(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明650051;2.广东粤源水利水电工程咨询有限公司广东广州510635)
摘要：大盈江水电站四级引水系统线路长约15km，属典型的长引水系统。工程首台机组发电后，对其进行了变更设计，结合防沙要求在引水系统上增设沉沙池，沉沙池前段引水隧洞采用双洞，后段为单洞；同时从原调压室前分流，新建引水系统及单台机组进行扩容，新建引水系统设置单独调压室，与原调压室共用上室，设计变更后引水系统布置极其复杂。引水系统设计变更调整后，需确保原已建引水系统及发电机组控制边界条件（如承压水头、机组转速上升等）不发生重大变化，同时做到新建工程的经济合理，新系统的水力过渡过程显得尤为重要。本文结合设计变更后甩负荷试验成果及其边界条件按原设计数值模型进行反演分析对比，验证了变更设计过程中水力过渡过程数值模拟的准确性及工程布置的合理性，为其他类似工程提供参考。
关键词：引水系统；甩负荷试验；水力过渡；反演计算；调压井
1引言
大盈江四级水电站一期批复建设规模为70MW（4×17.5MW），额定水头289m，引水系统由双洞式进水口、14km长引水隧洞、带上室阻抗室调压井及压力钢管组成，压力钢管采用2管4机布置，单管主管长约0.9km。工程建成发电后，机组磨损严重，同时上游调蓄梯级电站相继建成，机组运行年利用小时数偏高，为此，对工程进行了重大设计变更调整，在原输水系统3.5km处新增沉沙池，并利用调压井前施工支洞引水分流，新增直径10m调压井及约1km长的压力钢管道扩容一台机组（17.5MW）。重大设计变更后，进水口至沉沙池段新建一条隧洞，采用双洞运行，单洞长约3.5km；沉沙池至调压井前分流引水隧洞仍利用原引水隧洞（单洞）输水，长约11km，分流引水隧洞后原四台机引水系统不做调整，从主洞分流后，新建0.08km长分流引水隧洞、与原四台机共用上室的阻抗室调压井，调压井后接1km长压力钢管至扩容机组。设计变更调整后引水系统布置示意见图1。
图1设计变更调整后引水系统布置示意图
重大设计变更调整后，扩容机组新增调压井及压力钢管道后与原四台机调压井及压力钢管道形成并联式布置，共用上室，两个调压井之间相互影响较大；且新增沉沙池后，沉沙池也相当于简单式调压井，与沉沙池前后段输水系统形成串联布置，引水系统水力过渡过程极为复杂。
2机组甩负荷试验
机组甩负荷试验是对电站引水发电系统设计、发电设备制造质量、相关水工建筑物施工质量的一次验证，检验全站甩负荷时机组调节过程中压力钢管水压上升率、机组转速上升率、尾水压力脉动、调压井和沉沙池涌浪情况能否满足电站安全运行的要求。重大设计变更扩容的5#机组发电后，按以下工况逐级进行了甩负荷试验。
（1）FD1工况：上游水位585.6m，下游水位256.8m，5#机组按折线关闭规律（拐点开度为65.1%，拐点时间为1.5s，全关时间为38s）甩100%额定负荷，其他机组停机；
（2）FD2工况：上游水位582.9m，下游1#~4#机组水位256.4m，5#机组水位256.6m，1#,2#,5#机组按折线关闭规律（拐点开度为65%，拐点时间为1.5s，全关时间为38.3s）甩100%额定负荷，其他机组停机。
考虑全厂甩负荷对电网冲击较大且试验时段内来水不够,未进行全厂甩负荷试验，甩负荷过程中，按实际边界条件对数值模拟参数进行设定，同步开展数值模拟计算，应用FD1工况试验成果及反演对比分析指导FD2工况甩负荷试验，通过两工况下甩负荷试验成果与数值模拟相互校验、分析，进而分析本电站水力过渡过程是否满足安全运行要求。
3数值模拟反演及对比分析
3.1计算模型
根据引水发电系统布置，有压管道非恒定流数学模型计算简图见图2，图中J1、J2、J3、J4及J5分别代表1#~5#机组。J9代表沉沙池，J10代表原调压井，J11代表新增调压井。
图2数值模拟反演计算简图
3.2反演计算成果比较
对于FD1及FD2甩负荷试验工况，利用每个工况下导叶实测关闭规律进行反演计算，并将机组频率、蜗壳压力、尾水管压力的变化过程和极值与试验的结果进行对比，调节保证参数极值对比见表1，调节保证波动过程见图3~10（黑色线条为甩负荷试验成果）。
表1甩负荷调节保证极值反演计算结果与试验结果对比表
图3FD1工况5#机蜗壳压力变化过程线图4FD1工况5#机组转速变化过程线
图5FD1工况调压井涌浪变化过程线图6FD2工况1#机组蜗壳压力变化过程线
图7FD2工况5#机组蜗壳压力变化过程线图8FD2工况1#机组转速随变化过程线
图9FD2工况5#机组转速变化过程线图10FD2工况调压井涌浪变化过程线
3.3对比分析
从上述成果可以看出，反演计算结果与试验结果相比较，调节保证参数的变化规律与趋势吻合较好，极值及其发生的时间比较接近。主要分析如下：
（1）调节保证及调压井涌浪初始值跟试验值拟合地较好，说明管道糙率系数等参数率定较为合理。
（2）对于蜗壳压力：反演计算得到的蜗壳压力是管道中心的平均压力，而试验测量得到的蜗壳压力则是管壁的压力，两者之间相差一个速度水头；反演计算模拟的是蜗壳进口的压力值，但试验测量的并不是严格意义上的进口值(该测点布置在了蜗壳附近的压力管道上)。因此，反演计算的蜗壳极值要大于试验结果，但极值发生的时间是一致的。三台机甩负荷工况，试验结果显示的蜗壳压力最大极值发生在后面，是因为前段的导叶关闭引起的极值小于后面调压井涌浪产生的极值，而计算结果相反。
（3）对于机组频率：在起始的开度保持不变的机组正常运行阶段，反演计算结果与试验结果一致，机组频率（转速）都一直维持在
50Hz左右，这是因为这一阶段的反演计算模拟的是机组并网运行的情形，与试验条件一致；在导叶关闭阶段，机组频率迅速上升，机组频率的极值发生在导叶关闭的第二段(慢关阶段)。极值的大小和发生时间方面，反演计算结果与试验结果比较接近；导叶开度为零的阶段机组频率都减小、后趋于稳定，但反演计算结果与试验结果有一定的差别：后者机组频率缓慢减小，前者机组频率较快的减小。
（5）对于调压井水位涌浪：原调压井反演计算结果与试验结果的初始值及最大、小极值结果拟合的较好。而新调压井计算值与试验值差异较大，三台机甩负荷工况，原调压井初始水位试验值为574.32m（计算值574.33m），而新调压井初始水位试验值为571.42m（计算值为573.55m），经分析，新调压井底部的测压管水头应与原调压井相差不大，新调压井在606.0m显示异常，而且新调压井最高水位试验值为611.7m，大大超过了原调压井水位610.9m，而实际上在连通高程610.0m之上的两调压井水位应该一致，因此判断新调压井底部的压力传感器率定存在偏差，不作为有效对比值。
4大波动控制工况调节保证复核
结合甩负荷试验成果及反演计算对比分析，依据运行设定的机组关闭规律，对数值模型校对后重新对设计变更后引水系统大波动调节保证进行复核，最不利工况下主要成果如下：
（1）蜗壳最大动水压力1~4#机组为384.71m，5#机组为377.66m，均小于控制值400m。
（2）尾水管进口最小压力1~4#机组为0.57m，5#机组为1.19m，均大于控制值-8.0m。
（3）转速最大上升率1~4#机组为53.9%，5#机组为57.23%，小于允许机组转速上升率60.0%的要求。
（4）沉沙池最高涌浪为EL595.74m，沉沙池池顶高程为EL596.00m，周边防浪墙高1m，防浪墙墙顶高程为EL597.00m，最高涌浪以上超高为1.26m；1~4#机调压井与5#机调压井最高涌浪均为613.91m，两个调压井共用上室，上室边墙顶部高程为EL615.50m，最高涌浪以上超高为1.59m；均满足规范规定的“调压室最高涌浪水位以上的安全超高不宜小于1m”的要求。
（5）沉沙池最低涌浪580.26m，允许的最低水位为EL568.76m，满足沉沙池安全运行要求。1~4#机调压井最低涌浪537.52m，其大井底板高程为EL533.40m，底板以上水深4.12m；5#机调压井最低涌浪537.34m，其大井底板高程为EL529.60m，底板以上水深7.74m；均满足规范规定的“上游调压室最低涌浪水位与调压室处压力引水道顶部之间的安全高度应不小于2~3m，调压室底板应留有不小于1m的安全水深”的要求。
5结论
大盈江四级水电站引水系统布置极其复杂，结合甩负荷试验及反演计算的调节保证参数对比可以看出，其变化规律与趋势吻合较好，极值及其发生的时间比较接近，证明了数值模拟计算能够较为准确合理的反映真实水电站的甩负荷过渡过程，在复杂引水系统设计中的应用也较为可靠性。本工程引水系统在原四台机投产后进行设计变更，变更后最大限度的利用了原引水系统，原有工程调节保证参数均满足控制要求，说明设计变更调整后引水系统布置经济合理，同时可为类似项目提供参考。
参考文献:
[1]水电水利规划设计总院.水电站调压室设计规范（NB/T35021-2014）.北京：中国电力出版社。
[2]李永兴，肖支怀，陈启卷.超长引水隧洞上下游双调压室电站水力过渡过程计算研究[J].中国农村水利水电，2017,1007-2284（2017）10-0131-05。
作者简介：
屈玉竹（1981—），男，高级工程师，主要研究方向：水电工程、引调水工程、市政水务工程水工结构设计等。
杨震坤（1979—），男，工程师，主要研究方向：水利工程咨询及管理。
陆新佳（1980—），男，高级工程师，主要研究方向：水电站、引调水工程、市政水务工程水工结构设计等。