《抽水蓄能電站水力過渡過程現(xiàn)場試驗反演計算及預測分析導則》

ICS27.140

P59

T/CEC

中國電力企業(yè)聯(lián)合會標準

ＰT/CECXXXXX—XXXX

抽水蓄能電站水力過渡過程現(xiàn)場試驗反

演計算及預測分析導則

GuideforHydraulicTransientProcessInversionandPredictionAnalysis

withFieldTestofPumpedStoragePowerStation

（征求意見稿）

XXXX-XX-XXXXXX-XX-XX實施

中電聯(lián)抽水蓄能標準化技術委員會發(fā)布

1

抽水蓄能電站水力過渡過程現(xiàn)場試驗反演計算及預測分析導則

1范圍

為規(guī)范抽水蓄能電站水力過渡過程現(xiàn)場試驗反演計算及預測分析工作，制定本導則。

本標準規(guī)定了抽水蓄能電站水力過渡過程現(xiàn)場試驗反演計算及預測分析的要求以及輸水

建筑物參數(shù)、機組參數(shù)率定等應遵循的一般原則。

本標準適用于新建、改建和擴建的抽水蓄能電站，其他工程的類似試驗可參照執(zhí)行。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

NB/T10342水電站調(diào)節(jié)保證設計導則

NB/T35021水電站調(diào)壓室設計規(guī)范

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

水力過渡過程hydraulictransientprocess

輸水發(fā)電系統(tǒng)從某一穩(wěn)定運行狀態(tài)轉換到另一穩(wěn)定運行狀態(tài)隨時間變化的暫態(tài)過程。

3.2

甩負荷試驗loadrejectiontest

發(fā)電電動機突然與電力系統(tǒng)解列物理過程的試驗。

3.3

水力干擾hydraulicdisturbance

同一水力單元中部分機組增減負荷或突甩全部負荷時引起對正常運行機組的干擾的輸水

發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程。

3.4

水力參數(shù)hydraulicparameters

輸水發(fā)電系統(tǒng)水力學特征參數(shù)，主要是流量和壓力，其中壓力包括最大壓力、最小壓力、

壓力脈動、時均壓力、壓力脈動頻率等參數(shù)。

3.5

阻抗系數(shù)resistancefactor

調(diào)壓室阻抗孔口處的水頭損失系數(shù)，反映阻抗孔消耗能量的強弱程度。

1

3.6

修正值correctionvalue

實測極值與計算極值的偏差，包含計算誤差和脈動壓力。

3.7

機組瞬態(tài)超出力unitexcessoutput

機組的短時實際出力超過機組額定出力的值。

3.8

脈動壓力pulsatingpressure

將水力過渡過程中實測壓力減去時均壓力后獲得的壓力值，其值反映了相應測點位置處

流動不穩(wěn)定現(xiàn)象造成的擾動情況。

4基本規(guī)定

4.0.1甩負荷試驗前應進行試驗工況的預測計算，對機組蝸殼壓力、機組轉速上升率、尾水

管進口壓力、閘門井及調(diào)壓室涌波水位、隧洞（管道）沿線壓力等控制參數(shù)進行計算分析，

初步評估甩負荷試驗的安全性。

4.0.2水力干擾試驗應進行試驗工況的預測計算，對機組蝸殼壓力、機組轉速上升率、尾水

管進口壓力、閘門井及調(diào)壓室涌波水位、隧洞（管道）沿線壓力及機組瞬態(tài)超出力等控制參

數(shù)進行計算分析。

4.0.3甩負荷試驗前應對機組導葉關閉規(guī)律進行設定，并應與擬定的關閉規(guī)律保持一致。

4.0.4應根據(jù)穩(wěn)態(tài)運行時的試驗數(shù)據(jù)對水頭損失系數(shù)進行率定。

4.0.5應根據(jù)甩負荷試驗后的調(diào)壓室水位波動情況，對調(diào)壓室孔口的阻抗系數(shù)進行率定。

4.0.6所有甩負荷試驗實施完成后應進行試驗工況的反演計算，根據(jù)實測和反演計算結果獲

得修正值，并對極端工況進行預測分析。

5理論與方法

5.0.1抽水蓄能電站水力過渡過程反演及預測應采用一維數(shù)值仿真。

5.0.2抽水蓄能電站水力過渡過程數(shù)值模型應包括有壓管道、水泵水輪機、進/出水口、調(diào)壓

室、閘門井、岔管等輸水發(fā)電系統(tǒng)所有重要組成部分。

5.0.3抽水蓄能電站水力過渡過程數(shù)值模型的幾何參數(shù)須與實際系統(tǒng)一致。

5.0.4有壓管道模型宜采用彈性一維管道有壓非恒定流方程，并采用特征線法進行離散求解。

5.0.5抽水蓄能電站水力過渡過程反演及預測應采用實際的水泵水輪機模型轉輪全特性曲線，

機組轉動方程中的轉動慣量應包含發(fā)電機和水泵水輪機兩部分。

5.0.6輸水發(fā)電系統(tǒng)管道水頭損失宜采用《調(diào)壓室設計規(guī)范》中的計算公式，管道及重要過

水建筑物的水頭損失系數(shù)宜采用實測數(shù)據(jù)率定修正。

2

5.0.7調(diào)壓室、閘門井及岔管的阻抗系數(shù)宜采用模型試驗或者數(shù)值仿真數(shù)據(jù)。

5.0.8水力過渡過程反演前須保證恒定流計算結果穩(wěn)定且與實測參數(shù)基本一致。

5.0.9抽水蓄能電站水力過渡過程仿真模型應能夠實現(xiàn)不同運行模式下水力干擾工況的模擬。

6試驗前預測計算

6.0.1預測計算時應明確現(xiàn)場試驗的輸水發(fā)電系統(tǒng)水力單元號、機組號、工況類型、上/下庫

水位、機組功率、調(diào)速器參數(shù)、導葉關閉規(guī)律等輸入條件。

6.0.2預測計算時應對實際進行現(xiàn)場試驗的水力單元建立相應的數(shù)學仿真模型。

6.0.3預測計算時采用的導葉關閉規(guī)律應與擬定的試驗關閉規(guī)律一致。

6.0.4試驗前預測計算應根據(jù)實際的現(xiàn)場試驗安排進行。

6.0.5預測計算時應先計算機組的穩(wěn)態(tài)初值，主要有：初始導葉開度（或接力器行程），機

組流量，水泵水輪機凈水頭/凈揚程，水泵水輪機輸出功率/輸入功率等。

6.0.6預測計算時應重點關注機組轉速上升率、機組蝸殼壓力、尾水管進口壓力、水泵水輪

機功率等機組的各特征參數(shù)極值；以及上游/下游調(diào)壓室最高/最低涌波水位、上/下庫閘門井最

高/最低涌波水位、輸水系統(tǒng)沿線壓力等輸水系統(tǒng)的各特征參數(shù)極值。

6.0.7預測計算時應考慮機組壓力脈動及計算誤差等的影響，對機組蝸殼壓力、尾水管進口

壓力的數(shù)值計算極值進行修正。修正值應符合《水電站調(diào)節(jié)保證設計導則》NB/T10342的相

關規(guī)定。

6.0.8應對機組蝸殼壓力、尾水管進口壓力及機組轉速上升率等的預測計算結果進行初步分

析。若預測計算結果不滿足相應控制值的要求，則應對擬定的關閉規(guī)律進行評判和復核，并

優(yōu)化調(diào)整關閉規(guī)律。

6.0.9水力干擾試驗的預測計算，應重點關注機組功率的峰值及其持續(xù)時間。應根據(jù)該預測

計算結果對相關電氣設備的承載能力及過流能力等情況進行復核和評判，以確保其滿足機組

瞬時超出力的要求。

7試驗工況反演分析

7.0.1對于有阻抗孔的調(diào)壓室，其阻抗系數(shù)可根據(jù)甩負荷試驗實測的涌浪波動幅值與數(shù)值模

擬試算結果的對比，進行原型率定。

7.0.2根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)及數(shù)值計算數(shù)據(jù)，繪制出導葉開度、機組轉速、機組蝸殼壓力、尾

水管進口壓力等關鍵參數(shù)進程對比曲線，并對各極值參數(shù)及上述進程對比曲線進行復核。

7.0.3根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算極值的對比得到計算修正值，機組蝸殼壓力和尾水管進

口壓力的修正方法可采用“（數(shù)值計算值—試驗實測值）/甩前凈水頭”，受擾機組出力的修

正方法可采用“（數(shù)值計算值—試驗實測值）/甩前機組出力”，轉速的修正方法可采用“（數(shù)

值計算值—試驗實測值）/額定轉速”。

3

8控制工況預測

8.0.1上序機組試驗實施完成后得到的計算修正值，在下序機組輸水發(fā)電系統(tǒng)沒有較大差異

的情況下，可用于下序機組試驗前的預測計算的修正。

8.0.2在甩負荷試驗完成后，須對輸水發(fā)電系統(tǒng)的水力過渡過程控制工況進行預測計算，并

采用最不利修正原則進行修正，其控制參數(shù)的極值應滿足結構安全要求。

4

附錄A：

（規(guī)范性附錄）

水力過渡過程計算數(shù)學模型

抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程數(shù)學模型包括有壓管道、可逆式機組、進出水

口、調(diào)壓室、閘門井、岔管等組成部分。

A.1有壓管道模型及求解方法

描述任意有壓管道中的水流運動狀態(tài)的基本方程為：

HVV1VfVV

L0（A.1-1）

1xgxgt2gD

HHa2V

LVVsin0（A.1-2）

2txgx

式中：H——測壓管水頭（m）；

Q——流量（m3/s）；

D——管道直徑（m）；

A——管道面積（m2）；

t——時間變量（s）；

a——水擊波速（m/s）；

g——重力加速度（m/s2）；

x——沿管軸線的距離（m）；

f——摩阻系數(shù)；

——管軸線與水平面的夾角（rad）。

通過特征線法，式（A.0.1-1）和（A.0.1-2）可以轉化為常微分方程：

C:HPiCPBPQPi（A.1-3）

C:HPiCMBMQPi（A.1-4）

CPHi1BQi1（A.1-5）

BPBRQi1（A.1-6）

CMHi1BQi1（A.1-7）

BMBRQi1（A.1-8）

a

B（A.1-9）

gA

（A.1-10）

?Δ?

2

2???

式中：CP、BP、CM、BM——計算時刻上一?時=刻的已知量；

5

Hpi——計算點的測壓管水頭（m）；

3

Qpi——計算點的測壓管流量（m/s）；

B、R——反映管道特性的常數(shù)。

利用式（A.1-3）~（A.1-10）可計算彈性模型管道流量水頭變化過程。

A.2可逆式機組模型及求解方法

全特性曲線處理：

水泵水輪機具有水輪機和水泵兩種運行工況，為了將這兩種工況統(tǒng)一求解，并避免插值

計算中所可能產(chǎn)生的多值問題，需對水泵水輪機全特曲線進行轉換處理：

（）

2A.2-1

???

22

?+?

??(?,?)=（A.2-2）

??1

'

??(?,?)=(?+?1?)?

（A.2-3）

?+?2?

??=???????,?≥0（A.2-4）

?+?2?

式中：、、、——分別為水頭?、?力=矩?、+轉?速???和??流量的?無量,?綱<值0；——導葉開度；——

'

額定工?況單?位?力矩?，；、——系數(shù)，取?。?1?

機組轉動方程可以??表?示?為?：1?2?1=1.0~1.8,?2=0.5~1.2

dn

Tmm（A.2-5）

adtg

式中：mg——電機電磁轉矩相對值；

n——相對轉速（r/min）；

Ta——機組慣性時間常數(shù)（s）；

m——水輪機的軸力距相對值。

在水輪機甩負荷情況下，電磁轉矩mg=0。對式（A.2-5）積分，并取二階近似得：

t

nn0(1.5m00.5m00)（A.2-6）

Ta

式中：下標“0”和“00”分別代表時刻t0和t0-?t。

轉輪邊界水頭平衡方程可以表示為：

CC(BB)QqCqq

hPMPMr2（A.2-7）

Hr

222

式中：C2Qr(1/A11/A2)/(2g)。

A.3水庫邊界模型及求解方法

管道進口流量QP1和出口流量QPN+1分別為：

6

HuresCM

QP1（A.3-1）

BM

CpHdres

QPN1（A.3-2）

Bp

式中：Hures——上游水庫水位（m）；

Hdres——下游水庫水位（m）。

A.4調(diào)壓室模型及求解方法

圖A.4-1阻抗孔調(diào)壓室

對于阻抗式調(diào)壓室（圖A.0.4-1），在調(diào)壓室底部按照岔管進行處理，在連接管與圓筒連

接處采用以下方程：

（）

dHst/dtQst/AstA.4-1

HPHstRkQstQst（A.4-2）

HPCP1RP1QP1（A.4-3）

HPCM2RM2QP2（A.4-4）

式中：Hst——調(diào)壓室水位（m）；

2

Ast——調(diào)壓室截面積（m）；

3

Qst——進、出調(diào)壓室阻抗孔的流量（m/s）；

25

Rk——阻抗水頭損失系數(shù)（s/m）；

HP——管道邊界瞬態(tài)水頭（m）；

3

QP1、QP2——管道邊界瞬態(tài)流量（m/s）；

考慮到水擊計算時t很小，故可將式（A.4-1）、（A.4-2）簡化為：

HstHsto0.5t(QstQst0)/Ast（A.4-5）

HPHstRstQstQst0（A.4-6）

式中：Hst0、Qst0——前一計算時步求出的Hst、Qst值。

7

由上述兩式及式（A.4-3）、（A.4-4）可整理得：

HP(C1/C2CP1/RP1CM2/RM2)/(1/C21/RP11/RM2)（A.4-7）

式中：C1Hst00.5tQst0/Ast；

C2RkQst00.5t/Ast。

閘門井邊界與阻抗式調(diào)壓室相同，阻抗水頭損失Rk取值不同。

A.5串聯(lián)管道模型及求解方法

圖A.5-1串聯(lián)連接

對于串聯(lián)管道模型（圖A.5-1），由連續(xù)性表達式及水力坡度線等高條件可知：

QQHH

P1,NSP2,1P1,NSP2,1（A.5-1）

將上式（A.0.5-1）和式（A.0.1-3）及（A.0.1-4）聯(lián)解得出：

CC

QP1M2（）

P2,1A.5-2

B1B2

A.6分岔管道模型及求解方法

圖A.6-1分岔連接

對分岔管道（圖A.6-1）使用連續(xù)方程，當局部損失略去不計時，可假定有公共的水頭，

同時管1、管2、管3、管4均采用相容性方程，可以得到：

HHHH（）

PP1,NSP2,1P3,1A.6-1

8

HC

QPP1（）

P1,NSA.6-2

B1B1

HC

QPM2（）

P2,1A.6-3

B2B2

HC

QPM3（）

P3,1A.6-4

B3B3

將式（A.6-2）~（A.6-4）相加，可以得到水頭HP：

CP1/B1CM2/B2CM3/B3

HP（A.6-5）

(1/B)

9

附錄B：

（規(guī)范性附錄）

實測與反演數(shù)據(jù)對比及修正值確定方法

B.1現(xiàn)場試驗與反演結果的比較

現(xiàn)場試驗一般不是輸水發(fā)電系統(tǒng)水力過渡過程的最惡劣運行條件下所做的試驗，因此，

應根據(jù)實際現(xiàn)場試驗實測數(shù)據(jù)，調(diào)整水力過渡過程數(shù)值仿真模型，并利用校準后的仿真模型

模擬校驗最惡劣的計算工況。

以現(xiàn)場試驗工況的上庫、下庫水位、現(xiàn)場試驗機組出力為邊界條件，采用水力過渡過程

仿真模型進行穩(wěn)態(tài)仿真，計算結果與實測數(shù)據(jù)對比，對比內(nèi)容包括（不限于）：

機組蝸殼壓力；

尾水管壓力；

調(diào)壓室水位。

對于現(xiàn)場試驗的每個水力過渡過程工況，應將實測數(shù)據(jù)時均壓力與仿真模型計算值進行

比較，以確定每種工況下的誤差。

誤差百分比計算可以參考下圖：

10

圖B.1-1實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

（）實測均值極值反演結果極值（）

實測極值相對穩(wěn)態(tài)變化值B.1-1

?

根據(jù)計算的誤差值分析模型的可XX靠性%，判=斷是否對模型需要進一步調(diào)整。

圖B.1-2修正值示意圖

修正值=（計算極值-實測壓力極值）/甩前凈水頭

修正值是相對值，且包含了計算誤差與壓力脈動的修正。

B.2預測極值與調(diào)節(jié)保證設計值對比

預測極值=A+B

其中：

A——采用水力過渡過程仿真模型計算的控制工況的極值；

B——修正值。

11

附錄C：

（規(guī)范性附錄）

甩負荷試驗后預測工況表

C.1大波動預測工況表

表C.1大波動預測工況表

工況上庫水位下庫水位工況說明及

負荷變化

編號（m）（m）導葉關閉方式

水輪機工況

正常蓄水同一水力單元n臺機組以額定出力正常運行，突甩全

死水位

T1位n0部負荷，機組導葉正常關閉

額定水頭額定水頭額定水頭，同一水力單元n臺機組以額定出力正常運

T2對應水位對應水位n0行，突甩全部負荷，機組導葉正常關閉

正常蓄水同一水力單元n臺機組以最大出力正常運行，突甩全

死水位

T3位n0部負荷，機組導葉正常關閉

設計洪水同一水力單元n臺機組以額定出力正常運行，突甩全

死水位

T4位n0部負荷，機組導葉正常關閉

額定水頭額定水頭同一水力單元n臺機組以額定出力正常運行，突甩負

T5對應水位對應水位n0荷，一臺機組導葉拒動，其余機組導葉正常關閉

同一水力單元臺機組以額定出力正常運行，其中

正常蓄水n1

死水位臺機組突甩負荷，臺機組在最不利時刻甩全部負

T6位nn-10n-1

荷，導葉緊急關閉

同一水力單元n-1臺機組以額定出力正常運行，另一

正常蓄水臺機正常啟動增至額定輸出功率，在流入上游調(diào)壓室

T7死水位n-1n0

位流量最大時刻，n臺機組同時突甩全部負荷，機組導

葉正常關閉

同一水力單元n-1臺機組以額定出力正常運行，另一

正常蓄水臺機正常啟動增至額定輸出功率，在流出下游調(diào)壓室

T8死水位n-1n0

位流量最大時刻，n臺機組同時突甩全部負荷，機組導

葉正常關閉

同一水力單元臺機組以額定出力正常運行，突甩負

正常蓄水n

死水位荷，一臺機組導葉分段關閉失效，其余機組導葉正常

T9位n0

關閉

水泵工況

正常蓄水同一水力單元n臺機組在最小揚程抽水時，突然斷電，

死水位

P1位n0機組導葉正常關閉

12

正常蓄水同一水力單元n-1臺停機檢修，一臺機組最大揚程抽

死水位

P2位10水，突然斷電，導葉緊急關閉

最高運行同一水力單元n臺機組最小揚程，抽水斷電，機組導

死水位

P3水位n0葉全拒

最小揚程，同一水力單元臺機組正常抽水運行，

最高運行n-1

死水位另一臺機組正常啟動抽水，在流出上游調(diào)壓室流量最

P4水位n-1n0

大時抽水斷電，導葉全拒

最小揚程，同一水力單元