運行工況對水泵水輪機尾水管進口壓力的影響

丁景煥，張 建，凡家異，王 君

（1．國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2．東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；3．湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410213）

運行工況對水泵水輪機尾水管進口壓力的影響

丁景煥1，張 建2，凡家異2，王 君3

（1．國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2．東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；3．湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410213）

通過對比分析某電站在不同尾水位運行工況下甩相同負荷時的尾水管進口實測壓力，得出隨尾水位降低、水頭升高以及導葉開度減小，其尾水管進口壓力脈動幅值有減小的趨勢；同時，針對各不同工況下的尾水管進口壓力實測均值與理論計算值進行對比分析，得出甩負荷時機組水頭越高，其尾水管進口壓力的理論計算值與實測值越接近。上述對比分析工作，為后續的抽水蓄能電站甩負荷試驗和安全性預測提供了重要參考。

運行工況；尾水管進口壓力；壓力脈動；實測均值；理論計算值

0 引言

對于常規電站，尾水管進口最低壓力一般發生在下游低水位、額定水頭發額定出力甩負荷工況；對于抽水蓄能電站，從理論上分析可知，機組甩負荷時下游水位越低，尾水管進口壓力也將越低。在電站調試階段，為了確保有更多的安全裕量，可能會要求機組在高尾水位、低水頭的工況下進行甩負荷試驗，并根據高尾水位工況下的實測結果預測低尾水位工況下的尾水管進口壓力，這樣可能會有較大的誤差。本文將結合具體實例，對比分析同一機組在不同尾水位工況下甩相同負荷時的尾水管進口壓力，并與計算值進行對比分析。

1 尾水管進口壓力定性分析

從較為近似的解析法計算［1］出發，在非恒定流情況下，尾水管進口壓力可表示為：

式中，HS為靜力真空（位置真空），僅與機組安裝高程和下游水位有關，安裝高程在下游水位以上為正；為動力真空，與尾水管尺寸和機組引用流量有關，ΔHB為尾水管內水擊壓力降低的絕對值［2］。

對于抽水蓄能電站，一般而言，安裝高程低于下游水位，HS為負值。尾水管進口壓力與下游水位與機組流速有關，一般情況下，下游水位越低，機組流量越大，則水力過渡過程中的尾水管進口壓力越小。然而，在實際甩負荷過程中，由于水泵水輪機轉輪固有特性的影響，尾水管中將出現較大的壓力脈動，不同尾水位工況下同一機組甩相同負荷時，實測得到的尾水管壓力值有可能隨尾水位的降低而增加。

下面以某電站為例，對同一機組在不同工況下甩相同負荷時尾水管進口壓力實測值與計算值進行具體的對比分析。

2 不同尾水位工況尾水管進口壓力實測結果分析

2.1 不同尾水位工況尾水管進口壓力實測結果對比

某電站裝有4臺單機容量為300MW的可逆式機組，引水系統為一管雙機布置，上游正常蓄水位400m，死水位376.5m，下游正常蓄水位103.7m，死水位65m，水輪機工況額定水頭295m，機組轉速300r/min，轉輪直徑D1為5.04m，安裝高程15m。其4號機組在高尾水位工況和低尾水位工況均進行過單機甩75%和100%負荷試驗。試驗結果見表1、表2及圖1～圖4。

表1 不同尾水位工況單機甩75%負荷

表2 不同尾水位工況單機甩100%負荷

圖1 工況A與B尾水管進口壓力實測數據對比

圖2 工況A與B運行軌跡線對比

圖3 工況C與D尾水管進口壓力實測數據對比

圖4 工況C與D運行軌跡線對比

從圖1和圖3（圖中定義：甩負荷開始時刻點為0s，時間為負值表示甩負荷前穩定運行時間）可以得出：工況B較工況A尾水位低14.08m、水頭高23.45m之后，實測尾水管進口壓力最小值反而高1.63m；工況D較工況C尾水位低20.62m、水頭高34.62m之后，實測尾水管進口壓力最小值并未大幅度下降，僅比工況C低3.21m。分析表明，由于實測尾水管進口壓力疊加了較大的壓力脈動，從而導致工況A的壓力脈動幅值明顯大于工況B，工況C的壓力脈動幅值明顯大于工況D。

從圖2和圖4還可以看出：工況A、B、C、D尾水管進口最小壓力均發生在飛逸轉速附近，在轉速達到最大值后，尾水管中發生劇烈的壓力脈動。隨著尾水位降低、機組水頭升高以及導葉開度減小，其壓力脈動值具有減小的趨勢。

2.2 不同尾水位工況尾水管進口壓力實測結果與計算結果對比

由于實測結果包含有較大的壓力脈動值，理論計算采用的一維特征線法，只能計算出尾水管進口斷面的均值壓力，無法模擬壓力脈動，為了便于分析，本節以1s為時間段對尾水管進口壓力求移動平均值得到均值壓力線，將均值壓力線上的最小值與理論計算最小值進行對比，如表3與表4。

表3 單機甩75%負荷實測結果與計算結果對比

表4 不同尾水位單機甩75%負荷實測結果與計算結果對比

由表3與表4可知，單機甩相同負荷時，隨著尾水位的降低、水頭的升高、導葉開度的減小，計算值與實測均值越來越接近，單機甩75%負荷時變化較為明顯，在凈水頭為316.65m時，計算值與實測均值差僅為1.42%；另外從表中還可以看出，實測均值壓力線最小值一般發生在轉速上升到最大值附近（6.5s）左右，比理論計算值發生時間要提前一些。實測均值與計算值的對比見圖5～圖8。

圖5 工況A計算值與實測均值對比

圖6 工況A計算值與實測均值對比

圖7 工況C計算值與實測均值對比

圖8 工況D計算值與實測均值對比

3 結論

本文通過對同一機組不同尾水位工況下甩相同負荷時尾水管進口壓力實測結果分析以及尾水管進口壓力實測值與計算值的對比分析可知：抽水蓄能電站機組甩負荷時，尾水管中壓力脈動隨著下庫尾水位降低、水頭升高以及導葉開度減小，而具有減小的趨勢；同時，由于尾水管中壓力脈動的影響，尾水管進口壓力實測值有可能隨著下庫尾水位的降低而增加。然而，對實測尾水管進口壓力值求移動平均值得出的均值壓力將隨著下庫尾水位的降低而降低，這與理論計算值的變化趨勢是一致的，且隨著下庫尾水位降低、水頭升高，計算值與實測均值壓力越接近。因此，在機組調試階段，可利用上述變化規律選擇適當的水位組合工況來進行甩負荷試驗，從而確保機組甩負荷試驗的安全性。

[1] 沈祖詒．水輪機調節（第3版）[M]．北京：中國水利水電出版社，2008．

[2] 陳丹，楊建東．導葉關閉規律和尾水調壓室對尾水管真空度的影響［J］．水電能源科學，2004，22（2）：45-48．

[3] 劉啟釗．水電站（第3版）[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．

[4] 鮑海燕，楊建東，付亮．尾水調壓室位置對尾水管最小壓力值的影響 ［J］．水力發電學報，2007，26（6）：77-82．

[5] 秋元德三．水擊與壓力脈動[M]． 支培法，徐關泉，嚴亞芳譯． 北京：電力工業出版社，1981．

丁景煥（1982—），女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：水電站水力過渡過程。E-mail：dingjinghuan2005@163．com

張 建（1986—），男，碩士研究生，工程師，主要從事水輪機初步設計及水電站水力過渡過程研究工作。

凡家異（1987—），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事水輪機初步設計及水電站水力過渡過程研究工作。

Effect on Pressure in Draft Tube of Different Conditions

DING Jinghuan1，ZHANG Jian， FAN Jiayi2，WANG Jun3
（1.Technology Center State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100161， China；2.Dongfang Electric Machinery Co.Ltd.，DeYang 618000， China；3.Hunan Heimi-feng Pumped Storage Power Co.Ltd.，ChangSha，410213，China）

After load-rejection test in different tail water level conditions of one pump storage power station， the measured inlet pressure values in draft tube were compared and analyzed.It showed that the inlet pressure fluctuation in draft tube tends to decrease while the tail water decreased， the unit head increased and the guide vane opening decreased. At the same time， the mean measured inlet pressure value and calculated inlet pressure value in draft tube were also compared and analyzed. It concluded that the higher the unit head， the closer the mean measured inlet pressure value and calculated inlet pressure value. These conclusion can provide a reference for load rejection test and safety prediction of pumped storage power station.

condition; pressure in draft tube; pressure fluctuation; mean measured test pressure; calculated value