涉及電站上、下游水位、輸水系統布置、調壓措施、機組動作、電氣主接線方式等幾個主要因素，各類工況擬定的合理性和全面性對確定輸水系統結構設計、機組招標設計、閘門設計和指導電站安全運行具有重要影響。水電規機電（2013）12號文件《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫時規定（試行）》[3]中提出了設計工況和校核工況的基本概念，但并未說明設計工況和校核工況的具體擬定方法。本文結合在實際工作中遇到的問題，對電站水力過渡過程工況擬定中遇到的有關問題進行探討。

2 過渡過程工況擬定的幾個問題及探討

2.1 近期有關文件及會議要求

近幾年，國內外部分混流式水電站和抽水蓄能電站出現了一些與輸水系統過渡過程或機組調節保證有關的問題，為此水電總院和電站業主單位多次召開會議研究討論，其中與電站水力過渡過程工況擬定的有關文件規定及會議要求主要如下。

（1）水電規機電（2013）12號文件《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫時規定（試行）》中對于過渡過程工況的有關要求如下：

1）調節保證設計應遵循“確保安全、留有裕度”的原則。對調節保證設計工況，輸水發電系統運行過程中可能出現的水力過渡過程極值應不超過調節保證設計值；對調節保證校核工況，應控制不出現無法預測后果的運行狀態，保證機組與輸水建筑物結構不產生破壞。

2）水力過渡過程計算包括大波動（含水力干擾）計算、小波動計算等。調節保證設計應從結構安全性、運行穩定性、調節品質等方面對輸水發電系統進行全面評價。

3）為實現輸水發電系統設計的技術經濟合理性，在進行水力過渡過程大波動計算時，將計算工況分為設計工況和校核工況。設計工況為在電站正常運用范圍內不利的水力過渡過程計算邊界條件下，電站正常運用（包括開停機、增減負荷、正常工況轉換以及穩定運行等狀態）或正常運用時考慮一個偶發事件（設備故障、電力系統故障等）引起的過渡工況；校核工況為在上述正常運用條件下考慮兩個相互獨立的偶發事件引起的過渡工況。調節保證設計過程中一般不考慮三個獨立的偶發事件或設備故障疊加引起的過渡過程工況。

（2）2016年4月，國網新源控股有限公司在“抽水蓄能電站機電設備運行設計”研討會中，要求加強調保計算，確保機組在各種運行工況和極端狀態下的安全。

（3）根據國家電網基建水電〔2016〕99號文件《國網基建部關于開展防水淹廠房專項復核的通知》[4]和國網新源運檢〔2016〕63號文件《國網新源公司運檢部轉發國網基建部關于開展防水淹廠房專項復核的通知》[5]的有關要求，水力過渡過程計算及復核的各類工況必須完整，上述文件的附件中要求計算需包含如下幾個工況，見表1所示。

表1 文件要求計算的幾個工況

（4）2016年10月，國網新源控股有限公司在北京召開“抽水蓄能電站提升設計安全理念和措施”專題研討會，并在2016年12月正式下發新源基建〔2016〕454號文件《國網新源控股有限公司關于印發提升抽水蓄能電站本質安全相關意見的通知》[6]，該文件中對抽水蓄能電站水力過渡過程工況擬定的有關要求如下：

1）對于引水系統一管兩機布置方式，機組相繼甩負荷工況應作為校核工況，過渡過程參數應滿足規程規范要求（尾水管最低壓力暫按-8 m控制）。

2）電站調保計算應留有適當的裕度，一般應多從水工布置方面多考慮，而不是從機組上來挖潛使機組處于臨界狀態。應優化水泵工況和水輪機工況的導葉開關運動規律。水輪機工況關閉規律盡量采用一段關閉，并不得多于兩段；水泵工況采取一段關閉規律；不允許采用導葉延遲的關閉規律；主進水閥不允許參與大波動過程調節。

3）廠房明管段的設計壓力，按過渡過程計算成果中最不利工況下的水錘壓力設計，并保留一定的安全裕度。

2.2 關于工況擬定中“水位”的探討

水力過渡工程計算的有關文件中均未提及“水位”的擬定方法，而工況擬定中必須包含水位。過渡過程工況擬定中通常引用如下幾個工程特征水位。

（1）設計洪水位和校核洪水位

一般來說，當水庫遇到比設計洪水更大的校核洪水時，由于水庫滯洪建筑物尺寸的限制，水庫水位超過了設計洪水位，這時所達到的最高水位稱為校核洪水位。它是水庫在非常運用情況下，允許臨時達到的最高洪水位，是確定壩頂高程及進行大壩安全校核的主要依據。此水位可采用相應大壩校核標準的各種典型洪水，按擬定的調洪方式，自防洪限制水位開始進行調洪計算求得。校核洪水位一般采用頻率法來計算[7]。GB50201-2014《防洪標準》中，根據水工建筑物級別、壩型和地理位置（山區、丘陵、平原、濱海）對水工建筑物的設計防洪標準和校核防洪標準進行了規定，根據廠房級別對水電站廠房的設計防洪標準和校核防洪標準進行了規定。

（2）可能最大洪水位（PMF）

對于部分國外水電站，其擋水壩、泄水建筑物非常運用洪水重現期采用PMF的概念，PMF（Probable MaximumFlood）指可能最大洪水。世界上以暴雨洪水為主的大多數國家，包括美國、巴西、印度、澳大利亞、加拿大等國家，對于失事后會導致重大人員傷亡的水庫和核電站工程，都采用“可能最大洪水”作為防洪標準進行規劃設計[8]。我國于1958年開始引進PMF的概念，1973年～1978年在全國得到推廣，1978年列入國家規范。關于“可能最大洪水”的定義有很多種，其中引用劉光文教授主編的《水文分析與計算》中的定義，“可能最大洪水”是指合理地考慮水文與氣象條件的最嚴重遭遇而發生的洪水，合理一詞，強調其恰當與可能，而不是一味求其量大。有關規范[7]指出可能最大洪水（PMF）與通過頻率分析法得出的校核洪水位在計算理論和方法上都不相同，在選擇采用頻率法的重現期多年洪水還是采用PMF時，應根據計算成果的合理性來確定。一般PMF在數值上比校核洪水位還要大。

“校核洪水位”和“PMF”均是一個概率的定義，都是針對于水庫、大壩的一種水位概念，且為水庫在非常運行情況下，允許臨時達到的最高洪水位，其與輸水發電系統的運行情況并無必然的聯系。建議將過渡過程工況中出現的這種特征水位作為一個“偶發事件”來理解和處理。對于純抽水蓄能電站，校核洪水位僅略大于設計洪水位，將出現校核洪水位作為一個偶發事件，并結合另一個偶發事件“事故甩負荷或抽水斷電”，形成校核工況，將不會過于降低抽蓄電站的調節保證設計標準；對于常規混流式水電站，將出現校核洪水位或PMF作為一個偶發事件，并結合另一個偶發事件“事故甩負荷”，形成校核工況，并以“不出現無法預測后果的運行狀態，保證機組與輸水建筑物結構不產生破壞”對校核工況結果進行判斷，也不會盲目提高常規混流式水電站的調節保證設計標準。

2.3 關于“極端工況”的探討

一般來說，“極端工況”（或稱為“參考工況”或“其他工況”）是指除了設計工況和校核工況外，機組轉速上升、蝸殼最大壓力、尾水管最小壓力、調壓井涌波等出現極值的其它小概率組合工況或特殊不利工況。2015年6月，水電總院在《水電站水力機械設計手冊》“調節保證設計”章節專題討論會中對“其他工況”的說明如下：根據具體電站輸水發電系統實際情況或要求，設計者認為需要提高設計標準而選擇的其他水力過渡過程計算分析工況。例如白鶴灘水電站過渡過程計算的擬定的極端組合工況為“上下游高水位時，在最不利時刻兩臺機相繼增負荷工況”和“下游兩臺機水位時，在最不利時刻兩臺機相繼甩負荷工況”。

對于常規水電站，當上庫校核洪水位時，下庫通常應為相對應的校核洪水位，雖然也存在下庫泄洪情況等不確定的因素，但是“上庫校核洪水位、下庫一臺機或者半臺機等低水位工況”仍然為很小概率的情況，建議將該種工況作為極端工況考慮，不羅列在設計工況或校核工況中。對于純抽水蓄能電站來說，作為能量載體的水體在一個周期內基本保持一個定量，在上、下水庫之間往復利用，上下庫均出現死水位的工況概率較小。通常認為擬定上下庫高水位或者上下庫低水位工況，并將該工況下出現的極值作為設計依據并提高設計標準是不合理的。但是對于上庫幾乎無天然徑流的純抽水蓄能電站來說，比如鎮安、阜康、白蓮河等抽水蓄能電站，在初期調試時，上庫水位處于較低水位，為了避免超低水泵工況啟動帶來較大入力，常常盡量維持下庫也為低水位，這時上下庫同時低水位的過渡過程工況是有可能發生的。故建議純抽水蓄能電站仍然擬定上下庫同低水位的計算工況，并作為“極端工況”加以計算分析。此外，對于部分抽水蓄能電站，在上庫正常蓄水位或下庫正常蓄水位時，額定水頭對應的下庫或上庫也為高水位，這時也等同于上下庫均為同高水位，因此“上庫/下庫正常蓄水位、額定水頭工況”應結合具體電站情況對其工況類型進行判斷。

2.4 關于“三個及以上偶發事件”工況

水電規機電（2013）12號文件《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫時規定（試行）》中說明：調節保證設計過程中一般不考慮三個獨立的偶發事件或設備故障疊加引起的過渡過程工況。對于三個及以上獨立的偶發事件或設備故障疊加，有以下幾種特殊情況建議予以考慮。

（1）對于一洞三機布置的抽水蓄能電站（比如阿克陶、瓊中抽水蓄能電站等）和常規混流式水電站，存在三臺機相繼甩負荷的工況，建議作為極端工況考慮。

（2）對于一洞多機布置的抽水蓄能電站來說，存在同一水力單元水泵斷電后多臺機導葉拒動的工況，建議作為極端工況考慮。

2.5 關于抽蓄電站水泵斷電且導葉拒動工況

在抽蓄電站水泵斷電且導葉拒動的過渡過程中，當接近機組飛逸時，在等開度線上隨著單位轉速的變化，單位流量急劇減小，如果上、下游輸水系統很長，雖然導葉拒動不關，但由于高水頭轉輪葉片的“截止效應”，在上、下游輸水系統內仍有可能產生很大的正水擊和負水擊，這與常規混流式機組進入飛逸工況的過渡過程變化情況是不同的。此外，對于抽蓄電站的導葉拒動工況，實際上是發生了飛逸現象，轉速上升率可能會超過45%的控制標準。建議水泵斷電且導葉拒動工況作為抽水蓄能電站輸水發電系統調節保證設計的必擬工況之一，并按照校核工況的標準進行判斷：該工況的最不利結果不會導致出現無法預測后果的運行狀態，不會導致機組與輸水建筑物結構產生破壞。

2.6 關于地下廠房電站尾水管檢修閘門的有關計算工況

（1）對于設置尾水管檢修閘門井但不設置尾水調壓室的地下式水電站來說，比如瑪爾擋、金川（4臺機地下廠房方案）等水電站，雖然未設置尾水調壓室，但此時尾閘室作為尾水系統調壓的作用不可忽略。應將尾水閘門井作為尾水調壓室考慮，并擬定關于調壓室的有關組合工況。

（2）對于尾水管檢修閘門獨立于尾水調壓室布置（如拉西瓦水電站等）、未設置尾水調壓室的較長尾水系統電站（如鎮安、阜康抽蓄電站等）或尾水管檢修閘門與尾水調壓室布置在一起的水電站（如魯地拉、功果橋、烏弄龍水電站等），應考慮一臺機檢修、尾閘關閉時的尾閘處最大壓力計算工況，這時才是尾閘承受的最大動水壓力。如將2臺機或多臺機運行時的尾閘處最大動水壓力作為尾閘設計壓力考慮，則可能會提高閘門的設計標準，不經濟。譬如烏弄龍水電站在確定尾閘設計壓力時，擬定工況如下表2所示。在針對烏弄龍水電站尾閘設計壓力的工況計算結果中，最大涌浪為1 834.13 m，而2臺機運行的有關計算工況中，最大涌浪為1 835.61 m，兩者差值約為1.5 m。

表2 烏弄龍水電站關于尾水管檢修閘門井擬定的工況

例如鎮安抽蓄電站，一臺機組尾水檢修時，尾閘洞底部的最大動水壓力計算結果為151.5 m，發生工況為：上庫死水位1 367.00 m，下庫正常蓄水位945.00 m，最低揚程，一臺機檢修，尾水閘門關閉，另一臺機正常抽水，突然斷電，導葉正常關閉。而兩臺機的有關計算工況中，尾閘洞底部的最大動水壓力為164 m，發生工況為：上庫死水位1 367.00 m，下庫設計洪水位945.00 m，最小揚程，兩臺抽水斷電，導葉正常關閉。兩者差值為12.5 m，因此該工況的合理擬定對于確定尾閘的工程量會帶來一定影響。

2.7 關于長輸水系統布置的有關工況

當輸水系統長度較短、型式簡單，其水力特性對電站運行靈活性的限制很小，但對于長輸水系統的布置，調壓室的涌浪通常波幅大、周期長，尤其是低水頭電站，此時調壓室體型通常難以滿足輸水發電系統自身要求的托馬面積要求，則更應引起注意。例如南俄3水電站一洞3機布置，引水系統長約11km，同一水力單元三臺機組正常關閉后，三臺機開機時間需間隔100 s以上可完全排除調壓室被拉空的風險。故對于具有長引水（尾水）隧洞的水電站，需要擬定有關組合工況，重點關注調壓室涌波對運行限制的影響，必要時對運行限制條件進行研究。

對于高水頭、長引水系統水電站，水擊壓力升高與導葉初始開度有關，初始導葉開度越小，壓力上升值一般越大，此外由于小開度下引水流量較小，流速較小，相應的水頭損失小，機組初始水頭較大，兩者疊加可能導致小開度甩負荷工況成為電站最大水擊壓力的控制工況。尤其是2016年云南電網與南方電網主網實行異步聯網后，部分云南電站機組存在較多空載小負荷運行狀態，建議對存在類似情況的電站考慮甩小負荷的工況，以策安全。

2.8 關于機組和調壓室的小波動分析工況

水電規機電（2013）12號文件《水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫時規定（試行）》中指出應對機組和調壓室進行小波動分析，但國內以往通常對小波動機組調節品質工況和調壓室穩定性工況不作區別，大多取10%或5%的額定負荷擾動量。對于機組調節品質來說，取10%或5%的額定負荷擾動工況是可以的，但對于阻抗式調壓室和差動式調壓室來說，其阻尼效果與擾動量的平方成正比，擾動量越小，其阻尼效果就越小，因而小擾動量可能會導致調壓室不穩定。例如緬甸某低水頭混流式電站，當計算5%負荷擾動的小波動工況時，調壓室波動是收斂的，而計算3%負荷擾動的小波動工況時，調壓室收斂緩慢甚至發散。故建議針對調壓室的小波動穩定性分析，擬定3%及以下的負荷擾動工況。

2.9 關于運行指導工況

水電站一般應滿足各種工況下的調節保證設計要求，但有些發生不利極值的工況，為滿足其要求需要增加較大的工程造價，或者工況本身是可人為控制的，或者有些電站在建成后發現部分工況存在一定風險，則可通過擬定有關工況加以詳細計算研究，提出合理的運行指導方案。比如烏東德水電站為減少對其水力單元機組正常增負荷的限制約束，通過優化計算，允許同一水力單元的2臺機組正常增負荷，正常增負荷時間確定為60 s；贊比亞伊泰茲水電站（2×60 MW，軸流機組，額定水頭40 m）通過小波動計算分析，得出若在孤網下運行，則建議一臺機不允許帶超過20 MW負荷，以確保機組調節系統的穩定和調壓室水位的收斂。

2.10 關于電氣主接線對工況擬定的的影響

水電站電氣主接線是構成電力系統的重要環節，與電力系統整體及水電站本身的運行可靠性、靈活性密切相關。在具有多臺機組的水電站或抽水蓄能電站過渡過程工況擬定時，通常應結合電氣主接線的連接方式，分析多臺機組同時跳閘事故的可能性。對于抽水蓄能電站來說，抽水蓄能機組啟停次數非常頻繁，例如南方某抽水蓄能電站在2004年，全廠8臺機組共啟動了15 054次，如此頻繁的啟動造成了設備操作頻率及操作次數極高，同時使設備和線路均處于不斷的時冷時熱循環中，這對蓄能輸配電設備、機組設備和線路的運行更為苛刻。因此，對于具有遠期規劃和預留其他回路輸電線路的電站，即使線路跳閘的事故概率很低，只要存在發生事故的可能性，仍建議按照可能發生的最不利過渡過程工況進行調節保證設計，以確保電站的長期安全穩定運行。

3 結論和建議

（1）過渡過程計算工況涉及電站上、下游水位、輸水系統布置、調壓措施、機組動作、電氣主接線方式等幾個主要因素，各類工況擬定的合理性和全面性對確定輸水系統結構設計、機組招標設計、閘門設計和指導電站安全運行具有重要影響。

（2）“校核洪水位”和“PMF”均是一個概率的定義，都是針對于水庫、大壩的一種水位概念，且為水庫在非常運行情況下，允許臨時達到的最高洪水位，其與輸水發電系統的運行情況并無必然的聯系。建議將過渡過程工況中出現的這種特征水位作為一個“偶發事件”來理解和處理。

（3）建議結合工程實際擬定“極端工況”，并按照校核工況的控制標準進行判斷，對極端工況計算結果和工程實際進行綜合分析后確定修正量，提出合理的調節保證設計值。

（4）建議水泵斷電且導葉拒動工況作為抽水蓄能電站過渡過程必擬工況之一，并按照校核工況的標準進行判斷；建議工況擬定中考慮一臺機檢修、尾閘關閉時的尾閘處最大壓力計算工況；對于長輸水系統水電站，建議擬定有關組合工況，關注調壓室涌波對運行限制的影響；高水頭、長引水系統水電站的水擊壓力升高與導葉初始開度有關，初始導葉開度越小，壓力上升值一般越大，此外由于小開度下引水流量較小、水頭損失小，機組初始水頭較大，兩者疊加可能導致小開度甩負荷工況成為最大水擊壓力控制工況；對于調壓室的小波動穩定性分析，建議擬定3%及以下的負荷擾動工況；對于具有遠期規劃和預留其他回路輸電線路的電站，即使線路跳閘的事故概率很低，只要存在發生事故的可能性，建議仍按照可能發生的最不利過渡過程工況進行調節保證設計，以確保電站的長期安全穩定運行。

[1]國家能源局.水電發展“十三五”規劃（2016-2020年）[Z], 2016．

[2]李修樹,高瑜,董笑波.淺析水電站調節保證設計[J].水力發電，2014，40（4）：58-60．

[3]水電規機電（2013）12號:水電站輸水發電系統調節保證設計專題報告編制暫時規定（試行）[S].

[4]國家電網基建水電〔2016〕99號:國網基建部關于開展防水淹廠房專項復核的通知[Z].

[5]國網新源運檢〔2016〕63號:國網新源公司運檢部轉發國網基建部關于開展防水淹廠房專項復核的通知[Z].

[6]國網新源基建〔2016〕454號:國網新源控股有限公司關于印發提升抽水蓄能電站本質安全相關意見的通知[Z].

[7]DL/T 5180-2003水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準[S].

[8]王國安,張志紅,李榮容.可能最大洪水的新定義[J].人民黃河，2010，32（7）：1-3．

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A

1672-5387（2017）04-0004-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.04.002

2017-01-3

劉君（1984-），男，工程師，從事水電水利工程的水力機械設計及研究工作。