水电站水力过渡过程

4第40卷第4期2017年4月水电姑机电技求Mechanical & Electrical Technique of Hydropower StatioiV〇1.40No.4Apr.2017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)摘要:电站水力过泼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。

关键词:混流式机组电站;抽水蓄能电站;水力过波过程;工况中图分类号:TV131 文献标识码:A文章编号=1672-5387(2017)04-0004-05D0I：10.13599/ki.11-5130.2017.04.0021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™，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1200万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r a，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。

附录A 水力过渡过程大波动计算工况A.0.1 水电站水力过渡过程大波动计算工况可按表A.0.1的规定选取。

表A.0.1 水电站水力过渡过程大波动计算工况工况编号 计算工况 说 明 计算目的一 水轮机设计工况DT1 同一水力单元的全部机组在额定水头下额定功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭额定水头应考虑可能出现的上游最高发电水位,及下游可能出现的最低发电水位机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位下游调压室最低涌波水位DT2 同一水力单元的全部机组在最大发电水头下额定功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭对有超出力要求的机组，应计算机组在最大功率运行的工况机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位下游调压室最低涌波水位DT3 上游正常蓄水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，上游调压室涌波水位最高时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭—机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位DT4 长输水系统水电站，一台水轮机在最大水头下50%、75%额定功率运行，同一水力单元的其他机组停机，甩负荷，导叶紧急关闭长输水系统水电站，水头损失大，水轮机在最大水头下部分负荷运行时，损失小，初始压力高，突甩负荷，关闭时间短，此工况可能出现机组蜗壳最大压力的控制工况机组蜗壳最大压力DT5 上游最低发电水位，共用上游调压室全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行同时增至相应水头最大输出功率运行—引水系统各断面最高点处的最小压力上游调压室最低涌波水位DT6 相应下游低水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，在调压室涌波水位最低时，同时甩负荷，导叶紧急关闭— 尾水管进口最小压力DT7 上游正常蓄水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭应分别考虑额定水头及其它可能出现的高于额定水头工况压力引水道的糙率取可能的最小值机组转速上升率机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位DT8 上游最低发电水位，共用上游调压室全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行同时增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭甩负荷时上游调压室涌波先升后降，波谷叠加可能出现最低涌波水位上游调压室最低涌波水位DT9 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位DT10 相应下游低水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流出下游调压室的流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭应分别考虑额定水头及其它可能出现的高于额定水头工况压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位尾水管进口最小压力DT11 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，甩负荷时下游调压室涌波先降后升，波峰叠加可能出现最高涌波水位下游调压室最高涌波水位流出下游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最大值二 水轮机校核工况CT1 同一水力单元的机组在额定水头下额定功率运行，同时甩负荷，其中一台机组导叶拒动，其他机组导叶紧急关闭同一水力单元的所有机组甩全部负荷时若同一水力单元的一台机组导叶拒动，其他机组导叶关闭，则会加剧拒动机组的过流量，使得机组转速上升率更高额定水头应考虑可能出现的上游最高发电水位,及下游可能出现的最低发电水位机组转速上升率机组蜗壳最大压力CT2 上游为设计洪水位，同一水力单元的全部机组在相应水头最大输出功率运行，同时甩负荷，导叶紧急关闭应考虑上游设计洪水位可能出现的水头工况机组蜗壳最大压力上游调压室最高涌波水位CT3 上游最低发电水位，同一水力单元的全部机组同时甩相应水头最大负荷，在流出上游调压室流量最大时，一台机组从空载增至相应水头最大输出功率— 上游调压室最低涌波水位CT4 上游设计洪水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3相应水头最大输出功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，上游调压室涌波水位最高时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭— 机组蜗壳最大压力CT5 上游正常蓄水位，同一水力单元的机组额定水头额定功率依次相继甩负荷，导叶紧急关闭相继甩负荷工况的确定需考虑电气主接线型式机组蜗壳最大压力机组转速上升率CT6 上游正常蓄水位，同一水力单元的机组额定功率运行，同时甩负荷，1台机组分段关闭失灵，导叶直线关闭，其他机组导叶紧急关闭机组分段关闭失灵，机组导叶直线关闭，关闭时间短，机组蜗壳内水压力比分段关闭大经论证不会发生分段关闭失灵，可不考虑此工况机组蜗壳最大压力机组转速上升率尾水管进口最小压力CT7 相应下游低水位，共用尾水隧洞或下游调压室相关的机组额定水头或最大水头额定功率运行，依次相继甩负荷，导叶紧急关闭相继甩负荷工况的确定需考虑电气主接线型式尾水管进口最小压力CT8 上游最高发电水位，共用上游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定功率运行突增至相应水头最大输出功率运行后，流入上游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭— 上游调压室最高涌波水位CT9 上游最低发电水位，共用上游调压室的全部n台机组增负荷至相应水头最大输出功率运行考虑上游调压室最低涌波，根据电网要求同时增负荷或相继增负荷时间间隔上游调压室最低涌波水位引水系统各断面最高点处的最小压力提出开机运行条件CT10 下游校核洪水位，共用下游调压室的全部n台机组由n-1台增至n台，或全部机组由2/3额定输功率运行突增至相应水头最大输出功率运行位压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位尾水系统各断面最大压力CT11 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部n台机组增负荷至相应水头最大输出功率运行考虑下游调压室最高涌波，根据电网要求同时增负荷或相继增负荷时间间隔压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位CT12 下游设计洪水位，共用下游调压室相关的机组开机增至满负荷后，流出下游调压室流量最大时，全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭甩负荷时下游调压室涌波先降后升，波峰叠加可能出现最高涌波水位下游调压室最高涌波水位CT13 相应下游水位，一台机组由空载增至相应水头最大输出功率运行，在流出下游调压室的流量最大时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位CT14 下游设计洪水位，共用下游调压室的全部机组同时甩负荷，在流入下游调压室流量最大时，一台机组从空载增至相应水头最大输出功率运行压力尾水道的糙率取可能的最大值下游调压室最高涌波水位CT15 下游相应发电水位，共用下游调压室的全部n台机组发相应水头最大输出功率，1台机组甩负荷，导叶紧急关闭，在流出下游调压室的流量最大时，其余全部机组同时甩负荷，导叶紧急关闭压力尾水道的糙率取可能的最小值下游调压室最低涌波水位注：1 工况编号的第一个字母D、C分别表示设计工况、校核工况，第二个字母T表示水轮机工况。

大波动过渡过程计算分析总结水电站输水系统和机组过渡过程的计算分析具有重要的意义，该计算分析对于机组参数GD2的选择、导叶关闭规律的确定、调压室参数的选择和管道线路的布置等方面都有重要的指导作用。

水电站过渡过程计算分析由大波动过渡过程计算分析和小波动过渡过程计算分析两部分组成。

以下对大波动过渡过程计算分析进行总结说明。

大波动过渡过程计算分析主要包含以下几个部分：①该类系统数学计算模型的建立和求解；②仿真计算程序的编制；③具体输水系统有关原始数据的准备（包含实际系统概化问题）；④各种大波动控制工况的计算分析；⑤《水力过渡过程计算分析报告》的撰写。

一．数学计算模型的建立水电站输水系统数学模型由输水道数学模型和边界数学模型两部分构成。

1．输水道数学模型目前，输水道数学模型是根据一元总流流体的运动方程和连续方程，建立有压管道水力瞬变的弹性水锤基本方程组，然后利用特征线法对方程组进行简化、求解（这里暂不讨论无压输水道）；由于在建立和求解模型的过程中，存在一些简化和假定条件，因此存在以下几个值得研究的问题：①现模型采用一元流假定，该假定在某些情况下不适用，应该改用“二元流”或“三元流”原理构造数模。

②该模型要求“同一段管道为单特性管”，因此须对非单特性管进行合理概化。

③该模型中管道阻力系数采用的是阀门关闭前稳态流动的值，实际应该采用动态的阻力系数。

④计算时间步长和波速调整的优化。

⑤含气水锤模型的建立。

2．边界数学模型不同边界具有不同的数学模型，目前基本边界的数学模型已较成熟，满足仿真计算精度要求。

3．数模的求解方法有压输水道数学模型采用特征线法求解；简单边界数学模型（如一元非线性代数方程）采用改进的不动点迭代法求解；复杂边界数学模型（如二元非线性代数方程组）采用牛顿-莱甫生法求解。

二．仿真计算程序的编制利用FORTRAN语言将已建立的数学模型和所选的求解方法编制成仿真计算程序。

同时，须注意以下几个问题：①水轮机特性曲线的变换（目前采用改进的Suter法）。

引水式电站过渡过程研究引水式电站是利用水能转化为电能的一种电站。

它是由一条大坝和一条隧道或管道组成的，将水从高处引入管道，再通过水下大压力和水力机械装置的转化，将水能转化为电能。

在国家电力系统中，引水式电站在强化电力供应、推动能源转型和保护生态环境等方面都发挥着至关重要的作用。

但是，在引入新建引水式电站的同时，电网穿越能力和电网稳定性等问题也逐渐浮现出来，这需要科学研究和探讨。

其中一个重要议题是引水式电站的过渡过程，即在电站进入并重启发电模式前，如何平滑过渡，保证电网稳定性，避免因电力波动而导致的电力供应不足或电网频繁故障。

引水式电站的过渡过程主要包括引水、启机、停机和进入稳态发电的四个阶段。

引水阶段是指将水引入下游管道的过程。

在这个阶段，需要对水管和水闸进行开启、检查，并调整水闸和止回阀的状态，使之达到管控水流量的效果。

引水时间的长短取决于电站的运行模式和水流量的大小。

需要注意的是，引水的过程中，应确保水压不会造成管道爆裂或水闸损坏的风险，同时也要避免流量太小导致水力机械无法启动的问题。

启机阶段是指将水流导入水轮发电机组的过程。

在这个阶段，需要进行反应水轮机和水轮轴的旋转速度平衡调整，以获得最佳的发电效果。

此外，还需要对水轮机进行定时检查和维护，确保其正常工作。

同时，在启机过程中应注意控制电力输出，避免过高的电网电压和电流。

停机阶段是指将水流从水轮轮机组中切断的过程。

在这个阶段，需要关闭水闸和水柵门，使水不再被引入管道。

同样，需要注意水压的监控和控制，以防止管道或水轮机组的损坏。

此外，在停机后，还需要对水轮轮机组进行彻底检查和维护，确保其下次启机前的正常工作。

进入稳态发电是指在启机和停机阶段之间的稳态期。

在这个阶段，需要对水流量、水压、电网电压和电流进行监测和控制，以确保稳定的发电状态。

此外，还需要定期对水利工程、水力机电设备和电力设备进行检查和维护，保持设备的正常运行。

总之，引水式电站的过渡过程是一个复杂的、高风险的过程，它决定了电站的发电效率和电网的稳定性。

水力过渡过程计算嘿，朋友！咱们今天来聊聊水力过渡过程计算这回事儿。

你知道吗，水力过渡过程就像是一场水流的大冒险！想象一下，水在管道里、渠道中奔跑，突然遇到了一些状况，比如阀门关闭、水泵启动或者管道破裂。

这时候，水的流动状态可就发生了巨大的变化，就像一个调皮的孩子突然改变了玩耍的方式。

水力过渡过程计算，那可是相当重要的！比如说，在城市的供水系统中，如果不进行准确的计算，一旦出现紧急情况，比如突然停水或者水压骤变，那可就麻烦大啦！家里的水龙头可能不出水，洗澡洗到一半变成冷水澡，这得多难受啊！水力过渡过程计算其实就像是给水流规划路线。

我们要考虑水的速度、压力、流量这些因素，就像给一个旅行团安排行程，要考虑路程、时间和费用一样。

如果计算不准确，水流就可能“迷路”，造成各种问题。

比如说，在水电站中，水轮机的调节如果没有基于准确的水力过渡过程计算，那电力供应可能就会不稳定，一会儿亮堂堂，一会儿黑黢黢，这可咋整？再看看长距离的输水管道，如果不精心计算水力过渡过程，管道可能承受不住压力，出现破裂，那水就像脱缰的野马一样四处乱跑，这得造成多大的损失啊！那怎么进行水力过渡过程计算呢？这可不是拍拍脑袋就能搞定的。

得有专业的知识和工具。

就像厨师做菜要有好的食材和刀具一样。

我们要建立复杂的数学模型，把水流的各种特性都考虑进去。

这可不容易，就跟拼图一样，一块一块地拼凑，直到呈现出完整清晰的画面。

而且，还得根据实际情况不断调整参数，这就好比裁缝给人做衣服，得量体裁衣，不断修改，才能合身。

计算过程中，每一个数据都不能马虎，一个小差错可能就会导致整个结果大错特错，这难道不就像下棋走错一步满盘皆输吗？总之，水力过渡过程计算可不是一件轻松的事儿，但它又极其重要。

只有把这个计算做好了，我们的水利工程才能稳定运行，为我们的生活带来便利，不是吗？。

第九章 水电站水力过渡过程教学要求：了解水电站水力过渡过程的水力现象和有关基本方程的建立，掌握水锤和机组转速变化计算的基本方法，熟悉调节保证计算的控制指标和基本措施；掌握调压室水位波动分析的基本方法。

水电站的引水系统、水轮机及其调速设备、发电机、电力负荷等组成一个大的动力系统。

这个系统有两个稳定状态：静止和恒速运行。

当动力系统从一个状态转移到另一状态，或在恒速运行时受到扰动，系统都会出现非恒定的暂态（过渡）过程，由此产生一系列工程问题：压力水管（道）的水锤现象、调压室水位波动现象、机组转速变化和调速系统的稳定等问题。

本章主要介绍水电站水力过渡过程的现象和基本方程。

第一节 概述一、水锤（一）水锤现象及其传播引水系统是水电站大系统中的子系统，水锤是发生在引水系统中的非恒定流现象。

当水轮发电机组正常运行时，如果负荷突然变化，或开机、停机，引水系统的压力管道的水流会产生非恒定流现象，—般称为水锤。

水锤的实质是水体受到扰动，在管壁的限制下，产生压能与动能相互转换的过程，由于管壁和水体具有弹性，因此这一转换过程不是瞬间完成的，而是以波的形式在水管中来回传播。

为了便于说明水锤现象，我们首先研究水管材料、管壁厚度、管径沿管长不变，并且无分叉的水管（一般称为简单管），阀门突然关闭时的水锤现象，见图9-1：管图9－1 水锤压力传播过程 中水流的初始状态是水压力为0H ，流速为0v 。

当阀门突然关闭时，首先在阀门附近长度为l ∆的管段发生水锤现象——水体被挤压，水压力上升为H H ∆+0，流速变为0，这时管中水体的动能转变为压能。

由于管壁膨胀，水体被压缩，在管段l ∆中会产生剩余空间，待后面的水体填满剩余空间后，邻近管段水体又会发生水体挤压，引起水压力上升，流速变为0，也产生剩余空间。

这样在水管中，从阀门开始逐段产生水锤现象，水锤波以一定的速度a 从阀门传向进口（水库）。

当水锤到达引水管进口时，这时进口外的水压力为0H ，管内水压力为H H ∆+0，在水管进口处造成压力差H ∆。

水电站一维过渡过程程序
水电站一维过渡过程的程序如下：
1. 首先，确定过渡过程的目标和参数。

包括水电站的起始状态和要达到的目标状态，以及过渡过程中需要调节的参数，如水位、流量等。

2. 对水电站进行模拟或数学建模，得到系统状态方程和控制方程。

这些方程描述了水电站在过渡过程中的动态行为和参数之间的关系。

3. 设计合适的控制器。

利用控制理论和技术，设计控制器来调节水电站的参数，以使其逐渐过渡到目标状态。

常见的控制器包括PID控制器、模糊控制器等。

4. 实施控制策略。

通过控制器对水电站进行实际的控制操作，调节相关参数，以实现过渡过程中的平稳转变。

5. 监控和调整。

在过渡过程中，对水电站的状态进行监控，及时反馈和调整控制策略，以保证过渡过程的顺利进行。

需要注意的是，具体的过渡过程程序可能因水电站的类型、规模、具体要求等而有所不同。

在实际操作中，还需考虑安全、稳定性等因素，并严格遵守水利部门的相关规定和操作流程。

大波动过渡过程计算分析总结水电站输水系统和机组过渡过程的计算分析具有重要的意义，该计算分析对于机组参数GD2的选择、导叶关闭规律的确定、调压室参数的选择和管道线路的布置等方面都有重要的指导作用。

水电站过渡过程计算分析由大波动过渡过程计算分析和小波动过渡过程计算分析两部分组成。

以下对大波动过渡过程计算分析进行总结说明。

大波动过渡过程计算分析主要包含以下几个部分：①该类系统数学计算模型的建立和求解；②仿真计算程序的编制；③具体输水系统有关原始数据的准备（包含实际系统概化问题）；④各种大波动控制工况的计算分析；⑤《水力过渡过程计算分析报告》的撰写。

一．数学计算模型的建立水电站输水系统数学模型由输水道数学模型和边界数学模型两部分构成。

1．输水道数学模型目前，输水道数学模型是根据一元总流流体的运动方程和连续方程，建立有压管道水力瞬变的弹性水锤基本方程组，然后利用特征线法对方程组进行简化、求解（这里暂不讨论无压输水道）；由于在建立和求解模型的过程中，存在一些简化和假定条件，因此存在以下几个值得研究的问题：①现模型采用一元流假定，该假定在某些情况下不适用，应该改用“二元流”或“三元流”原理构造数模。

②该模型要求“同一段管道为单特性管”，因此须对非单特性管进行合理概化。

③该模型中管道阻力系数采用的是阀门关闭前稳态流动的值，实际应该采用动态的阻力系数。

④计算时间步长和波速调整的优化。

⑤含气水锤模型的建立。

2．边界数学模型不同边界具有不同的数学模型，目前基本边界的数学模型已较成熟，满足仿真计算精度要求。

3．数模的求解方法有压输水道数学模型采用特征线法求解；简单边界数学模型（如一元非线性代数方程）采用改进的不动点迭代法求解；复杂边界数学模型（如二元非线性代数方程组）采用牛顿-莱甫生法求解。

二．仿真计算程序的编制利用FORTRAN语言将已建立的数学模型和所选的求解方法编制成仿真计算程序。

同时，须注意以下几个问题：①水轮机特性曲线的变换（目前采用改进的Suter法）。