水輪機導葉漏水量測試研究綜述

畢智偉

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

水輪機活動導葉漏水不僅影響水輪機氣蝕性能[1], 甚至會造成機組停機困難和停機蠕動[2-4],影響電站的水能利用和經濟運行, 由于調相機組和抽蓄機組頻繁轉換機組狀態, 影響更為明顯。 對于水輪機活動導葉漏水量的測試, 學者們基于不同的角度對水輪機導葉漏水量測試方法進行研究[5-12],取得了很多共識性的成果, 但是也存在一些分歧。本文系統地總結了水輪機導葉漏水量測試相關的研究成果, 并對測試方法中的分歧做了分析。

1 導葉漏水量測試方法

水輪機導葉漏水量是評判機組制造和安裝質量的重要指標, 也是評判機組檢修質量的指標之一,常見的測量方法有容積法和聲學法。 容積法分為斜井法、 豎井法。 其中斜井法針對具有斜井段的引水系統, 通過測量斜井段水位下降過程求得名義導葉漏水量； 豎井法是對于沒有斜井段的引水系統, 通過測量工作閘門后通氣孔和(或) 調壓井水位下降過程求得名義導葉漏水量。

2 容積法

容積法是在關閉機組進水工作閘門和導葉后,在蝸殼進口及尾水管分別安裝壓力傳感器, 將導葉及工作閘門之間壓力管道內水體體積視為一個整體, 其水體變化速率來自導葉漏水和工作閘門漏水, 即導葉漏水量為名義導葉漏水量及名義閘門漏水量之和。 導葉前后壓力水頭為H0時, 導葉漏水量Q0、 名義導葉漏水量Q1、 名義閘門漏水量Q2滿足以下關系:

換算至額定水頭Hr時的額定導葉漏水量Qr為:

2.1 名義導葉漏水量測量

名義導葉漏水量的計算一般分為擬合系數法和切線斜率法。

1) 擬合系數法

關閉進水工作閘門及導葉, 流道平壓后關閉平壓設施, 測試導葉前后水壓變化曲線, 通過二次最小二乘擬合模型得到擬合系數從而求得名義導葉漏水量, 本文稱為“擬合系數法”。 導葉前后壓力水頭H 隨時間t 的變化曲線表示為:

式中, a、 b、 c 為待定系數, 通過實測數據擬合曲線得到。

根據水體變化速率定義, 名義導葉漏水量Q1為:

式中, A 為通氣孔及引水調壓井橫截面積或斜井段的水平截面面積, m2。

名義導葉漏水量Q1與導葉前后壓力水頭H 的關系為:

當導葉前后壓力水頭為H0時, 名義導葉漏水量Q1為:

該方法適應性較廣泛, 通過截取導葉前后壓力水頭下降曲線的部分區間、 選取適當的曲線點數來計算名義導葉漏水量。 由于實測的導葉前后壓力水頭變化曲線是導葉漏水量、 閘門漏水量、 平壓設施進水量三者的綜合曲線, 且計算區間和曲線點數的選擇本身存在隨機性, 因此計算時會產生一定的誤差。

2) 切線斜率法

將實測得到的導葉前后壓力水頭曲線H ( t)進行二次最小二乘擬合后, 得到該曲線切線斜率絕對值最大值點, 從而求得名義導葉漏水量, 本文稱為“切線斜率法”。 其切線斜率絕對值為v0, 該點對應進水閘門平壓設施關閉時刻t0, 此時導葉前后壓力水頭為H0。 則導葉前后壓力水頭為H0時的名義導葉漏水量Q1為:

該方法針對導葉前后壓力水頭下降曲線, 利用二次最小二乘擬合模型進行分段滑移擬合, 能夠過濾暫態過程, 根據平壓設施的時間點計算名義導葉流水量, 精確度高, 計算簡便。

2.2 名義閘門漏水量測量

1) 測試原理

導葉前后壓力水頭為H0時, 由進水工作閘門前后壓力差產生的泄漏量即為名義閘門漏水量。 名義閘門漏水量的測量主要有浮標法和容積法。 浮標法是在流道消壓后, 進入壓力鋼管, 利用浮標法測量閘門漏水量Q20。 容積法是在流道消壓后, 將閘門漏水引入容器( 如檢修排水井) 中, 按一段時間所測得的漏水量計算閘門漏水量Q20。

式中, V 為容器容積, L； t 為測量時間, s。

采用豎井法測試導葉漏水量時, 名義閘門漏水量Q2一般按下式計算:

式中, Z1、 Z2分別為試驗時機組的上、 下游水位,m； H20為進水工作閘門中心至上游水位高差, m。

采用斜井法測試導葉漏水量時, 測試過程中的進水工作閘門后為無壓狀態, 閘門漏水量Q20即為名義閘門漏水量Q2。

2) 測試方法分析

名義閘門漏水量測試時, 閘門漏水量存在分歧建議根據機組實際情況和測試條件決定是否可以忽略。 國家標準規定[13], 閘門在承受設計水頭壓力時, 通過任意1 m 長止水范圍內漏水量不應超過0. 1 L/ s。 閘門漏水量是相對較小的, 但實際情況中要注意閘門水封隨著運行時間的增加可能損壞,導致閘門漏水增加。

以某水電廠6 號機組為例, 根據文獻[14],其額定水頭下導葉漏水量應低于438 L/ s, 機組事故閘門密封長度為25 m, 按國標要求設計水頭壓力時閘門漏水量應≤2. 5 L/ s。 采用浮標法測量該機組進水口閘門漏水量時, 上游水位為152. 55 m,進水口閘門中心位置高程為134. 50 m, 閘門承受壓力水頭H20＝18. 05 m, 機組蝸殼進口壓力管道直徑為5. 5 m, 現場測試閘門漏水在壓力管道底部形成的水面寬1. 2 m, 斷面平均流速為0. 51 m/ s, 則閘門漏水量Q20＝26. 53 L/ s, 遠大于閘門漏水量限值。 該機組名義導葉漏水量測試試驗開始時上游水位為153. 49 m, 下游水位為98. 09 m, 測試過程中導葉前后壓力水頭變化趨勢如圖1 所示, 采用擬合系數法計算名義導葉漏水量, 則試驗水頭下Q1＝289. 37 L/ s,Q2＝11. 40 L/ s,Q0＝300. 77 L/ s。 由此可知, 試驗水頭下名義閘門漏水量相對導葉漏水量的占比為3. 79%, 名義閘門漏水量Q2達到閘門漏水量Q20的42. 96%。 假設閘門漏水量為標準規定的最大值2. 5 L/ s, 則名義閘門漏水量相對試驗水頭下的導葉漏水量占比為0. 37%。

圖1 導葉前后水頭隨時間變化趨勢

采用切線斜率法存在類似情況, 以另一水電廠水輪機導葉漏水量測試為例, 試驗開始時上游水位為248. 75 m, 下游水位為190. 55 m, 進水口閘門中心線至上游水位高差為32 m；t0時刻導葉前后水頭為56. 91 m, 此時名義閘門漏水量達到閘門漏水量的20. 08%； 機組事故閘門密封長度為42 m, 按國標要求設計水頭壓力時閘門漏水量應≤4. 2 L/ s。經計算名義導葉漏水量Q1＝170. 4 L/ s, 假設閘門漏水量符合標準要求, 則名義閘門漏水量相對試驗水頭下的導葉漏水量占比約為0. 5%。

由此可見, 在機組閘門漏水量合格的情況下,采用擬合系數法和切線斜率法對不同電廠導葉漏水量的計算結果, 在一定程度上反映出名義閘門漏水量相對導葉漏水量占比是較小的。

3 聲學法

聲學法測量流量的方法有若干種, 但不是所有的方法都可以滿足現場試驗的精度要求, 一般不包括利用流速使聲波折射的測量裝置以及利用流體或利用運動微粒反射聲波的多普勒頻移的測量裝置。在水輪機導葉漏水量測試中, 聲學法常利用超聲波法[15]進行測量, 按其原理可分為傳播速度差法、多普勒法、 聲束偏位法等類型, 其中傳播速度差法測量精度高、 受外來干擾小、 使用方便, 在測量中幾乎都采用此法。

對于長引水系統機組, 特別是一管多機布置的電站, 采用容積法測量導葉漏水量經濟性差、 難度大。 一般該類型的電站都會安裝進水閥門, 可通過在進水閥門旁通管上布置超聲波流量計進行導葉漏水量測試。 這種測試方法不需要對閘門漏水量進行測試, 測試時投入進水閥門檢修密封, 可以排除進水閥門漏水和引水系統滲漏的影響, 相對于容積法, 該方法測試更方便快捷。

傳播速度差法是將超聲波流量計的兩個換能器A/ B 外敷安裝在待測管路上, 根據管路直徑D、 聲波發射角和管路壁厚確定換能器的安裝間距S, 測試時兩個換能器同時發射聲波, 通過測量接收兩個聲波的傳播時間差, 計算水體流速v, 從而得到水體流量Q。 以雙行程為例, 測量方法如圖2 所示,此時Δt與v滿足以下關系:

式中,L1為聲波的傳播行程長度, m；v0為水流體靜止時的超聲波聲速, m/ s；v為水體流速, m/ s；θ為聲波傳播方向與水流方向的夾角, (°)；S為換能器水平安裝間距, m。

則流量Q為:

式中,D為管路直徑, m。

一般常用的便攜式超聲波流量計測量精度在±1%, 部分產品標定精度可以達到±0. 5%。 使用超聲波流量計測量導葉漏水量時需注意: ①測量管道橢圓度不宜超過1%。 ②彎曲管道會引起速度分布的變化, 所選測量斷面應盡量遠離上游擾動區,如遠離可能產生速度分布不對稱、 旋渦或大范圍紊流的彎曲段處。 從測量斷面到有嚴重擾動處的上游管段的直管長度不宜小于10 倍管徑, 從測量斷面到有嚴重擾動處的下游管段的直管長度不宜小于3倍管徑； 在彎管、 漸變管等非強度的緩慢干擾的情況下, 測量斷面的上游直管段不小于5 倍管徑, 下游直管段不小于1. 5 倍管徑時, 仍可使用聲學法,但測量精度會降低。 ③測量時需消除可能干擾聲學法流量測量系統操作的氣泡、 沉淀物和噪聲等。

圖2 傳播速度差法示意圖

4 結語

本文對不同的水輪機導葉漏水量測試方法進行了總結。 其中容積法適應性強, 常用于壩后式和燈泡貫流式機組的水輪機導葉漏水量測試。 對于引水式水電站和布置有進水閥門的電站可采用聲學法進行測試。 采用容積法時, 建議根據實際情況和測試條件決定是否測試閘門漏水量。 在機組閘門漏水量合格的情況下, 名義閘門漏水量對導葉漏水量計算結果影響較小。