潘家口抽水蓄能電站機(jī)組導(dǎo)葉漏水量測(cè)試研究

李金偉，孫銘君，劉 揚(yáng)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

水輪發(fā)電機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉漏水不僅影響機(jī)組汽蝕性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)組停機(jī)困難和停機(jī)蠕動(dòng)，影響水電站的水能利用和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于工況轉(zhuǎn)換頻繁的抽水蓄能機(jī)組而言，影響更為明顯。

目前，常用的測(cè)量方法有容積法和超聲波法。根據(jù)水電機(jī)組引水流道的布置特點(diǎn)，容積法一般分為“斜井法”和“通氣孔法”[1-4]。

潘家口抽水蓄能電站為壩后式水電站，布設(shè)通氣孔和壓力鋼管，因此“斜井法”和“通氣孔法”均可采用。

3號(hào)機(jī)組采用“斜井法”進(jìn)行測(cè)試、4號(hào)機(jī)組采用“通氣孔法”進(jìn)行測(cè)試。

2 機(jī)組基本參數(shù)

額定容量：發(fā)電工況90 MW，抽水工況85.39 MW；

額定流量：發(fā)電工況147 m3/s，抽水工況120 m3/s；

額定轉(zhuǎn)速：發(fā)電工況125 r/min，水泵工況125 r/min與142.8 r/min；

額定水頭：發(fā)電工況69 m[5]。

3 導(dǎo)葉漏水量測(cè)試分析

3.1 3號(hào)機(jī)組

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件如下：

（1）3號(hào)機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉處于完全關(guān)閉狀態(tài)；

（2）3號(hào)機(jī)組所涉及的進(jìn)水閥、排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)（漏水量極小，忽略不計(jì)）；

（3）3號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的工作閘門處于關(guān)閉狀態(tài)（漏水量極小，忽略不計(jì)）；

（4）3號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的壓力鋼管充水（水位控制在斜管段）。

在蝸殼測(cè)壓管處安裝一支高精度壓力傳感器，量程0～1.2 MPa，精度0.25%FS，接入到HT6000數(shù)據(jù)采集儀，以監(jiān)測(cè)壓力鋼管水位變化，采樣頻率為10 Hz，如圖1、圖2所示。

圖1 壓力傳感器

圖2 HT6000數(shù)據(jù)采集儀

圖3為壓力鋼管水位下降示意圖，選取穩(wěn)定采集工況下600 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖3 3號(hào)機(jī)組壓力鋼管水位下降示意圖

圖4 3號(hào)機(jī)組壓力鋼管水位變化曲線

根據(jù)IEC60193第2.5.2章公式：

g=9.780 3×(1+0.005 3 sin2φ)-3×10-6×z

其中：φ為緯度，單位為度；z為海拔高度，單位為m。潘家口抽水蓄能電站緯度為北緯40.45°，海拔高度取壓力傳感器安裝高程為EL.125.69，由此計(jì)算出g= 9.801 7 m/s2。水密度ρ取999.1 kg/m3。

根據(jù)導(dǎo)葉漏水量計(jì)算公式：

式中：

q——導(dǎo)葉漏水量，m3/s；

D——鋼管內(nèi)徑，5.60 m；

Δh——水位變化值，1.68 m；

Δt——數(shù)據(jù)取樣時(shí)間，600 s；

α——壓力鋼管斜管段水平傾角，55°。

經(jīng)計(jì)算得到q=0.084 2 m3/s。數(shù)據(jù)取樣時(shí)間600 s內(nèi)壓力鋼管水位平均值為164.66 m，下游水位為142.00 m，水頭H=22.66 m。

導(dǎo)葉漏水量與活動(dòng)導(dǎo)葉前后的水頭密切相關(guān)。根據(jù)水流勢(shì)能頭與動(dòng)能頭的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，漏水面積保持恒定，漏水量與水流速度成正比。因此，活動(dòng)導(dǎo)葉前后的水頭不同，則導(dǎo)葉漏水量必不相同。為了表征機(jī)組的導(dǎo)葉漏水量，通常采用額定水頭下的導(dǎo)葉漏水量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)水頭換算公式[6]：

換算到額定水頭69 m工況下，可得qr=0.146 9 m3/s。

3.2 4號(hào)機(jī)組

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件如下：

（1）4號(hào)機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉處于完全關(guān)閉狀態(tài)；

（2）4號(hào)機(jī)組所涉及的進(jìn)水閥、排水閥處于關(guān)閉狀態(tài)（漏水量極小，忽略不計(jì)）；

（3）4號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的工作閘門處于關(guān)閉狀態(tài)（漏水量極小，忽略不計(jì)）；

（4）4號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的通氣孔充水（初始水位與上庫(kù)水位齊平）。

在蝸殼測(cè)壓管處安裝一支高精度壓力傳感器，量程0～1.2 MPa，精度0.25%FS，接入到HT6000數(shù)據(jù)采集儀，以監(jiān)測(cè)壓力鋼管水位變化，采樣頻率為10 Hz。

圖5為通氣孔水位下降示意圖，選取穩(wěn)定采集工況下250 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖5 4號(hào)機(jī)組通氣孔水位下降示意圖

圖6 4號(hào)機(jī)組通氣孔水位變化曲線

根據(jù)導(dǎo)葉漏水量計(jì)算公式：

式中：

q——導(dǎo)葉漏水流量，m3/s；

D——通氣孔內(nèi)徑，1.20 m；

Δh——水位變化值，22.275 m；

Δt——數(shù)據(jù)取樣時(shí)間，250 s；

α——通氣孔水平傾角，90°。

經(jīng)計(jì)算得到q=0.100 8 m3/s。數(shù)據(jù)取樣時(shí)間250 s內(nèi)壓力鋼管水位平均值為208.22 m，下游水位為142.00 m，水頭H=66.22 m。根據(jù)水頭換算公式[6]：

換算到額定水頭69 m工況下，可得qr=0.102 9 m3/s。

3.3 綜合分析

根據(jù)GB/T 15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中第5.7.1條款的技術(shù)規(guī)定[7]：在額定水頭下，圓柱式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水輪機(jī)額定流量的3‰。圓錐式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水輪機(jī)額定流量的4‰。

潘家口抽水蓄能電站機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉為圓柱式導(dǎo)葉，要求活動(dòng)導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于0.441 0 m3/s，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果均滿足國(guó)標(biāo)要求。

4 總結(jié)

本文對(duì)潘家口抽水蓄能電站3號(hào)和4號(hào)機(jī)組分別采用“斜井法”和“通氣孔法”進(jìn)行導(dǎo)葉漏水量測(cè)試，分析結(jié)果顯示2臺(tái)機(jī)組的導(dǎo)葉漏水量均滿足GB/T 15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》的要求，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。