运行工况对水泵水轮机尾水管进口压力的影响

丁景焕，张 建，凡家异，王 君

（1．国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2．东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000；3．湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市 410213）

运行工况对水泵水轮机尾水管进口压力的影响

丁景焕1，张 建2，凡家异2，王 君3

（1．国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2．东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000；3．湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省长沙市 410213）

通过对比分析某电站在不同尾水位运行工况下甩相同负荷时的尾水管进口实测压力，得出随尾水位降低、水头升高以及导叶开度减小，其尾水管进口压力脉动幅值有减小的趋势；同时，针对各不同工况下的尾水管进口压力实测均值与理论计算值进行对比分析，得出甩负荷时机组水头越高，其尾水管进口压力的理论计算值与实测值越接近。上述对比分析工作，为后续的抽水蓄能电站甩负荷试验和安全性预测提供了重要参考。

运行工况；尾水管进口压力；压力脉动；实测均值；理论计算值

0 引言

对于常规电站，尾水管进口最低压力一般发生在下游低水位、额定水头发额定出力甩负荷工况；对于抽水蓄能电站，从理论上分析可知，机组甩负荷时下游水位越低，尾水管进口压力也将越低。在电站调试阶段，为了确保有更多的安全裕量，可能会要求机组在高尾水位、低水头的工况下进行甩负荷试验，并根据高尾水位工况下的实测结果预测低尾水位工况下的尾水管进口压力，这样可能会有较大的误差。本文将结合具体实例，对比分析同一机组在不同尾水位工况下甩相同负荷时的尾水管进口压力，并与计算值进行对比分析。

1 尾水管进口压力定性分析

从较为近似的解析法计算［1］出发，在非恒定流情况下，尾水管进口压力可表示为：

式中，HS为静力真空（位置真空），仅与机组安装高程和下游水位有关，安装高程在下游水位以上为正；为动力真空，与尾水管尺寸和机组引用流量有关，ΔHB为尾水管内水击压力降低的绝对值［2］。

对于抽水蓄能电站，一般而言，安装高程低于下游水位，HS为负值。尾水管进口压力与下游水位与机组流速有关，一般情况下，下游水位越低，机组流量越大，则水力过渡过程中的尾水管进口压力越小。然而，在实际甩负荷过程中，由于水泵水轮机转轮固有特性的影响，尾水管中将出现较大的压力脉动，不同尾水位工况下同一机组甩相同负荷时，实测得到的尾水管压力值有可能随尾水位的降低而增加。

下面以某电站为例，对同一机组在不同工况下甩相同负荷时尾水管进口压力实测值与计算值进行具体的对比分析。

2 不同尾水位工况尾水管进口压力实测结果分析

2.1 不同尾水位工况尾水管进口压力实测结果对比

某电站装有4台单机容量为300MW的可逆式机组，引水系统为一管双机布置，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，水轮机工况额定水头295m，机组转速300r/min，转轮直径D1为5.04m，安装高程15m。其4号机组在高尾水位工况和低尾水位工况均进行过单机甩75%和100%负荷试验。试验结果见表1、表2及图1～图4。

表1 不同尾水位工况单机甩75%负荷

表2 不同尾水位工况单机甩100%负荷

图1 工况A与B尾水管进口压力实测数据对比

图2 工况A与B运行轨迹线对比

图3 工况C与D尾水管进口压力实测数据对比

图4 工况C与D运行轨迹线对比

从图1和图3（图中定义：甩负荷开始时刻点为0s，时间为负值表示甩负荷前稳定运行时间）可以得出：工况B较工况A尾水位低14.08m、水头高23.45m之后，实测尾水管进口压力最小值反而高1.63m；工况D较工况C尾水位低20.62m、水头高34.62m之后，实测尾水管进口压力最小值并未大幅度下降，仅比工况C低3.21m。分析表明，由于实测尾水管进口压力叠加了较大的压力脉动，从而导致工况A的压力脉动幅值明显大于工况B，工况C的压力脉动幅值明显大于工况D。

从图2和图4还可以看出：工况A、B、C、D尾水管进口最小压力均发生在飞逸转速附近，在转速达到最大值后，尾水管中发生剧烈的压力脉动。随着尾水位降低、机组水头升高以及导叶开度减小，其压力脉动值具有减小的趋势。

2.2 不同尾水位工况尾水管进口压力实测结果与计算结果对比

由于实测结果包含有较大的压力脉动值，理论计算采用的一维特征线法，只能计算出尾水管进口断面的均值压力，无法模拟压力脉动，为了便于分析，本节以1s为时间段对尾水管进口压力求移动平均值得到均值压力线，将均值压力线上的最小值与理论计算最小值进行对比，如表3与表4。

表3 单机甩75%负荷实测结果与计算结果对比

表4 不同尾水位单机甩75%负荷实测结果与计算结果对比

由表3与表4可知，单机甩相同负荷时，随着尾水位的降低、水头的升高、导叶开度的减小，计算值与实测均值越来越接近，单机甩75%负荷时变化较为明显，在净水头为316.65m时，计算值与实测均值差仅为1.42%；另外从表中还可以看出，实测均值压力线最小值一般发生在转速上升到最大值附近（6.5s）左右，比理论计算值发生时间要提前一些。实测均值与计算值的对比见图5～图8。

图5 工况A计算值与实测均值对比

图6 工况A计算值与实测均值对比

图7 工况C计算值与实测均值对比

图8 工况D计算值与实测均值对比

3 结论

本文通过对同一机组不同尾水位工况下甩相同负荷时尾水管进口压力实测结果分析以及尾水管进口压力实测值与计算值的对比分析可知：抽水蓄能电站机组甩负荷时，尾水管中压力脉动随着下库尾水位降低、水头升高以及导叶开度减小，而具有减小的趋势；同时，由于尾水管中压力脉动的影响，尾水管进口压力实测值有可能随着下库尾水位的降低而增加。然而，对实测尾水管进口压力值求移动平均值得出的均值压力将随着下库尾水位的降低而降低，这与理论计算值的变化趋势是一致的，且随着下库尾水位降低、水头升高，计算值与实测均值压力越接近。因此，在机组调试阶段，可利用上述变化规律选择适当的水位组合工况来进行甩负荷试验，从而确保机组甩负荷试验的安全性。

[1] 沈祖诒．水轮机调节（第3版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2008．

[2] 陈丹，杨建东．导叶关闭规律和尾水调压室对尾水管真空度的影响［J］．水电能源科学，2004，22（2）：45-48．

[3] 刘启钊．水电站（第3版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．

[4] 鲍海燕，杨建东，付亮．尾水调压室位置对尾水管最小压力值的影响 ［J］．水力发电学报，2007，26（6）：77-82．

[5] 秋元德三．水击与压力脉动[M]． 支培法，徐关泉，严亚芳译． 北京：电力工业出版社，1981．

丁景焕（1982—），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向：水电站水力过渡过程。E-mail：dingjinghuan2005@163．com

张 建（1986—），男，硕士研究生，工程师，主要从事水轮机初步设计及水电站水力过渡过程研究工作。

凡家异（1987—），男，硕士研究生，助理工程师，主要从事水轮机初步设计及水电站水力过渡过程研究工作。

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