彭志远，桂绍波，陈 笙，殷成成
(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)
拉洛水利枢纽及配套灌区工程[1]位于西藏自治区日喀则地区境内，工程开发任务是灌溉、生态建设，兼顾发电和防洪，为改善区域生态环境创造条件。拉洛水利枢纽具有年调节水库，共建两座水电站，其中之一为德罗水电站。德罗水电站总装机容量40 MW，共安装2台单机容量为20 MW的混流式水轮发电机组，单机额定流量10.33 m3/s，机组安装高程4 044 m。德罗水电站采用引水式地面厂房，通过德罗水电站无压隧洞引水到前池后，经压力管道接入地面厂房，水电站采用两机一管的引水方式，压力钢管直径3.3 m，长约2 km，无调压室，具有高水头、高海拔、长距离引水等显著特点。
学术界和工程界对水电站水力过渡过程数值计算开展过大量的研究[2]，高敏等[3]对石塘水电站3号机增容改造项目进行调节保证计算分析，孙剑峰等[4]对乌兹别克斯坦某水电站调压阀代替调压井方案进行了探讨。然而，针对海拔4 000 m以上的高寒高海拔地区水电站水力过渡过程的相关研究还比较少。因此，本文以德罗水电站为例，开展水力过渡过程数值计算与现场测试分析研究，旨在为高寒高海拔、长距离引水式电站的调节保证设计提供依据与参考。
本文通过建立德罗水电站引水发电系统水力过渡过程计算模型，计算分析各种运行条件下机组甩负荷工况，优化导叶关闭规律，确定机组最高转速上升率、蜗壳末端最大动水压力以及尾水管最大真空度等调节保证控制参数并提出设计值，指导电站开展现场机组甩负荷试验，并将数值计算结果与现场实测数据进行对比分析，进一步预测其他现场甩负荷工况水力过渡过程参数，确保电站安全稳定运行。
1.1 特征水位及水头
德罗水电站特征水位[5]及水头见表1。
表1 特征水位及水头Tab.1 Characteristic water level and head of power station m
1.2 水轮发电机组参数
德罗水电站水轮机主要参数如下：水轮机型号为HLTF310-LJ-158；
额定水头、最大水头、最小水头、加权平均水头分别为225.50，232.75，225.50，226.79 m；
水轮机额定转速为600 r/min；
转轮直径(进口直径)、尾水管进口直径、导叶高度分别为1.580，1.148，0.221 m；
安装高程为4 044 m。发电机组主要参数如下：额定容量为22.5 MW/26.47 MVA；
转动惯量GD2为160 t·m2。
1.3 引水发电系统管线特征参数
本文使用的数值计算软件为武汉浪淘石水电站水力机械过渡过程反演及预测分析计算软件V1.0，水电站引水发电系统计算模型[6]见图1，其中J11，J12分别为德罗水电站1号机组和2号机组。引水管线特征参数如表2所示。
图1 水电站引水发电系统计算模型示意Fig.1 Calculation model of water diversion system of hydro-power station
表2 引水发电系统管道特征参数Tab.2 Characteristic parameters of pipeline of water diversion power generation system
2.1 有压管道非恒定流数学模型与特征线法
有压管道非恒定流基本方程[7]如下。
连续方程为
(1)
动量方程为
(2)
上式中：H为以某一水平面为基准的测压管水头；
下标x是随x轴的函数，下标t是随时间的函数；
V为管道断面的平均流速；
A为管道断面面积；
Ax为管道断面面积随x轴线的变化率，若Ax=0，则式(1) 即简化为棱柱体管道中的水流连续性方程；
θ为管道各断面形心的连线与水平面所成的夹角；
S为湿周；
f为Darcy-Weisbach摩阻系数；
a为水击波传播速度；
g是重力加速度。本文数值计算采用当量管计算方法，因此式(1)中Ax=0。
式(1)～(2)是一组拟线性双曲型偏微分方程，可采用特征线法将其转化为两个在特征线上的常微分方程，其中摩阻损失项采取二阶精度数值积分，并用流量代替断面流速[7]。
2.2 大波动过渡过程计算理论与方法
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)
3.1 大波动计算工况
结合德罗水电站实际运行调度规则，初步拟定D1～D6工况作为基本计算工况；
为了与甩负荷试验结果进行对比分析，拟定D7与D8工况为反演计算工况。本文拟定8个计算工况如表3所示。
表3 大波动水力过渡过程计算工况Tab.3 Calculation case of large wave hydraulic transition process
3.2 控制标准
根据NB/T 10342-2019《水电站调节保证设计导则》，德罗水电站工程采用的控制标准：① 机组蜗壳允许最大压力Hmax≤365 m(以水柱高度计，考虑高程修正，下同)；
② 机组最大转速上升率βmax≤60%；
③ 尾水管进口最大真空度不大于4.8 m(以水柱高度计，考虑高程修正)。
3.3 导叶关闭规律
德罗水电站导叶关闭规律采用一段式9.5 s直线关闭规律[9]，如图2所示。
图2 导叶关闭规律Fig.2 Guide vane closing rule
3.4 计算结果及分析
采用以上关闭规律进行德罗水电站大波动过渡过程计算，大波动调保参数极值计算结果见表4，控制工况蜗壳压力、转速、尾水管进口压力等随时间变化过程线见图3～4。
注：蜗壳压力以水柱高度计。图3 D2工况蜗壳压力、转速、尾水管进口压力随时间变化过程线Fig.3 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D2 case
注：蜗壳压力以水柱高度计。图4 D5工况蜗壳压力、转速、尾水管进口压力随时间变化过程线Fig.4 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D5 case
表4 调保参数极值计算结果 Tab.4 Calculation results of extreme value of regulation guarantee parameters
当导叶关闭规律采用一段式9.5 s直线关闭规律时，计算结果如下：
(1) 蜗壳最大动水压力是344.54 m出现在D2工况，满足调保参数的要求(最大动水压力Hmax≤365 m)：D2工况为额定出力条件下的最大水头工况，其机组蜗壳最大动水压力比同等出力条件下的D1，D3工况的大；
相较于D5工况，机组初始导叶开度较小，导叶总共关闭时间较短，因此该工况下的机组蜗壳压力比D5工况大。
(2) 机组最大转速上升率为51.30%，出现在D5工况，满足调保参数的要求(大转速上升率βmax≤60%)：D5工况为超发11.6%额定出力条件下的最大水头工况，其机组最大转速上升率比同等出力条件下的D4，D6工况的大；
相较于D2工况，机组初始导叶开度较大，导叶总共关闭时间较长，因此该工况下的机组最大转速上升率比D2工况大。
(3) 尾水管进口最大真空度为0.20 m，出现在D5工况，满足调保参数的要求(最大真空度H≤4.8 m)：D5工况为超发11.6%额定出力条件下的最大水头工况，对应的下游尾水位最低，其机组尾水管进口最大真空度比同等出力条件下的D4，D6工况的大；
相较于D2工况，机组初始导叶开度较大，机组过流量较大，在导叶关闭过程中，机组产生的振动较大，因此该工况下的机组尾水管进口最大真空度比D2工况大。
综合上述分析，德罗水电站各项调保参数计算结果合理且均满足规范要求，并具有一定的裕度。
2021年1月6日，对德罗水电站1号、2号水轮发电机组依次分别进行甩负荷试验，机组运行水头231 m，其中1号机组、2号机组甩100%负荷分别对应计算工况D7和D8，反演计算得到的蜗壳压力、转速、尾水管进口压力随时间变化过程线如图5～6所示。
注：蜗壳压力以水柱高度计。图5 D7工况蜗壳压力、转速、尾水管进口压力随时间变化过程线Fig.5 Process line of volute pressure，unit speed and draft tube inlet pressure changing with time in D7 case
注：蜗壳压力以水柱高度计。图6 D8工况蜗壳压力、转速、尾水管进口压力随时间变化过程线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德罗水电站1号与2号机组自动开机，13∶35分机组并网，13∶50分机组做甩负荷试验，试验数据如表5所示。
表5 1号、2号机组甩负荷试验数据Tab.5 No.1 & No.2 unit load rejection test data
从表5中可看出，在单台机组100%甩负荷工况中，1号机组最大转速上升率实测数据为35.34%，2号机组最大转速上升率实测数据为36.26%，均小于D7，D8工况的计算极值39.01%；
1号机组蜗壳进口最大压力值为295.62 m，2号机组蜗壳进口最大压力值为300.71 m，均小于D7，D8工况的计算值302.10 m。
综上分析，1号机组与2号机组的实测值均要小于计算值，且留有一定的安全余量。因此，以德罗水电站水力过渡过程数值计算结果作为调节保证设计参数是偏安全的，能够保障水电站在正常运行以及超发11.6%额定出力运行条件下的安全。
本文通过建立高寒高海拔地区德罗水电站引水发电系统水力过渡过程计算模型，计算分析了各种水位条件下的额定出力以及超发11.6%额定出力条件下的机组甩全负荷工况，优化了导叶关闭规律，确定机组最高转速上升率、蜗壳末端最大动水压力以及尾水管最大真空度等调节保证控制参数并提出设计值。通过将数值计算结果与现场实测数据进行对比分析，确定甩100%出力工况下的计算结果有一定的安全余量，从而进一步预测超发11.6%额定出力甩全负荷工况的水力过渡过程参数，确保电站安全稳定运行。本文研究成果可为高海拔、长距离引水式电站的设计提供参考。
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