基于壓力鋼管容積法導(dǎo)葉漏水量的測量研究

馬國華

（云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南省昆明市 650217）

0 前言

導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)備之一，在水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程起開斷水流、調(diào)節(jié)流量、形成速度環(huán)量等重要作用。理想情況下，機(jī)組停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉應(yīng)能完全截?cái)嗨鳎捎诹黧w及過流部件自身的特性，加上設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面的原因，導(dǎo)葉間隙不可能達(dá)到理想狀態(tài)，導(dǎo)葉漏水是普遍現(xiàn)象。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15468—2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量允許值有明確的規(guī)定[1]，以此為依據(jù)，導(dǎo)葉漏水量可作為評(píng)價(jià)機(jī)組品質(zhì)和狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[2]，導(dǎo)葉漏水的測量是水電站值得關(guān)注的問題。

1 導(dǎo)葉漏水量測量的工程意義

導(dǎo)葉漏水量過大對(duì)水電站有如下危害[3]：

（1）機(jī)組開、停機(jī)困難。開啟機(jī)組時(shí)，過大的導(dǎo)葉漏水量會(huì)造成主閥前后平壓困難，導(dǎo)致主閥開啟失敗進(jìn)而影響機(jī)組開啟過程；機(jī)組停機(jī)時(shí)，過大的導(dǎo)葉漏水量會(huì)使機(jī)組保持低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，影響機(jī)組停機(jī)流程，并且會(huì)加重停機(jī)過程軸承部件的磨損。

（2）停機(jī)機(jī)組蠕動(dòng)。機(jī)組在停機(jī)態(tài)時(shí)，若導(dǎo)葉漏水比較嚴(yán)重，且機(jī)組制動(dòng)未投時(shí)，會(huì)造成機(jī)組蠕動(dòng)，危及設(shè)備的安全。

（3）水能資源損失。導(dǎo)葉漏水會(huì)造成電站水能資源浪費(fèi)，影響電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

因此，出于對(duì)水電站安全性、經(jīng)濟(jì)性的考慮，正確地進(jìn)行導(dǎo)葉漏水量的測量，掌握機(jī)組的導(dǎo)葉漏水情況，可以給電站提高檢修質(zhì)量、優(yōu)化機(jī)組品質(zhì)提供依據(jù)。

2 導(dǎo)葉漏水量的測量方法

導(dǎo)葉漏水量是指在導(dǎo)葉關(guān)閉情況下，單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)葉間隙流向機(jī)組下游的水?dāng)?shù)量。由于導(dǎo)葉位于水輪機(jī)的流道中，其自身又具有幾何特殊性，無法通過直接的方法進(jìn)行測量。工程上常用的導(dǎo)葉漏水量測量方法有流量計(jì)測量法（如超聲波流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板流量計(jì)）和容積法（如通氣孔法和斜井法）。流量計(jì)測量法適用于配備進(jìn)水主閥且主閥設(shè)有能滿足流量計(jì)測量條件的附屬部件（旁通管等）的引水式機(jī)組，即將流量計(jì)安裝于相關(guān)附屬部件對(duì)導(dǎo)葉漏水量進(jìn)行直接測量，該方法的特點(diǎn)是實(shí)施簡便、測量時(shí)間短、測量精度較高。對(duì)于配備進(jìn)水主閥但不滿足流量計(jì)測量條件或未配備進(jìn)水主閥的引水式機(jī)組，常規(guī)的測量方法是關(guān)閉壓力鋼管前端的進(jìn)水閘門，通過測量壓力鋼管某一段的水位變化速率，計(jì)算出導(dǎo)葉的平均漏水量[4]。由于壓力鋼管的水位變化與進(jìn)水閘門滲漏、進(jìn)水閘門旁通管路滲漏、導(dǎo)葉滲漏等諸多因素有關(guān)，在測量時(shí)應(yīng)結(jié)合閘門漏水、導(dǎo)葉漏水及其他滲漏情況綜合考慮壓力鋼管水體的流入流出關(guān)系。本文對(duì)壓力鋼管容積法測量導(dǎo)葉漏水量的原理及其在某電站的應(yīng)用情況作介紹。

2.1 容積法測量導(dǎo)葉漏水量的基本原理

在導(dǎo)葉、進(jìn)水閘門、壓力鋼管旁通管路閥門（機(jī)組及主變壓器技術(shù)供水管取水閥、壓力鋼管放空閥）均關(guān)閉的情況下，機(jī)組進(jìn)水閘門至水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉之間壓力鋼管（包括通氣孔）內(nèi)水體為相對(duì)封閉狀態(tài)，將水體體積視為一整體，其變化來自于導(dǎo)葉漏水、閘門漏水、壓力鋼管旁通管路閥門漏水，由此得出以下關(guān)系式：

式中Q——相對(duì)封閉狀態(tài)下流出壓力鋼管的水體總滲漏流量，m3/s；

Q0——水輪機(jī)導(dǎo)葉滲漏流量，流出壓力鋼管，m3/s；

Q1——機(jī)組進(jìn)水閘門滲漏流量，流入壓力鋼管，m3/s；

Q2——機(jī)組及主變壓器技術(shù)供水管取水閥、壓力鋼管放空閥等滲漏流量，流出壓力鋼管，m3/s。

在實(shí)際測量時(shí)，由于機(jī)組及主變壓器技術(shù)供水管取水閥、壓力鋼管放空閥等滲漏流量難以測量，且該部分滲漏流量很小，一般不予考慮，由此得出Q2=0，則式（1）為：

由式（2）可知，水體總滲漏流量（導(dǎo)葉實(shí)際漏水總量）為水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量及進(jìn)水閘門漏水量之和。

水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量與機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉前后壓力水頭變化速率相關(guān)，將活動(dòng)導(dǎo)葉處的滲漏視為間隙出流，則有間隙流量公式為：

式中A——流量系數(shù)，與間隙的尺寸有關(guān)；

H0——導(dǎo)葉前后壓力水頭，m。

由漏水量的定義可知，由水輪機(jī)導(dǎo)葉滲漏引起的水體變化速率公式為：

式中F——流道水平截面積，m2；

t——時(shí)間，s。

由式（3）、（4）可推導(dǎo)出以下關(guān)系：

式中a、b、c——固定系數(shù)，其值與壓力鋼管界面尺寸，間隙出流流量系數(shù)等因素有關(guān)。

可用二次最小二乘擬合數(shù)學(xué)模型來描述壓力鋼管水位下降過程，由式（4）、（5）可得水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量與水頭之間的關(guān)系如下：

式中H——額定水頭或試驗(yàn)水頭，m。

2.2 自由水面的選擇

在上述水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量與水頭關(guān)系式推導(dǎo)過程中，流道水平截面積為固定值，而實(shí)際壓力鋼管截面積是變化值，流道水平截面積也跟著變化（水體變化速率不均勻），因此，在測量過程中應(yīng)該選取壓力鋼管內(nèi)流道截面積基本不變的位置完成試驗(yàn)。根據(jù)水電站壓力鋼管的特點(diǎn)，可選作試驗(yàn)點(diǎn)的位置有通氣孔、斜井段。由此，容積法測量導(dǎo)葉漏水量分為通氣孔法和斜井法，測量原理如圖1、圖2所示。兩種方法的區(qū)別為因自由水面位置不同，進(jìn)水閘門后的壓力情況不相同，在計(jì)算閘門漏水量時(shí)有差別。

2.3 進(jìn)口閘門漏水量的計(jì)算

圖1 通氣孔法原理圖Figure 1 Schematic diagram of air hole method

圖2 斜井法原理圖Figure 2 Schematic diagram of inclined shaft method

對(duì)于未配備進(jìn)水主閥的機(jī)組，可以將蝸殼內(nèi)積水排空，關(guān)閉進(jìn)水閘門進(jìn)行壓力鋼管消壓，此時(shí)的閘門漏水可視為孔口出流。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，孔口出流流量與作用水頭、孔后壓力情況等有關(guān)。在消壓過程自由水面位于壓力鋼管上平段以下時(shí)，可利用容積法測得作用水頭H10對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閘門漏水量Q10。則測量導(dǎo)葉漏水時(shí)閘門漏水量公式如下：

其中，μH為作用水頭影響系數(shù)，表征孔口出流孔后壓力對(duì)出流流量的影響。對(duì)于通氣孔法，由于通氣孔一般布置于壓力鋼管上平段，閘門后為有壓狀態(tài)，此時(shí)的閘門漏水為孔口淹沒出流，則作用水頭影響系數(shù)μH公式如下：

式中Z1、Z2——試驗(yàn)過程中的上、下游水位，m；

Z10——流道消壓測量閘門漏水量時(shí)的上游水位，m；

Z——進(jìn)水閘門中心高程，m。

對(duì)于斜井法，進(jìn)水閘門后有無壓狀態(tài)，此時(shí)的閘門漏水為孔口自由出流，則作用水頭影響系數(shù)μH公式如下：

式中Z1、Z、Z10——含義同上。

對(duì)于配備進(jìn)水主閥的機(jī)組，可以在進(jìn)水主閥關(guān)閉的情況下，通過測量壓力鋼管內(nèi)水位上升情況計(jì)算出閘門漏水量，與上述方法基本相同，不再贅述，下文均以未配備進(jìn)水主閥的情況為例進(jìn)行介紹。

2.4 容積法測量導(dǎo)葉漏水量主要步驟

容積法測量導(dǎo)葉漏水的主要步驟如下：（1）排空蝸殼積水，關(guān)閉進(jìn)水閘門，壓力鋼管消壓，測量閘門漏水量Q10。（2）機(jī)組停機(jī)，導(dǎo)葉關(guān)閉。（3）流道充水，使壓力鋼管水體自由水面停留至適當(dāng)位置。（4）關(guān)閉進(jìn)水閘門，開始試驗(yàn)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。（5）待壓力鋼管水體自由水面降至適當(dāng)位置，試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)步驟中，通氣孔法與斜井法的區(qū)別為：流道充水時(shí)，通氣孔法充水至進(jìn)水閘門前后平壓為止（自由水面在通氣孔），而斜井法充水至斜井段頂部為止。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，通氣孔法水位降至通氣孔底部為止，斜井法水位降至斜井段底部為止。

3 某電站導(dǎo)葉漏水量的測量試驗(yàn)

3.1 電站概況

某電站裝機(jī)容量4×600MW，機(jī)組額定水頭111m，額定流量602.17m3/s，根據(jù)GB/T 15468—2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》規(guī)程要求，機(jī)組在額定水頭時(shí)導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于1.8065m3/s。為檢驗(yàn)機(jī)組導(dǎo)葉漏水量是否滿足規(guī)程要求，應(yīng)電站要求，對(duì)該電站3號(hào)機(jī)組開展了導(dǎo)葉漏水量測量試驗(yàn)。該電站引水系統(tǒng)未配備進(jìn)水主閥，宜采用容積法測量，自由水面選擇點(diǎn)為壓力鋼管斜井段。壓力鋼管相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電站壓力鋼管參數(shù)表Table 1 Parameter list of pressure steel pipeline

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)該電站壓力鋼管結(jié)構(gòu)形式，斜井段的水體變化量等于導(dǎo)葉漏水量、進(jìn)水閘門漏水量、壓力鋼管旁通管路閥門漏水量之和。經(jīng)與電站溝通，從電站日常運(yùn)行情況來看，進(jìn)水閘門漏水量、壓力鋼管旁通管路閥門漏水量均較小，可忽略不計(jì)，試驗(yàn)的重點(diǎn)為水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的測量?？稍趬毫︿摴芰鞯老麎哼^程，通過采集蝸殼水壓、導(dǎo)葉后水壓，并進(jìn)行擬合計(jì)算出水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過測量壓力鋼管消壓過程導(dǎo)葉前后水壓值推算出水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（如圖3所示），可得導(dǎo)葉前后壓差水頭H0與時(shí)間t的變化關(guān)系式為：

其中，擬合關(guān)系相關(guān)系數(shù)R2=0.9995，回歸精度較高。

由 式（10）可 知，a=0.0000004，b= -0.0091，c=70.317，代入式（6），可得額定水頭下的導(dǎo)葉漏水量：Q≈Q0=1.7490m3/s，滿足相關(guān)規(guī)程要求。

表2 壓力鋼管容積法測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of volume method on steel pipeline

圖3 容積法測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖Figure 3 Trend of test data of volume method on steel pipeline

從現(xiàn)場開展測量試驗(yàn)的情況來看，基于壓力鋼管容積法測量導(dǎo)葉漏水量數(shù)據(jù)回歸精度較高，通用性強(qiáng)，適用于水電站評(píng)定導(dǎo)葉漏水量。

4 結(jié)束語

獲取真實(shí)、可靠的導(dǎo)葉漏水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)于水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉檢修調(diào)整、評(píng)價(jià)安裝質(zhì)量等具有較大的工程意義，對(duì)于未配備進(jìn)水主閥的機(jī)組可以選用壓力鋼管容積法對(duì)導(dǎo)葉漏水進(jìn)行測量，該方法用二次最小二乘擬合數(shù)學(xué)模型來描述壓力鋼管水位變化過程，數(shù)據(jù)回歸精度較高，通用性強(qiáng)，可為其他水電站導(dǎo)葉漏水量的測量提供參考。