某電站水泵水輪機(jī)尾水管進(jìn)口不同方位點(diǎn)實(shí)測壓力比較

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(jìn)口壓力值是水電站設(shè)計和運(yùn)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(jìn)口壓力保證值能否滿足設(shè)計要求，關(guān)系到機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口斷面壓力的平均值還是尾水管進(jìn)口斷面某一點(diǎn)的壓力值[1]。

在調(diào)試階段進(jìn)行甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時，一般對尾水管進(jìn)口斷面的一個點(diǎn)或者兩個點(diǎn)進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行過渡過程反演分析，即根據(jù)試驗(yàn)工況計算值與實(shí)測值的差值對極端工況下的計算結(jié)果進(jìn)行修正，來判斷機(jī)組能否在全水頭范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行。但是測量結(jié)果是包含壓力脈動在內(nèi)的單點(diǎn)的總壓力，計算結(jié)果是進(jìn)口斷面的均值壓力，如果僅以實(shí)測的單點(diǎn)的極值壓力與計算結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(shí)測總壓力相差較大。因此，壓力測點(diǎn)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(jìn)口不同測點(diǎn)的壓力值，提出尾水管進(jìn)口壓力測點(diǎn)的選取方法和實(shí)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(diǎn)尾水管進(jìn)口壓力實(shí)測結(jié)果分析

某電站裝有4臺單機(jī)容量為300MW的可逆式機(jī)組，引水系統(tǒng)為一管雙機(jī)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(jī)工況額定水頭295m，機(jī)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(jìn)口測點(diǎn)位置布置圖Fig．1 Measured points of draft tube inlet

在1號流道雙機(jī)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(jī)組和2號機(jī)組分別在同一高程的不同方位點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)測，測點(diǎn)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(shí)測極值結(jié)果見表1，1號機(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)對比見圖2、圖3，2號機(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)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(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的實(shí)測尾水管壓力，圖3、圖5為局部放大圖。

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

圖2 1號機(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)對比Fig．2 Measured results of Unit 1 at points A and B

圖3 1號機(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)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(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)對比Fig．4 Measured results of Unit3 at points A and B

圖5 2號機(jī)組A點(diǎn)與B點(diǎn)實(shí)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(jī)組A、B兩個測點(diǎn)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(diǎn)壓力波動幅度遠(yuǎn)大于A點(diǎn)；2號機(jī)組左右兩個測點(diǎn)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(diǎn)的幅度大于B點(diǎn)，A點(diǎn)最小值略小于B點(diǎn)，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(jī)組在同一高程上的不同方位測點(diǎn)壓力是不完全相同的，這是因?yàn)闄C(jī)組在甩負(fù)荷過程中，機(jī)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(diǎn)的極值壓力不能代表整個斷面的壓力，不能僅以實(shí)測單點(diǎn)的極值壓力與計算結(jié)果進(jìn)行對比，對于實(shí)測結(jié)果需要進(jìn)行合理的分析。

2 實(shí)測結(jié)果與計算結(jié)果對比

由于水泵水輪機(jī)在甩負(fù)荷過程中脈動壓力幅值較常規(guī)水輪機(jī)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(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)時，只能對單個點(diǎn)進(jìn)行測量，由于目前技術(shù)水平有限，只能通過對單點(diǎn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行合理的分析，再與理論計算值進(jìn)行對比。

為了便于分析，本節(jié)以1s為時間段對尾水管進(jìn)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(jìn)行對比，如表2、表3所示。A點(diǎn)、B點(diǎn)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(jī)組實(shí)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(jī)組實(shí)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(jī)組實(shí)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(jī)組實(shí)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(diǎn)取移動平均值后，兩測點(diǎn)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(jī)組A、B兩點(diǎn)的實(shí)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(jī)組A、B兩點(diǎn)的實(shí)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(jī)組A、B兩點(diǎn)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(jī)組A、B兩點(diǎn)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(shí)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(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥ǎ‥MD）[3]對實(shí)測壓力的波動信號進(jìn)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(jìn)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(yàn)工況只對同一斷面的兩個不同的測點(diǎn)進(jìn)行了測量，而現(xiàn)在及以前大多數(shù)電站在進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)時都是取尾水管進(jìn)口斷面的一個點(diǎn)進(jìn)行測量，沒有更多的工程實(shí)例來驗(yàn)證上述觀點(diǎn)。建議在今后進(jìn)行甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時可布置3個及以上測點(diǎn)，采用相同的傳感器和采樣頻率進(jìn)行測量，后續(xù)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)反演分析時，選取科學(xué)的方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)甩負(fù)荷工況同一水力單元的兩臺機(jī)組不同方位測點(diǎn)的尾水管進(jìn)口壓力進(jìn)行比較，可得出以下結(jié)論：由于水泵水輪機(jī)固有特性的影響，機(jī)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(jī)組同一高程尾水管進(jìn)口斷面不同方位測點(diǎn)的實(shí)測壓力相差較大，因此包含壓力脈動在內(nèi)的單點(diǎn)的極值壓力不能代表整個斷面的壓力，后續(xù)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)反演分析及過渡過程復(fù)核計算時，需要對多測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)行。另外，在進(jìn)行壓力測點(diǎn)布置時，可在尾水管進(jìn)口斷面選取3個及以上測點(diǎn)，且傳感器盡量靠近測點(diǎn)、引出管盡可能短，以便減小測量誤差。

[1] 劉潔穎，楊建東，李進(jìn)平．尾水管真空度數(shù)值計算與模型試驗(yàn)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(jī)機(jī)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(jī)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．