潘家口抽水蓄能電站2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉漏水量測(cè)試研究

孫銘君，劉 揚(yáng)，李金偉

（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)葉漏水是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)封水不嚴(yán)密，不但會(huì)增加漏水量，而且會(huì)加劇間隙汽蝕破壞，在漏水嚴(yán)重時(shí)，以致于導(dǎo)葉關(guān)閉后可能造成機(jī)組停機(jī)困難和停機(jī)蠕動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。此外，導(dǎo)葉漏水量過(guò)大，還會(huì)降低水輪機(jī)的運(yùn)行效率，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(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。因此，降低導(dǎo)葉漏水量尤為重要。

目前，導(dǎo)葉漏水量常用的測(cè)量方法有容積法和超聲波法。容積法測(cè)量導(dǎo)葉漏水量，要求關(guān)閉閥門(mén)進(jìn)口，通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)壓力鋼管或輸水管道內(nèi)的體積變化來(lái)測(cè)定，一般情況下，體積變化通過(guò)壓力數(shù)值變化來(lái)體現(xiàn)。容積法測(cè)量導(dǎo)葉漏水量普遍適用于管道體積變化均勻的區(qū)域，包括直管段、斜管段等。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”。超聲波法測(cè)定體積變化則是利用聲波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)傳播的時(shí)間差值得出，靈敏度較容積法高，但是受介質(zhì)參數(shù)（包括溫度、壓力、密度、粘度等）、管道尺寸等因素影響較大，與容積法相比誤差相對(duì)較大。

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，選擇容積法測(cè)定導(dǎo)葉漏水量，其中“斜井法”和“通氣孔法”均可采用[1-5]。

根據(jù)電站運(yùn)維工作人員反饋以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，2號(hào)機(jī)組的檢修閘門(mén)存在密封不嚴(yán)、底部密封條脫落部分較長(zhǎng)等現(xiàn)狀。通過(guò)綜合考慮，2號(hào)機(jī)組決定采用“通氣孔法”進(jìn)行測(cè)試。

2 機(jī)組基本參數(shù)

潘家口水電站為混合式抽水蓄能電站，機(jī)組類型為三相立軸半傘式雙速可逆式同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，具有兩種固定轉(zhuǎn)速，具體參數(shù)為：

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[5，6]。

3 導(dǎo)葉漏水量測(cè)試分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件如下：

（1）2號(hào)機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉處于完全關(guān)閉狀態(tài)；

（2）2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）2號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的工作閘門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，但底部密封條脫落很長(zhǎng)一段，不斷有水進(jìn)入；

（4）2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）。

試驗(yàn)前，蝸殼進(jìn)口壓力測(cè)點(diǎn)表顯正常。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為通氣孔水位下降示意圖，圖4為通氣孔水位變化曲線。

圖4 2號(hào)機(jī)組通氣孔水位變化曲線

根據(jù)IEC60193第2.5.2章公式[5]：

其中：φ為緯度，單位為°；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。

經(jīng)分析，工作閘門(mén)落下關(guān)閉后，閘門(mén)處漏水量與上下游水位間的壓力差有關(guān)。本次試驗(yàn)假定上庫(kù)水位維持205.72 m不變，工作閘門(mén)落下后，隨著通氣孔水位的下降，閘門(mén)上下游的壓力差增大，閘門(mén)漏水量則相應(yīng)增大（類似連通器原理，閘門(mén)兩側(cè)外部壓力均視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；與此同時(shí)，活動(dòng)導(dǎo)葉上下游的壓力差減小，導(dǎo)葉漏水量則相應(yīng)減小。當(dāng)閘門(mén)漏水量與導(dǎo)葉漏水量相等時(shí)，通氣孔水位則保持不變。

由圖4可知：閘門(mén)漏水量與導(dǎo)葉漏水量相等時(shí)的通氣孔水位穩(wěn)定在185.79 m，假設(shè)此時(shí)閘門(mén)漏水量等于導(dǎo)葉漏水量，均為q*。

選取500～600 s、1 000～1 100 s、1 500～1 600 s三個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比驗(yàn)證。

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，m；

Δt—數(shù)據(jù)取樣時(shí)間，100 s；

α—通氣孔水平傾角，90°。

經(jīng)計(jì)算得到：

根據(jù)漏水量與上下游水頭差的經(jīng)驗(yàn)公式：

通氣孔水位穩(wěn)定在185.79 m時(shí)，工作閘門(mén)上下游水頭差為19.93 m，活動(dòng)導(dǎo)葉上下游水頭差為43.79 m。三個(gè)時(shí)間段分別計(jì)算，因此：

（1）500～600 s時(shí)間段：

q500-600=q導(dǎo)葉-q閘門(mén)=0.235 2q*=0.013 1 m3/s，得：q*=0.055 7 m3/s；

（2）1 000～1 100 s時(shí)間段：

q1000-1100=q導(dǎo)葉-q閘門(mén)=0.077 1q*=0.006 7 m3/s，得：q*=0.086 9 m3/s；

（3）1 500～1 600 s時(shí)間段：

由上述分析可以看出：選取不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的q*有所差異，為相對(duì)準(zhǔn)確地反映閘門(mén)漏水量和導(dǎo)葉漏水量，對(duì)三個(gè)時(shí)間段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均可得：

根據(jù)水頭換算公式[5，7]：

換算到額定水頭69 m工況下，可得qr=0.092 4 m3/s。

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[5，8]：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，2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)

在工作閘門(mén)密封條部分脫落的情況下，即無(wú)法保證閘門(mén)密封前提下，閘門(mén)漏水量以動(dòng)態(tài)變量形式參與到導(dǎo)葉漏水量計(jì)算當(dāng)中。通過(guò)穩(wěn)態(tài)時(shí)閘門(mén)漏水量等于導(dǎo)葉漏水量，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程從開(kāi)始至穩(wěn)態(tài)過(guò)程分三段進(jìn)行計(jì)算，最終確定閘門(mén)平均漏水量，換算得出試驗(yàn)水頭及額定水頭下對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉漏水量。本文對(duì)潘家口抽水蓄能電站2號(hào)機(jī)組采用“通氣孔法”進(jìn)行閘門(mén)漏水量和導(dǎo)葉漏水量測(cè)試，分析結(jié)果顯示2號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉漏水量滿足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。