丁景煥，王 玨，王 君

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南省長沙市 410213）

0 引言

尾水管進口壓力值是水電站設(shè)計和運行的重要的調(diào)節(jié)保證參數(shù)之一，尤其是對于抽水蓄能電站，尾水管進口壓力保證值能否滿足設(shè)計要求，關(guān)系到機組安裝高程的確定及尾水調(diào)壓井尺寸的確定。對于常規(guī)電站，我國規(guī)范規(guī)定尾水管進口最小壓力大于-8m，對于抽水蓄能電站規(guī)范中沒有明確的規(guī)定，設(shè)計時一般要求尾水管進口最小壓力大于0m，有的甚至要求大于2m。但是，即便對于常規(guī)電站，規(guī)范中也沒有明確-8m是尾水管進口斷面壓力的平均值還是尾水管進口斷面某一點的壓力值[1]。

在調(diào)試階段進行甩負(fù)荷實驗時，一般對尾水管進口斷面的一個點或者兩個點進行測量，根據(jù)測量結(jié)果進行過渡過程反演分析，即根據(jù)試驗工況計算值與實測值的差值對極端工況下的計算結(jié)果進行修正，來判斷機組能否在全水頭范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運行。但是測量結(jié)果是包含壓力脈動在內(nèi)的單點的總壓力，計算結(jié)果是進口斷面的均值壓力，如果僅以實測的單點的極值壓力與計算結(jié)果進行對比，差值會比較大。2013年10月，水利水電規(guī)劃設(shè)計總院發(fā)布了《水電站輸水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證設(shè)計專題報告編制暫行規(guī)定（試行）》（以下簡稱《暫行規(guī)定》），對于最大水頭大于200m的抽水蓄能電站：尾水系統(tǒng)渦流引起的壓力下降可按甩前凈水頭的2%～3.5%選取，計算誤差可按尾水管進口壓力下降值的7%～10%選取。即便計算結(jié)果按照《暫行規(guī)定》考慮壓力脈動和計算誤差后，也會和實測總壓力相差較大。因此，壓力測點如何選取、測量結(jié)果如何合理利用值得探討。

據(jù)此，本文以某抽水蓄能電站為依托，對比分析了尾水管進口不同測點的壓力值，提出尾水管進口壓力測點的選取方法和實測數(shù)據(jù)的分析思路，為后續(xù)抽水蓄能電站過渡過程反演分析及復(fù)核計算提供參考依據(jù)。

1 不同方位點尾水管進口壓力實測結(jié)果分析

某電站裝有4臺單機容量為300MW的可逆式機組，引水系統(tǒng)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(zhuǎn)速300r/min，轉(zhuǎn)輪直徑D1為5.04m，安裝高程15m。

圖1 尾水管進口測點位置布置圖Fig．1 Measured points of draft tube inlet

在1號流道雙機甩100%負(fù)荷時（上游水位397.03m，下游水位77.53m），測試單位D采用相同的采樣頻率對1號機組和2號機組分別在同一高程的不同方位點進行了實測，測點位置A和B如圖1所示，分別在尾水錐管段的左上方和右上方，采樣頻率為300Hz。實測極值結(jié)果見表1，1號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比見圖2、圖3，2號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比見圖4、圖5。需說明的是，圖2、圖4中時間軸-5～0s之間的曲線為機組穩(wěn)態(tài)運行時的實測尾水管壓力，圖3、圖5為局部放大圖。

表1 實測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured results at draft tube inlet

圖2 1號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比Fig．2 Measured results of Unit 1 at points A and B

圖3 1號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比（局部放大）Fig．3 Measured results of Unit 1 at points A and B（Local magnification）

圖4 2號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比Fig．4 Measured results of Unit3 at points A and B

圖5 2號機組A點與B點實測數(shù)據(jù)對比（局部放大）Fig．5 Measured results of Unit 2 at points A and B（Local magnification）

從表1及圖2～圖5可以看出，1號機組A、B兩個測點雖然在同一高程上，但是壓力波動幅度及最小壓力值均不相同，B點壓力波動幅度遠(yuǎn)大于A點；2號機組左右兩個測點壓力波動幅度雖然比較接近，但是尾水管最小壓力值也不相同，整體來看，A點的幅度大于B點，A點最小值略小于B點，極值發(fā)生時間相差約3s；以上分析說明，同一工況下甩負(fù)荷時，同一機組在同一高程上的不同方位測點壓力是不完全相同的，這是因為機組在甩負(fù)荷過程中，機組高速旋轉(zhuǎn)，尾水管內(nèi)的流態(tài)紊亂，伴隨有很大的壓力脈動，因此單個測點的極值壓力不能代表整個斷面的壓力，不能僅以實測單點的極值壓力與計算結(jié)果進行對比，對于實測結(jié)果需要進行合理的分析。

2 實測結(jié)果與計算結(jié)果對比

由于水泵水輪機在甩負(fù)荷過程中脈動壓力幅值較常規(guī)水輪機大很多，但一維數(shù)學(xué)模型計算所得為均值壓力，即水擊壓力，無法模擬脈動壓力[2]，而在機組進行甩負(fù)荷試驗時，只能對單個點進行測量，由于目前技術(shù)水平有限，只能通過對單點實測結(jié)果進行合理的分析，再與理論計算值進行對比。

為了便于分析，本節(jié)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2、表3所示。A點、B點的移動平均值與計算值的變化曲線對比見圖6、圖7。

表2 1號機組實測結(jié)果與計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison between measured results and calculated results of Unit 1

表3 1號機組實測結(jié)果與計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison between measured results and calculated results of Unit 2

圖6 1號機組實測移動平均值與計算值對比Fig．6 Mean measured results at points A and B and calculated results of Unit 1

圖7 2號機組實測移動平均值與計算值對比Fig．7 Mean measured results at points A and B and calculated results of Unit 2

從表2及圖6、圖7可以看出，對A、B兩測點取移動平均值后，兩測點均值壓力線是基本重合的，最小值相差也比較小。取移動平均值之前，1號機組A、B兩點的實測最小壓力與計算值之差分別為甩負(fù)荷前凈水頭的4.67%、9.37%，2號機組A、B兩點的實測最小壓力與計算值之差分別為甩負(fù)荷前凈水頭的10.17%、9.4%，均遠(yuǎn)超過了《暫行規(guī)定》要求的修正值的取值范圍。取移動平均值之后，1號機組A、B兩點的均值壓力與計算值之差分別為甩負(fù)荷前凈水頭的0.97%、2.59%，2號機組A、B兩點的均值壓力與計算值之差分別為甩負(fù)荷前凈水頭的1.64%、1.46%。據(jù)此推測，對實測數(shù)據(jù)取移動平均值后的壓力變化可代表整個斷面壓力變化的趨勢。楊桀彬等采用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥ǎ‥MD）[3]對實測壓力的波動信號進行分解，提取均值壓力與一維過渡過程計算所得的壓力值進行比較，兩者的極值結(jié)果也比較接近。

需要說明的是，由于本次甩負(fù)荷試驗工況只對同一斷面的兩個不同的測點進行了測量，而現(xiàn)在及以前大多數(shù)電站在進行甩負(fù)荷試驗時都是取尾水管進口斷面的一個點進行測量，沒有更多的工程實例來驗證上述觀點。建議在今后進行甩負(fù)荷實驗時可布置3個及以上測點，采用相同的傳感器和采樣頻率進行測量，后續(xù)進行甩負(fù)荷試驗反演分析時，選取科學(xué)的方法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，如EMD分解法、移動平均法等，確定壓力脈動和計算誤差更合理的取值范圍，為后續(xù)電站過渡過程復(fù)核計算及尾水管壓力保證值的確定提供依據(jù)。

3 結(jié)束語

本文通過對某抽水蓄能電站雙機甩負(fù)荷工況同一水力單元的兩臺機組不同方位測點的尾水管進口壓力進行比較，可得出以下結(jié)論：由于水泵水輪機固有特性的影響，機組在甩負(fù)荷過程中尾水管內(nèi)流態(tài)紊亂，有較大的脈動壓力，致使同一機組同一高程尾水管進口斷面不同方位測點的實測壓力相差較大，因此包含壓力脈動在內(nèi)的單點的極值壓力不能代表整個斷面的壓力，后續(xù)進行甩負(fù)荷試驗反演分析及過渡過程復(fù)核計算時，需要對多測點的實測數(shù)據(jù)進行合理分析，以便更準(zhǔn)確的預(yù)測電站能否在全水頭范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運行。另外，在進行壓力測點布置時，可在尾水管進口斷面選取3個及以上測點，且傳感器盡量靠近測點、引出管盡可能短，以便減小測量誤差。

[1] 劉潔穎，楊建東，李進平．尾水管真空度數(shù)值計算與模型試驗對比研究[J]．人民長江，2005，36（8）：66-68．LIU Jieying，YANG Jiandong，LI Jinping．Comparison and study of the draft tube vacuum between numerical calculation and the model test[J]．Yangtze River．2005，36（8）:66-68．

[2] 楊桀彬，楊建東，王超．基于空間曲面的水泵水輪機機組數(shù)學(xué)模型及仿真[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2013，32（5）：244-250．YANG Jiebin，YANG Jiandong，WANG Chao．Mathematical model and simulation of pump turbine with characteristic space curves[J]．Journal of Hydroelectric Engineering，2013，32（5）:244-250．

[3] 楊桀彬，楊建東，王超，鮑海艷．水泵水輪機甩負(fù)荷過渡過程中脈動壓力的模擬[J]．水力發(fā)電學(xué)報，2014，33（4）：286-294．YANG Jiebin，YANG Jiandong，WANG Chao，BAO Haiyan．Simulation of pressure fluctuation of a pump turbine in load rejection[J]．Journal of Hydroelectric Engineering，2014，33（4）:286-294．