孫銘君，劉 揚(yáng)，李金偉

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 概述

水輪發(fā)電機(jī)組活動導(dǎo)葉漏水是一個普遍存在的問題，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)封水不嚴(yán)密，不但會增加漏水量，而且會加劇間隙汽蝕破壞，在漏水嚴(yán)重時，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，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。此外，導(dǎo)葉漏水量過大，還會降低水輪機(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)葉漏水量常用的測量方法有容積法和超聲波法。容積法測量導(dǎo)葉漏水量，要求關(guān)閉閥門進(jìn)口，通過一定時間內(nèi)壓力鋼管或輸水管道內(nèi)的體積變化來測定，一般情況下，體積變化通過壓力數(shù)值變化來體現(xiàn)。容積法測量導(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”。超聲波法測定體積變化則是利用聲波信號在介質(zhì)內(nèi)傳播的時間差值得出，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)場實(shí)地考察，2號機(jī)組的檢修閘門存在密封不嚴(yán)、底部密封條脫落部分較長等現(xiàn)狀。通過綜合考慮，2號機(jī)組決定采用“通氣孔法”進(jìn)行測試。

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)葉漏水量測試分析

現(xiàn)場測試條件如下：

（1）2號機(jī)組活動導(dǎo)葉處于完全關(guān)閉狀態(tài)；

（2）2號機(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）；

（3）2號機(jī)組對應(yīng)的工作閘門處于關(guān)閉狀態(tài)，但底部密封條脫落很長一段，不斷有水進(jìn)入；

（4）2號機(jī)組對應(yīng)的通氣孔充水（初始水位與上庫水位齊平）。

試驗(yàn)前，蝸殼進(jìn)口壓力測點(diǎn)表顯正常。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(shù)據(jù)采集儀，以監(jiān)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(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，工作閘門落下關(guān)閉后，閘門處漏水量與上下游水位間的壓力差有關(guān)。本次試驗(yàn)假定上庫水位維持205.72 m不變，工作閘門落下后，隨著通氣孔水位的下降，閘門上下游的壓力差增大，閘門漏水量則相應(yīng)增大（類似連通器原理，閘門兩側(cè)外部壓力均視為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；與此同時，活動導(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)閘門漏水量與導(dǎo)葉漏水量相等時，通氣孔水位則保持不變。

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

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

根據(jù)導(dǎo)葉漏水量計算公式：

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)取樣時間，100 s；

α—通氣孔水平傾角，90°。

經(jīng)計算得到：

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，工作閘門上下游水頭差為19.93 m，活動導(dǎo)葉上下游水頭差為43.79 m。三個時間段分別計算，因此：

（1）500～600 s時間段：

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

（2）1 000～1 100 s時間段：

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

（3）1 500～1 600 s時間段：

由上述分析可以看出：選取不同時間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的q*有所差異，為相對準(zhǔn)確地反映閘門漏水量和導(dǎo)葉漏水量，對三個時間段的計算結(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)組活動導(dǎo)葉為圓柱式導(dǎo)葉，要求活動導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于0.441 0 m3/s，2號機(jī)組的現(xiàn)場測試結(jié)果均滿足國標(biāo)要求。

4 總結(jié)

在工作閘門密封條部分脫落的情況下，即無法保證閘門密封前提下，閘門漏水量以動態(tài)變量形式參與到導(dǎo)葉漏水量計算當(dāng)中。通過穩(wěn)態(tài)時閘門漏水量等于導(dǎo)葉漏水量，對試驗(yàn)過程從開始至穩(wěn)態(tài)過程分三段進(jìn)行計算，最終確定閘門平均漏水量，換算得出試驗(yàn)水頭及額定水頭下對應(yīng)的導(dǎo)葉漏水量。本文對潘家口抽水蓄能電站2號機(jī)組采用“通氣孔法”進(jìn)行閘門漏水量和導(dǎo)葉漏水量測試，分析結(jié)果顯示2號機(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。