抽水蓄能電站尾水系統布置對相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力的影響

張新春，楊建東，郭文成，王炳豹(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

抽水蓄能電站尾水系統布置對相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力的影響

張新春，楊建東，郭文成，王炳豹
(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

抽水蓄能電站機組在相繼甩負荷過程中，尾水系統布置方式對尾水管進口最小壓力影響很大。本文通過理論分析、數值計算和工程實例，揭示了相繼甩負荷工況產生尾水管進口最小壓力的內在機理，探究分析了尾水系統布置方式對相繼甩負荷工況中的尾水管進口最小壓力的影響。結果表明：尾水系統環狀布置比樹狀布置對相繼甩負荷過程中的尾水管進口最小壓力更有利；環狀布置方式中的尾水岔管越靠近機組、尾水主洞斷面積越大，尾水管進口最小壓力越大。

抽水蓄能電站；尾水系統布置方式；相繼甩負荷；尾水管進口最小壓力；流量衰減變化率；水流加速時間常數

0 前言

由多臺機組組成的抽水蓄能電站水力單元布置方式可分為兩類：樹狀和環狀。對于尾水系統而言：樹狀布置即尾水系統單機單洞，環狀布置即多臺機組共用尾水主洞，如圖1所示。

兩種布置方式下的水力過渡過程的差別主要在于相繼甩負荷工況。文獻[1]研究認為：采用樹狀布置的尾水管進口最小壓力顯著小于環狀布置，其原因是尾水主洞客觀上起了類似于調壓室的調蓄作用，使得尾水管進口最小壓力下降得到緩解。但文獻沒有對相繼甩工況下尾水系統布置方式與尾水管進口最小壓力的相關性進行嚴格的論證與解釋，未能給兩種布置方式的比選設計提供較為系統的理論參考依據，存在一定缺陷。

國內在建和擬建的抽水蓄能電站，當尾水系統較短時，設計初期多考慮采用樹狀布置。近期正在設計的三座抽水蓄能電站，其尾水系統總長度(從尾水管進口到尾水洞出口)分別為484.70m、478.66m、417.84m，尾水系統的wT值分別為 0.26s、0.71s、0.39s，在相繼甩負荷工況中，樹狀布置方式下的尾水管進口最小壓力均不能滿足調保參數控制要求，給此類電站的設計帶來了一定的困難。

圖1 尾水系統的樹狀與環狀布置方式

針對上述問題，本文在抽水蓄能電站尾水系統較短而不設置尾水調壓室的情況下，通過與同時甩負荷工況對比分析，首先從理論上揭示相繼甩負荷工況發生尾水管進口最小壓力的內在機理，然后詳細分析尾水系統布置方式對相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力的影響，并通過工程實例采用Topsys計算軟件進行數值驗證。

1 尾水管進口最小壓力值的理論推導

由于樹狀布置方式可看成環狀布置方式在尾水主洞長度為 0下的特例，故本文數學模型的建立、理論分析均以環狀布置為基礎，再推廣到樹狀布置。圖1(b)所示的 “兩機一洞” 尾水系統為環狀布置方式，其數學模型，即建立0-0斷面至2-2斷面、2-2斷面至3-3斷面、3-3斷面至4-4斷面的能量方程和岔管處的連續性方程。為便于理論推導，假定：(a)忽略尾水系統水體和管壁的彈性，采用剛性水擊模型；(b)岔管位置改變時，尾水系統總長度不變，即 L2+ L3= L0=const 。當尾水系統較短時，假定(a)只影響尾水管進口最小壓力值的大小，不影響尾水系統壓力變化規律[2]。

能量方程[3]：

連續性方程：

其中：γ為水容重； Pi為斷面壓強； Qi為斷面流量；Zi為斷面位置高程；αi為動能修正系數；Li為管道長度；Ai為管道當量面積；Δhi-j為管道水頭損失。式（1）～（4）及 L2+ L3= L0=const 可推導出尾水管進口壓力表達式：

2 影響因素分析

圖2 相繼甩負荷工況尾水管進口壓力與機組流量衰減變化率關系

圖2給出了相繼甩負荷工況下后甩機組尾水管進口水擊壓力及其流量衰減變化率隨時間的變化關系，分析可知：機組流量衰減變化率決定了尾水管進口壓力的基本變化趨勢，系數項是對這種趨勢的強化或弱化，兩者共同作用決定尾水管進口壓力。

2.1 流量衰減變化率

由式（5）可知，在尾水系統布置方式不變時，尾水管進口壓力決定于自身機組和另一機組的流量衰減變化率，且1Q、2Q隨時間同步變化，具有關聯性。由式（6）可知，尾水管進口壓力對自身機組流量衰減變化率更為敏感，即自身機組流量衰減變化率對尾水管進口最小壓力影響更大；發生尾水管進口最小壓力時，自身機組流量衰減變化率在負值最大附近[1,4-5]。

圖3 同時甩負荷工況與相繼甩負荷工況機組流量

圖3為無量綱化的同時甩負荷工況和典型相繼甩負荷工況機組過流特性圖。其中，Q1為1號機組流量，Q2為2號機組流量，相繼甩負荷工況時2號機組作為后甩機組。

如圖 3所示，抽水蓄能電站機組流量在正、負值之間發生若干次波動，呈現“多峰性”。對于同時甩負荷工況，每一時刻兩機組的流量大致相同。對于相繼甩工況，由于后甩機組初始流量變大，而甩負荷后流量衰減至0的時間變短[4]，故其流量衰減變化率小于同時甩負荷工況流量衰減變化率；兩機組流量相互交錯，在后甩機組流量衰減變化率最大時，先甩機組流量已經開始回升，即：

式(7)、式(8)為發生尾水管進口最小壓力時的機組過流特性表達式。其中，式(7)是產生尾水管進口最小壓力的主要因素；而式(8)是導致相繼甩負荷工況后甩機組尾水管進口最小壓力小于同時甩負荷工況的本質原因。

流量衰減變化率主要受機組參數(水泵水輪機流量特性曲線和導葉關閉規律等)影響，改變管道布置方式(引水系統布置或尾水系統布置)，亦會在小范圍內改變機組流量的衰減變化率，但影響較小。

圖4 后甩機組流量及尾水管進口壓力變化

圖4為不同尾水主洞面積下的后甩機組過機流量以及對應尾水管進口壓力圖，分析可知：在尾水主洞面積改變時，機組過流特性差別不大，特別是在發生尾水管進口最小壓力時，流量衰減變化率幾乎相等，但尾水主洞面積改變對尾水管進口最小壓力卻存在明顯作用。

2.2 水流加速時間常數（系數項）

綜上所述，在研究尾水系統布置方式對相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力的影響時，可忽略決定水擊壓力基本趨勢的機組流量衰減變化率這一因素，主要考慮尾水系統布置對應的水流加速時間常數wT對其的影響。而相繼甩負荷工況由于兩機組流量相互交替，可根據式(11)的大致變化趨勢優化尾水系統布置方式。

2.3 尾水系統布置對尾水管進口最小壓力影響的具體分析

（1）岔管位置的影響

式(5)兩邊對2L求偏導：

結合式(8)，分析式(12)可知：

式(13)表明：(a)同時甩負荷工況，當尾水主洞面積小于2倍尾水支管面積時，尾水岔管離廠房越遠，尾水管進口最小壓力越大；當尾水主洞面積等于2倍尾水支管面積時，尾水岔管位置的改變不改變尾水管進口最小壓力；當尾水主洞面積大于2倍尾水支管面積時，尾水岔管離廠房越近，尾水管進口最小壓力越大。(b)相繼甩負荷工況，只要尾水主洞面積大于尾水支管面積，尾水岔管越靠近廠房，尾水管進口最小壓力就越大。而尾水系統樹狀布置可看作岔管位于下游水庫中的環狀布置，故尾水系統環狀布置比樹狀布置對相繼甩尾水管進口最小壓力更有利。

結合式(13)，分析式(14)：當尾水主洞面積大于 2倍尾水支管面積時（即隨著2L增大，同時甩工況和相繼甩工況的尾水管進口最小壓力均惡化時），相繼甩工況尾水管進口最小壓力對于岔管位置的改變比同時甩負荷工況更為敏感，從而解釋了尾水系統樹狀和環狀兩種布置方式下，同時甩負荷工況尾水管進口最小壓力差別不大，而相繼甩工況尾水系統樹狀布置的尾水管進口最小壓力明顯小于環狀布置。

（2）尾水主洞面積的影響

在分析機組過流特性時已指出，在后甩機組過機流量衰減變化率最大時，先甩機組流量已經開始回升；但由于此時后甩機組過機流量衰減變化率為負值最大，先甩機組的流量回升速率未超過后甩機組衰減率。式(5)兩邊對尾水主洞面積3A求偏導：

3 實例計算

3.1 實例概況

某抽水蓄能電站水力單元布置如圖 1(a)所示，引水系統采用一洞兩機布置方式、尾水系統采用樹狀布置方式。機組額定水頭510.00m、額定流量66.90m3/s、額定出力306.10MW、安裝高程435.00m，尾水系統長度 442.15m、直徑 6.37m，采用導葉有效關閉時間為40s的直線關閉規律。

3.2 計算結果與分析

在利用Topsys計算軟件進行數值論證時，為便于比照分析，在該電站尾水系統樹狀布置基礎上，控制尾水系統總長0L和尾水支管面積2A不變，建立其環狀布置模型，如圖1(b)所示。根據常規工況wT變化情況，數值論證選取了三個不同斷面尺寸的尾水主洞：

在各尾水主洞面積下，岔管位置距機組距離2L值由0m變化到442.15m(442.15處為樹狀布置)時，每隔25m分別計算同時甩負荷工況和2號機組延時1號機組5s的相繼甩負荷工況。2號機組尾水管進口最小壓力計算結果如圖5所示，

分析圖5可知：

（1）在尾水系統布置方式及尺寸相同的情況下，相繼甩負荷工況的后甩負荷機組(2號)尾水管進口最小壓力均小于同時甩負荷工況。

圖5 尾水系統布置對尾水管進口最小壓力的影響

（2）對于同時甩負荷工況，當尾水主洞面積等于3.5倍尾水支管面積時，尾水岔管越靠近機組，尾水管進口最小壓越大；當尾水主洞面積等于2倍尾水支管面積時，尾水岔管位置的改變不會引起尾水管進口最小壓力的改變；當尾水主洞面積等于1.2倍尾水支管面積時，尾水岔管越靠近機組，尾水管進口最小壓力越小。而對于相繼甩負荷工況，尾水主洞面積一定時，尾水岔管越靠近機組，后甩負荷機組尾水管進口最小壓力均越大。

（3）在同時甩工況尾水管進口最小壓力亦隨著岔管位置增大而惡化的布置下，當岔管與機組距離從0m變化到442.15m時，對于同時甩負荷工況，2號機組尾水管進口最小壓力的減小幅度較小，約 10m；而對于相繼甩負荷工況，其尾水管進口最小壓力的減小幅度較大，約50m。

（4）將尾水系統樹狀布置改為環狀布置，在岔管位置合理（距廠房約100m）時，相繼甩負荷工況后甩機組尾水管進口最小壓力由-19.22m最大可上升到16.83m，改善35m之多。

（5）在尾水岔管位置相同時，尾水主洞面積越大，同時甩負荷工況和相繼甩負荷工況的尾水管進口最小壓力均越大，在尾水主洞較短時增大趨勢不明顯。

4 結論

本文結合理論分析與實例計算，在抽水蓄能電站尾水系統較短而不設置尾水調壓室的情況下，通過與同時甩負荷工況的比較，探討了尾水系統布置方式對相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力的影響，得出如下結論：

（1）相繼甩負荷工況中后甩機組尾水管進口壓力主要受機組流量衰減變化率及其水流加速時間常數的影響。其中，機組流量衰減變化率決定了尾水管進口最小壓力的基本變化趨勢，水流加速時間常數是對這種趨勢的強化或弱化。

（2）相繼甩負荷工況后甩機組尾水管進口最小壓力小于同時甩負荷工況的本質原因在于壓力最小時前者的機組流量衰減變化率顯著小于后者。

（3）在分析尾水系統布置對尾水管進口壓力影響時，系數項(對應尾水系統wT)的改變是導致尾水管進口最小壓力變化的主要影響因素，而非機組流量衰減變化率。

（4）尾水主洞面積越大，相繼甩工況尾水管進口最小壓力越大。

（5）與同時甩負荷工況相比，岔管位置對相繼甩負荷工況后甩機組尾水管進口最小壓力影響更大；不同尾水主洞面積下，岔管位置越靠近機組，相繼甩負荷工況后甩機組尾水管進口最小壓力均越大。

（6）和樹狀布置相比，尾水系統采用環狀布置時，相繼甩負荷工況尾水管進口最小壓力有較大改善。

[1] 張健, 盧偉華, 范波芹, 胡建勇. 輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影響[J].水力發電學報, 2008, 27(5): 158-162.

[2] 楊建東, 詹佳佳, 鮑海燕. 調壓室位置對調保參數的影響[J]. 水動力學研究與進展, 2007,22(2):162-167.

[3] 趙昕, 張曉元, 趙明登, 童漢毅. 水力學[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

[4] 張春. 抽水蓄能電站一管多機相繼甩負荷過渡過程研究[J]. 水利水電技術, 2011,42(12): 12-17.

[5] 鮑海燕. 水電站調壓室設置條件及運行控制研究[D]. 武漢: 武漢大學,2010.

審稿人：趙越

Effect of Layout for Pumped Storage Power Station Tailrace System on the Minimum Pressure at Draft Tube Inlet During Load Successive Rejection

ZHANG Xinchun, YANG Jiandong, GUO Wencheng, WANG Bingbao
(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The layout of tailrace system has a great influence on the minimum pressure at draft tube inlet during load successive rejection of pumped-storage units. By the analysis of theory, numerical calculation and engineering example, this paper researches the formation mechanism of the minimum pressure at draft tube inlet during load successive rejection and reveals the effect of the layout for the tailrace system on it. It is concluded that: The minimum pressure at the draft tube inlet of the cyclic layout tailrace system is more favorable than that of the treelike; The nearer the distance from the tailrace junction to the turbine or the bigger the area of main tailrace tunnel is, the higher the minimum pressure at the draft tube inlet is.

pumped storage power station; layout of tailrace system; load successive rejection;minimum pressure at draft tube inlet; flow rate decrease; water accelerative time constant

TK730，TV136

A

1000-3983(2014)03-0057-05

國家自然科學基金重點項目：基于空間曲面的水泵水輪機全特性及過渡過程的研究(51039005)；國家自然科學基金面上項目：基于超長引水隧洞水電站巨大水流慣性的平壓措施與機組運行控制策略的研究(51379158)

2012-12-20

張新春（1989-），男，江蘇南通人，武漢大學水利水電學院，水資源與水電工程科學國家重點實驗室，碩士研究生，主要從事水電站過渡過程與控制的研究。