基于壓力鋼管容積法導葉漏水量的測量研究

馬國華

（云南電力技術有限責任公司，云南省昆明市 650217）

0 前言

導葉是水輪發電機組的主要設備之一，在水輪機能量轉換過程起開斷水流、調節流量、形成速度環量等重要作用。理想情況下，機組停機時導葉應能完全截斷水流，但由于流體及過流部件自身的特性，加上設計、制造、安裝等方面的原因，導葉間隙不可能達到理想狀態，導葉漏水是普遍現象。國家標準GB/T 15468—2006《水輪機基本技術條件》對水輪機導葉漏水量允許值有明確的規定[1]，以此為依據，導葉漏水量可作為評價機組品質和狀態的重要指標之一[2]，導葉漏水的測量是水電站值得關注的問題。

1 導葉漏水量測量的工程意義

導葉漏水量過大對水電站有如下危害[3]：

（1）機組開、停機困難。開啟機組時，過大的導葉漏水量會造成主閥前后平壓困難，導致主閥開啟失敗進而影響機組開啟過程；機組停機時，過大的導葉漏水量會使機組保持低轉速旋轉，影響機組停機流程，并且會加重停機過程軸承部件的磨損。

（2）停機機組蠕動。機組在停機態時，若導葉漏水比較嚴重，且機組制動未投時，會造成機組蠕動，危及設備的安全。

（3）水能資源損失。導葉漏水會造成電站水能資源浪費，影響電廠的運行經濟性。

因此，出于對水電站安全性、經濟性的考慮，正確地進行導葉漏水量的測量，掌握機組的導葉漏水情況，可以給電站提高檢修質量、優化機組品質提供依據。

2 導葉漏水量的測量方法

導葉漏水量是指在導葉關閉情況下，單位時間內通過導葉間隙流向機組下游的水數量。由于導葉位于水輪機的流道中，其自身又具有幾何特殊性，無法通過直接的方法進行測量。工程上常用的導葉漏水量測量方法有流量計測量法（如超聲波流量計、標準節流孔板流量計）和容積法（如通氣孔法和斜井法）。流量計測量法適用于配備進水主閥且主閥設有能滿足流量計測量條件的附屬部件（旁通管等）的引水式機組，即將流量計安裝于相關附屬部件對導葉漏水量進行直接測量，該方法的特點是實施簡便、測量時間短、測量精度較高。對于配備進水主閥但不滿足流量計測量條件或未配備進水主閥的引水式機組，常規的測量方法是關閉壓力鋼管前端的進水閘門，通過測量壓力鋼管某一段的水位變化速率，計算出導葉的平均漏水量[4]。由于壓力鋼管的水位變化與進水閘門滲漏、進水閘門旁通管路滲漏、導葉滲漏等諸多因素有關，在測量時應結合閘門漏水、導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系。本文對壓力鋼管容積法測量導葉漏水量的原理及其在某電站的應用情況作介紹。

2.1 容積法測量導葉漏水量的基本原理

在導葉、進水閘門、壓力鋼管旁通管路閥門（機組及主變壓器技術供水管取水閥、壓力鋼管放空閥）均關閉的情況下，機組進水閘門至水輪機活動導葉之間壓力鋼管（包括通氣孔）內水體為相對封閉狀態，將水體體積視為一整體，其變化來自于導葉漏水、閘門漏水、壓力鋼管旁通管路閥門漏水，由此得出以下關系式：

式中Q——相對封閉狀態下流出壓力鋼管的水體總滲漏流量，m3/s；

Q0——水輪機導葉滲漏流量，流出壓力鋼管，m3/s；

Q1——機組進水閘門滲漏流量，流入壓力鋼管，m3/s；

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

在實際測量時，由于機組及主變壓器技術供水管取水閥、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（導葉實際漏水總量）為水輪機導葉漏水量及進水閘門漏水量之和。

水輪機導葉漏水量與機組活動導葉前后壓力水頭變化速率相關，將活動導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，與間隙的尺寸有關；

H0——導葉前后壓力水頭，m。

由漏水量的定義可知，由水輪機導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——時間，s。

由式（3）、（4）可推導出以下關系：

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

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

式中H——額定水頭或試驗水頭，m。

2.2 自由水面的選擇

在上述水輪機導葉漏水量與水頭關系式推導過程中，流道水平截面積為固定值，而實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，在測量過程中應該選取壓力鋼管內流道截面積基本不變的位置完成試驗。根據水電站壓力鋼管的特點，可選作試驗點的位置有通氣孔、斜井段。由此，容積法測量導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。兩種方法的區別為因自由水面位置不同，進水閘門后的壓力情況不相同，在計算閘門漏水量時有差別。

2.3 進口閘門漏水量的計算

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

對于未配備進水主閥的機組，可以將蝸殼內積水排空，關閉進水閘門進行壓力鋼管消壓，此時的閘門漏水可視為孔口出流。根據流體力學知識，孔口出流流量與作用水頭、孔后壓力情況等有關。在消壓過程自由水面位于壓力鋼管上平段以下時，可利用容積法測得作用水頭H10對應的進水閘門漏水量Q10。則測量導葉漏水時閘門漏水量公式如下：

其中，μH為作用水頭影響系數，表征孔口出流孔后壓力對出流流量的影響。對于通氣孔法，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，此時的閘門漏水為孔口淹沒出流，則作用水頭影響系數μH公式如下：

式中Z1、Z2——試驗過程中的上、下游水位，m；

Z10——流道消壓測量閘門漏水量時的上游水位，m；

Z——進水閘門中心高程，m。

對于斜井法，進水閘門后有無壓狀態，此時的閘門漏水為孔口自由出流，則作用水頭影響系數μH公式如下：

式中Z1、Z、Z10——含義同上。

對于配備進水主閥的機組，可以在進水主閥關閉的情況下，通過測量壓力鋼管內水位上升情況計算出閘門漏水量，與上述方法基本相同，不再贅述，下文均以未配備進水主閥的情況為例進行介紹。

2.4 容積法測量導葉漏水量主要步驟

容積法測量導葉漏水的主要步驟如下：（1）排空蝸殼積水，關閉進水閘門，壓力鋼管消壓，測量閘門漏水量Q10。（2）機組停機，導葉關閉。（3）流道充水，使壓力鋼管水體自由水面停留至適當位置。（4）關閉進水閘門，開始試驗，記錄相關數據。（5）待壓力鋼管水體自由水面降至適當位置，試驗結束。

試驗步驟中，通氣孔法與斜井法的區別為：流道充水時，通氣孔法充水至進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。試驗結束時，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 某電站導葉漏水量的測量試驗

3.1 電站概況

某電站裝機容量4×600MW，機組額定水頭111m，額定流量602.17m3/s，根據GB/T 15468—2006《水輪機基本技術條件》規程要求，機組在額定水頭時導葉漏水量不應大于1.8065m3/s。為檢驗機組導葉漏水量是否滿足規程要求，應電站要求，對該電站3號機組開展了導葉漏水量測量試驗。該電站引水系統未配備進水主閥，宜采用容積法測量，自由水面選擇點為壓力鋼管斜井段。壓力鋼管相關參數如表1所示。

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

3.2 試驗方法

根據該電站壓力鋼管結構形式，斜井段的水體變化量等于導葉漏水量、進水閘門漏水量、壓力鋼管旁通管路閥門漏水量之和。經與電站溝通，從電站日常運行情況來看，進水閘門漏水量、壓力鋼管旁通管路閥門漏水量均較小，可忽略不計，試驗的重點為水輪機導葉漏水量的測量。可在壓力鋼管流道消壓過程，通過采集蝸殼水壓、導葉后水壓，并進行擬合計算出水輪機導葉漏水量。

3.3 試驗結果與分析

通過測量壓力鋼管消壓過程導葉前后水壓值推算出水輪機導葉漏水量，測量數據如表2所示。

對表2試驗數據進行擬合（如圖3所示），可得導葉前后壓差水頭H0與時間t的變化關系式為：

其中，擬合關系相關系數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葉漏水量：Q≈Q0=1.7490m3/s，滿足相關規程要求。

表2 壓力鋼管容積法測量試驗數據Table 2 Test data of volume method on steel pipeline

圖3 容積法測量試驗數據趨勢圖Figure 3 Trend of test data of volume method on steel pipeline

從現場開展測量試驗的情況來看，基于壓力鋼管容積法測量導葉漏水量數據回歸精度較高，通用性強，適用于水電站評定導葉漏水量。

4 結束語

獲取真實、可靠的導葉漏水數據，對于水電站水輪機導葉檢修調整、評價安裝質量等具有較大的工程意義，對于未配備進水主閥的機組可以選用壓力鋼管容積法對導葉漏水進行測量，該方法用二次最小二乘擬合數學模型來描述壓力鋼管水位變化過程，數據回歸精度較高，通用性強，可為其他水電站導葉漏水量的測量提供參考。