潘家口抽水蓄能電站機組導葉漏水量測試研究

李金偉，孫銘君，劉 揚

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

1 概述

水輪發電機組活動導葉漏水不僅影響機組汽蝕性能，嚴重時甚至會造成機組停機困難和停機蠕動，影響水電站的水能利用和安全經濟運行。對于工況轉換頻繁的抽水蓄能機組而言，影響更為明顯。

目前，常用的測量方法有容積法和超聲波法。根據水電機組引水流道的布置特點，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，布設通氣孔和壓力鋼管，因此“斜井法”和“通氣孔法”均可采用。

3號機組采用“斜井法”進行測試、4號機組采用“通氣孔法”進行測試。

2 機組基本參數

額定容量：發電工況90 MW，抽水工況85.39 MW；

額定流量：發電工況147 m3/s，抽水工況120 m3/s；

額定轉速：發電工況125 r/min，水泵工況125 r/min與142.8 r/min；

額定水頭：發電工況69 m[5]。

3 導葉漏水量測試分析

3.1 3號機組

現場測試條件如下：

（1）3號機組活動導葉處于完全關閉狀態；

（2）3號機組所涉及的進水閥、排水閥處于關閉狀態（漏水量極小，忽略不計）；

（3）3號機組對應的工作閘門處于關閉狀態（漏水量極小，忽略不計）；

（4）3號機組對應的壓力鋼管充水（水位控制在斜管段）。

在蝸殼測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數據采集儀，以監測壓力鋼管水位變化，采樣頻率為10 Hz，如圖1、圖2所示。

圖1 壓力傳感器

圖2 HT6000數據采集儀

圖3為壓力鋼管水位下降示意圖，選取穩定采集工況下600 s的數據進行分析，如圖4所示。

圖3 3號機組壓力鋼管水位下降示意圖

圖4 3號機組壓力鋼管水位變化曲線

根據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，由此計算出g= 9.801 7 m/s2。水密度ρ取999.1 kg/m3。

根據導葉漏水量計算公式：

式中：

q——導葉漏水量，m3/s；

D——鋼管內徑，5.60 m；

Δh——水位變化值，1.68 m；

Δt——數據取樣時間，600 s；

α——壓力鋼管斜管段水平傾角，55°。

經計算得到q=0.084 2 m3/s。數據取樣時間600 s內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。

導葉漏水量與活動導葉前后的水頭密切相關。根據水流勢能頭與動能頭的轉換關系：

當活動導葉處于關閉狀態時，漏水面積保持恒定，漏水量與水流速度成正比。因此，活動導葉前后的水頭不同，則導葉漏水量必不相同。為了表征機組的導葉漏水量，通常采用額定水頭下的導葉漏水量進行評價。

根據水頭換算公式[6]：

換算到額定水頭69 m工況下，可得qr=0.146 9 m3/s。

3.2 4號機組

現場測試條件如下：

（1）4號機組活動導葉處于完全關閉狀態；

（2）4號機組所涉及的進水閥、排水閥處于關閉狀態（漏水量極小，忽略不計）；

（3）4號機組對應的工作閘門處于關閉狀態（漏水量極小，忽略不計）；

（4）4號機組對應的通氣孔充水（初始水位與上庫水位齊平）。

在蝸殼測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數據采集儀，以監測壓力鋼管水位變化，采樣頻率為10 Hz。

圖5為通氣孔水位下降示意圖，選取穩定采集工況下250 s的數據進行分析，如圖6所示。

圖5 4號機組通氣孔水位下降示意圖

圖6 4號機組通氣孔水位變化曲線

根據導葉漏水量計算公式：

式中：

q——導葉漏水流量，m3/s；

D——通氣孔內徑，1.20 m；

Δh——水位變化值，22.275 m；

Δt——數據取樣時間，250 s；

α——通氣孔水平傾角，90°。

經計算得到q=0.100 8 m3/s。數據取樣時間250 s內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GB/T 15468-2006《水輪機基本技術條件》中第5.7.1條款的技術規定[7]：在額定水頭下，圓柱式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的3‰。圓錐式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的4‰。

潘家口抽水蓄能電站機組活動導葉為圓柱式導葉，要求活動導葉漏水量不應大于0.441 0 m3/s，3號、4號機組的現場測試結果均滿足國標要求。

4 總結

本文對潘家口抽水蓄能電站3號和4號機組分別采用“斜井法”和“通氣孔法”進行導葉漏水量測試，分析結果顯示2臺機組的導葉漏水量均滿足GB/T 15468-2006《水輪機基本技術條件》的要求，為機組的安全穩定運行提供了技術支撐。