基于鋼管道上平段容積法導(dǎo)葉漏水量測(cè)量與計(jì)算

(大唐碧口水力發(fā)電廠(chǎng)，甘肅 文縣 746412)

基于鋼管道上平段容積法導(dǎo)葉漏水量測(cè)量與計(jì)算

陳崇彬

(大唐碧口水力發(fā)電廠(chǎng)，甘肅 文縣 746412)

水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的測(cè)量具有一定的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。本文基于鋼管道上平段為主要測(cè)量段的容積法導(dǎo)葉漏水量的測(cè)量與計(jì)算，是在鋼管道布置及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上建立計(jì)算模型，利用高精度壓力變送器采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。該計(jì)算方法在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用表明：測(cè)量精度以及測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性均符合要求，減少了人工計(jì)算誤差，可以為同類(lèi)型電站水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的測(cè)量及計(jì)算提供參考。通過(guò)導(dǎo)葉漏水量的精確測(cè)量，對(duì)水電廠(chǎng)水輪機(jī)的檢修質(zhì)量評(píng)價(jià)以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析具有一定的意義。

水輪機(jī)；導(dǎo)葉漏水量；容積法；鋼管道上平段

導(dǎo)葉漏水是水電廠(chǎng)常見(jiàn)的問(wèn)題。產(chǎn)生導(dǎo)葉漏水的原因較多，其測(cè)量計(jì)算同樣具有一定的復(fù)雜性，因此發(fā)電企業(yè)關(guān)于導(dǎo)葉漏水量的管理沒(méi)有明確的量化指標(biāo)。目前大多數(shù)采用人工目測(cè)記錄鋼管水壓下降的全過(guò)程，計(jì)算鋼管道斜井段的岀流系數(shù)，并換算成正常水頭的測(cè)量方法。由于該方法測(cè)量精度低，人為因素較大，其結(jié)果偏差較大。有鑒于此，本文分析了碧口電廠(chǎng)鋼管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了以容積法按鋼管道上平段為主要測(cè)量段的導(dǎo)葉漏水量計(jì)算模型，并通過(guò)研究水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)量的穩(wěn)定性等情況，為水電廠(chǎng)導(dǎo)葉漏水量準(zhǔn)確測(cè)量提供了一定的依據(jù)。

1 導(dǎo)葉漏水量測(cè)量穩(wěn)定性分析

在水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，鋼管壓力變送器壓力數(shù)據(jù)測(cè)量值存在周期性波動(dòng)，是否為壓力脈動(dòng)還需要進(jìn)一步研究，導(dǎo)葉漏水量測(cè)量的流量系數(shù)應(yīng)進(jìn)行正負(fù)誤差律定，檢驗(yàn)所定流量系數(shù)關(guān)系線(xiàn)兩側(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)目分配的合理性，測(cè)量壓力數(shù)據(jù)需要14組以上，如果上平段較短可通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉充水閥進(jìn)行反復(fù)測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量應(yīng)考慮以下因素的影響:

a.導(dǎo)葉密封材料的影響，導(dǎo)葉一般采用金屬密封，但有的采用彈性橡膠密封，由于不同材質(zhì)的密封結(jié)構(gòu)在水壓應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)不同的變化，因此不同斷面(上平段或斜井段)計(jì)算導(dǎo)葉漏水量的出流系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定偏差。

b.由于水輪機(jī)導(dǎo)葉在不同次停機(jī)操作中關(guān)閉情況不同(環(huán)境條件不同)，導(dǎo)葉漏水量也會(huì)產(chǎn)生一定變化。

c.導(dǎo)葉漏水量測(cè)量期間要核實(shí)冷卻水取水閥及其他取水閥是否全部關(guān)閉，接力器鎖錠是否投入。

d.應(yīng)考慮快速閘門(mén)漏水量的影響，可根據(jù)落門(mén)后快速閘門(mén)漏水量實(shí)測(cè)值計(jì)算,碧口水電站快速門(mén)落門(mén)后取鋼管道下平段測(cè)閘門(mén)漏水量為0.01～0.02m3/s。

2 容積法測(cè)導(dǎo)葉漏水量計(jì)算方法研究

2.1 各斷面分析

碧口水庫(kù)庫(kù)容5.21億m3，裝機(jī)容量3×100MW，引水系統(tǒng)布置于左岸山體內(nèi)，由進(jìn)水口、調(diào)壓井、引水隧洞及壓力鋼管組成，采用一洞一機(jī)的布置方式。

容積法測(cè)導(dǎo)葉漏水量，按結(jié)構(gòu)可分為通氣孔段、上平段、斜井段計(jì)算，電站一般選擇用通氣孔段或斜井段計(jì)算。由于不同斷面的結(jié)構(gòu)、容積、流態(tài)等條件差異，在計(jì)算時(shí)應(yīng)注意分析，下面就不同斷面分析如下：

通氣孔段計(jì)算導(dǎo)葉漏水量，其水頭最接近水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)葉漏水環(huán)境，但由于通氣孔段容積小、變量多(上下部體積有漸變段變化)、時(shí)間短、水頭壓力變化快(導(dǎo)葉漏水量較大時(shí))，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性差，同時(shí)受快速門(mén)沖水閥流量計(jì)算的影響，計(jì)算導(dǎo)葉漏水量的不確定因數(shù)較復(fù)雜，因此不宜采用。

斜井段上部由于受上平段下部水流運(yùn)動(dòng)變化的影響較大，中下部計(jì)算導(dǎo)葉漏水量的出流系數(shù)比較穩(wěn)定，但相比上平段容積偏小，同時(shí)與正常水頭相差較大，導(dǎo)葉漏水環(huán)境與正常運(yùn)行水頭導(dǎo)葉所受應(yīng)力變化較大，換算為正常水頭的數(shù)據(jù)擬合條件不具備，計(jì)算結(jié)果偏差較大。

上平段鋼管道中心高程相對(duì)容積較大，其高程與正常水頭較為接近，同時(shí)通過(guò)鋼管壓力變化曲線(xiàn)容易判定起始時(shí)間(詳見(jiàn)圖4)。選擇上平段中部壓力變化計(jì)算導(dǎo)葉漏水量比較理想，條件是應(yīng)根據(jù)鋼管結(jié)構(gòu)，精確計(jì)算上平段鋼管道容積變量，并建立上平段鋼管道容積變化曲線(xiàn)(詳見(jiàn)圖3)。

2.2 鋼管道容積計(jì)算

高壓鋼管內(nèi)徑6m，為鋼板和鋼筋混凝土組合襯砌埋藏式高壓鋼管，三條鋼管道各由上平段、斜井段、下平段組成。鋼管長(zhǎng)度分別為：144.84m、138.184m和131.523m。門(mén)前為3.8m長(zhǎng)5m×6m矩形連接段(上部為通氣孔)，上平段均為9m長(zhǎng)的漸變段，由5m×6m矩形斷面變成洞經(jīng)6m的圓形斷面，斜井段均長(zhǎng)33.081m,坡度兩端由管徑18m、中心角55°的豎彎管與上下平段銜接；下平段各長(zhǎng)23m，上平段中心高程均為655.75m，進(jìn)入水輪機(jī)斷面中心高程為613.30m(詳見(jiàn)圖1)。

圖1 3號(hào)機(jī)組引水系統(tǒng)縱剖圖單位：尺寸：cm；高程：m

高程652.75m以上水平斷面彎管部分可通過(guò)三維建模計(jì)算的鋼管容積為289.894 m3(詳見(jiàn)圖2)。

圖2 彎管部分三維建模

經(jīng)計(jì)算，三條鋼管上平段容積(652.75m以上水平斷面)分別為1944.25m3、1756.06m3、1567.72m3。

以3號(hào)機(jī)為例計(jì)算鋼管道各段體積：

b.斜井段，根據(jù)橢圓公式及鋼管傾斜角度(55°)計(jì)算：

斜井段起始位置：彎管下端面中點(diǎn)比上平段655.75m高程處低7.68m，高程為648.07m。彎管下端面中點(diǎn)與上平段652.75m高程間的體積約為217m3，斜井段水平斷面面積為34.49m2。

2.3 建立計(jì)算模型

利用Excel工作表相關(guān)函數(shù)按工程體積計(jì)算公式分平面計(jì)算,對(duì)于彎管及漸變段可按差值計(jì)算，建立不同平面鋼管容積變化計(jì)算模型(詳見(jiàn)圖3)。

圖3 壓力鋼管上平段容積變化曲線(xiàn)

根據(jù)帕斯卡定律：在平衡液體中，邊界上的壓強(qiáng)將等值地傳遞到液體的一切點(diǎn)上。也就是等壓面既是等勢(shì)面。依據(jù)3號(hào)機(jī)落門(mén)后的壓力曲線(xiàn)變化趨勢(shì)，通過(guò)計(jì)算上平段上部計(jì)算流量系數(shù)，分別建立漏水量曲線(xiàn)，計(jì)算公式如下。

根據(jù)伯努利方程，將壓力換算成壓力水頭：

h=p/ρg

式中h——壓力水頭；

p——鋼管壓力；

ρ——水的密度；

g——重力加速度。

根據(jù)壓力換算壓力水頭計(jì)算鋼管道上平段容積，壓力水頭應(yīng)考慮過(guò)流水面流速的影響，可按下式修正：

式中H——計(jì)算水頭；

h——壓力水頭；

a——?jiǎng)幽芏涡拚禂?shù)，一般可用1.0；

v——流速，可由推求流量除以過(guò)流水?dāng)嗝娣e求得，鋼管斷面積較大時(shí)此項(xiàng)可忽略不計(jì)。

導(dǎo)葉實(shí)際漏水量為名義導(dǎo)葉漏水量及閘門(mén)漏水量Qz之和。導(dǎo)葉漏水量按下式計(jì)算：

Q=V/t+Qz

式中Q——導(dǎo)葉漏水量；

t——監(jiān)控系統(tǒng)鋼管壓力變化值時(shí)間間隔；

V——計(jì)算水頭變化的容積變量。

根據(jù)淹沒(méi)流孔口流量公式：上、下游過(guò)流斷面面積都很大，故流速水頭忽略不計(jì)，流量公式為：

可根據(jù)流量結(jié)果，計(jì)算孔口面積A，該公式可用于水庫(kù)入庫(kù)流量計(jì)算。

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)鋼管壓力數(shù)據(jù)采集

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于鋼管壓力值取值死區(qū)應(yīng)以設(shè)置為0.002MPa為宜，將監(jiān)控系統(tǒng)記錄的壓力變化數(shù)據(jù)精確導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，本計(jì)算模型上平段數(shù)據(jù)錄入18組壓力變化值，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成計(jì)算(詳見(jiàn)圖4)。

圖4 3號(hào)機(jī)落門(mén)后鋼管p-t變化曲線(xiàn)

2.5 綜合誤差初步估算

綜合誤差由測(cè)量過(guò)程中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差按均方根計(jì)算。 鋼管體積計(jì)算按照設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件也可采用高精度的現(xiàn)代儀器測(cè)量，例如3號(hào)機(jī)鋼管半徑實(shí)測(cè)值為2.996m；鋼管不圓度完全滿(mǎn)足小于1.0%的IEC規(guī)程要求。對(duì)于壓力計(jì)算誤差，通過(guò)壓力變送器的實(shí)際測(cè)量值與理論輸出值比較，從而得出壓力計(jì)算時(shí)的測(cè)量誤差，在計(jì)算出流系數(shù)時(shí)主要考慮的是壓力變化趨勢(shì)。

上平段鋼管體積計(jì)算誤差E1=±0.5%。

流速沿管道空間變化的誤差按Ev=±1.8%考慮。

鋼管壓力變送器誤差Ep=±0.2%。

(脈動(dòng))壓力計(jì)算誤差按Ei=±1.15%考慮。

水頭測(cè)量誤差fhs=±0.39%。

監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間測(cè)量誤差Es=±0.2%。

計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)誤差：

碧口水電廠(chǎng)3號(hào)水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量測(cè)量，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)都由微機(jī)自動(dòng)采集，測(cè)量值離散度比較小，隨機(jī)誤差也比較小，故參數(shù)的平均值反映了真值的變化。按隨機(jī)誤差極限值fμr=±0.6%。

計(jì)算漏水量綜合誤差：

綜合誤差計(jì)算結(jié)果，符合IEC規(guī)程效率綜合誤差為±(1.5%～2.5%)的要求，故得出的試驗(yàn)結(jié)果可信，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)和IEC規(guī)程95%置信度的要求，可以評(píng)價(jià)該水輪機(jī)的導(dǎo)葉漏水量情況。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.采集鋼管壓力變送器數(shù)據(jù)，建立以鋼管道上平段為主要計(jì)算段的導(dǎo)葉漏水量計(jì)算模型，其容積計(jì)算準(zhǔn)確，壓力變送器精度高、時(shí)間記錄準(zhǔn)，減少了人為誤差，達(dá)到了令人滿(mǎn)意的效果。

b.利用鋼管道上平段測(cè)量導(dǎo)葉漏水量，與正常運(yùn)行水頭存在數(shù)據(jù)擬合問(wèn)題，有待于進(jìn)一步研究。

c.上平段與斜井段流量系數(shù)存在的差異仍需探討。

d.利用鋼管道上平段測(cè)量導(dǎo)葉漏水量，適用于具有一定長(zhǎng)度的上平段為鋼管結(jié)構(gòu)的水電站。

e.對(duì)于大多數(shù)水電站，枯水期水庫(kù)長(zhǎng)期處于高水頭運(yùn)行，大容量中、高水頭的水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量是不容忽視的問(wèn)題。導(dǎo)葉漏水量的測(cè)量對(duì)水電廠(chǎng)水輪機(jī)的檢修質(zhì)量管理以及水電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析均具有一定意義。

MeasurementandCalculationofVaneWaterLeakageBasedonFlatSegmentVolumeMethodonSteelPipeline

CHEN Chong-bin

(DatangBikouHydropowerPlant,Wenxian746412,China)

The turbine vane water leakage measurement is characterized by certain complexity and instability. In the paper, calculation model is established on the basis of steel pipeline layout and structure analysis according to measurement and calculation of volume method vane water leakage with flat segment on steel pipeline as main measurement section. High accuracy pressure transmitter is utilized for data collection, thereby realizing automatic calculation. Application of the calculation method in actual measurement shows that measurement precision and measurement result stability are in line with requirements, manual calculation errors are reduced, thereby providing reference for measuring and calculating vane water leakage of similar power station turbine. Accurate measurement of vane water leakage has certain significance on overhaul quality assessment and economic operation analysis on power station turbine.

turbine; vane water leakage; volume method; flat section on steel pipeline

TV734

A

1673-8241(2014)08-0063-04