压力钢管容积法导叶漏水量测量方法范文

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摘要：导叶漏水量是评价水轮发电机组品质和状态的重要指标之一，其测量方法应结合电站实际情况合理选择。本文基于压力钢管容积法，通过采集导叶前后水压，进行拟合分析得出导叶漏水量，在实际测量中的应用表明：该方法数据回归精度较高，通用性强，适用于水电站评定导叶漏水量。

关键词：导叶漏水量；水电站；压力钢管；容积法；测量

前言

导叶是水轮发电机组的主要设备之一，在水轮机能量转换过程起开断水流、调节流量、形成速度环量等重要作用。理想情况下，机组停机时导叶应能完全截断水流，但由于流体及过流部件自身的特性，加上设计、制造、安装等方面的原因，导叶间隙不可能达到理想状态，导叶漏水是普遍现象。国家标准GB/T15468—2006《水轮机基本技术条件》对水轮机导叶漏水量允许值有明确的规定[1]，以此为依据，导叶漏水量可作为评价机组品质和状态的重要指标之一[2]，导叶漏水的测量是水电站值得关注的问题。

1导叶漏水量测量的工程意义

导叶漏水量过大对水电站有如下危害[3]：（1）机组开、停机困难。开启机组时，过大的导叶漏水量会造成主阀前后平压困难，导致主阀开启失败进而影响机组开启过程；机组停机时，过大的导叶漏水量会使机组保持低转速旋转，影响机组停机流程，并且会加重停机过程轴承部件的磨损。（2）停机机组蠕动。机组在停机态时，若导叶漏水比较严重，且机组制动未投时，会造成机组蠕动，危及设备的安全。（3）水能资源损失。导叶漏水会造成电站水能资源浪费，影响电厂的运行经济性。因此，出于对水电站安全性、经济性的考虑，正确地进行导叶漏水量的测量，掌握机组的导叶漏水情况，可以给电站提高检修质量、优化机组品质提供依据。

2导叶漏水量的测量方法

导叶漏水量是指在导叶关闭情况下，单位时间内通过导叶间隙流向机组下游的水数量。由于导叶位于水轮机的流道中，其自身又具有几何特殊性，无法通过直接的方法进行测量。工程上常用的导叶漏水量测量方法有流量计测量法（如超声波流量计、标准节流孔板流量计）和容积法（如通气孔法和斜井法）。流量计测量法适用于配备进水主阀且主阀设有能满足流量计测量条件的附属部件（旁通管等）的引水式机组，即将流量计安装于相关附属部件对导叶漏水量进行直接测量，该方法的特点是实施简便、测量时间短、测量精度较高。对于配备进水主阀但不满足流量计测量条件或未配备进水主阀的引水式机组，常规的测量方法是关闭压力钢管前端的进水闸门，通过测量压力钢管某一段的水位变化速率，计算出导叶的平均漏水量[4]。由于压力钢管的水位变化与进水闸门渗漏、进水闸门旁通管路渗漏、导叶渗漏等诸多因素有关，在测量时 应结合闸门漏水、导叶漏水及其他渗漏情况综合考虑压力钢管水体的流入流出关系。本文对压力钢管容积法测量导叶漏水量的原理及其在某电站的应用情况作介绍。

2.1容积法测量导叶漏水量的基本原理

在导叶、进水闸门、压力钢管旁通管路阀门（机组及主变压器技术供水管取水阀、压力钢管放空阀）均关闭的情况下，机组进水闸门至水轮机活动导叶之间压力钢管（包括通气孔）内水体为相对封闭状态，将水体体积视为一整体，其变化来自于导叶漏水、闸门漏水、压力钢管旁通管路阀门漏水，由此得出以下关系式：在实际测量时，由于机组及主变压器技术供水管取水阀、压力钢管放空阀等渗漏流量难以测量，且该部分渗漏流量很小，一般不予考虑，由此得出Q2=0，则式（1）为：由式（2）可知，水体总渗漏流量（导叶实际漏水总量）为水轮机导叶漏水量及进水闸门漏水量之和。水轮机导叶漏水量与机组活动导叶前后压力水头变化速率相关，将活动导叶处的渗漏视为间隙出流，则有间隙流量公式为：由漏水量的定义可知，由水轮机导叶渗漏引起的水体变化速率公式为：可用二次最小二乘拟合数学模型来描述压力钢管水位下降过程，由式（4）、（5）可得水轮机导叶漏水量与水头之间的关系如下：

2.2自由水面的选择

在上述水轮机导叶漏水量与水头关系式推导过程中，流道水平截面积为固定值，而实际压力钢管截面积是变化值，流道水平截面积也跟着变化（水体变化速率不均匀），因此，在测量过程中应该选取压力钢管内流道截面积基本不变的位置完成试验。根据水电站压力钢管的特点，可选作试验点的位置有通气孔、斜井段。由此，容积法测量导叶漏水量分为通气孔法和斜井法，测量原理如图1、图2所示。两种方法的区别为因自由水面位置不同，进水闸门后的压力情况不相同，在计算闸门漏水量时有差别。

2.3进口闸门漏水量的计算

对于未配备进水主阀的机组，可以将蜗壳内积水排空，关闭进水闸门进行压力钢管消压，此时的闸门漏水可视为孔口出流。根据流体力学知识，孔口出流流量与作用水头、孔后压力情况等有关。在消压过程自由水面位于压力钢管上平段以下时，可利用容积法测得作用水头H10对应的进水闸门漏水量Q10。则测量导叶漏水时闸门漏水量公式如下：其中，μH为作用水头影响系数，表征孔口出流孔后压力对出流流量的影响。对于通气孔法，由于通气孔一般布置于压力钢管上平段，闸门后为有压状态，此时的闸门漏水为孔口淹没出流，则作用水头影响系数μH公式如下：对于斜井法，进水闸门后有无压状态，此时的闸门漏水为孔口自由出流，则作用水头影响系数μH公式如下：对于配备进水主阀的机组，可以在进水主阀关闭的情况下，通过测量压力钢管内水位上升情况计算出闸门漏水量，与上述方法基本相同，不再赘述，下文均以未配备进水主阀的情况为例进行介绍。

2.4容积法测量导叶漏水量主要步骤

容积法测量导叶漏水的主要步骤如下：（1）排空蜗壳积水，关闭进水闸门，压力钢管消压，测量闸门漏水量Q10。（2）机组停机，导叶关闭。（3）流道充水，使压力钢管水体自由水面停留至适当位置。（4）关闭进水闸门，开始试验，记录相关数据。（5）待压力钢管水体自由水面降至适当位置，试验结束。试验步骤中，通气孔法与斜井法的区别为：流道充水时，通气孔法充水至进水闸门前后平压为止（自由水面在通气孔），而斜井法充水至斜井段顶部为止。试验结束时，通气孔法水位降至通气孔底部为止，斜井法水位降至斜井段底部为止。

3某电站导叶漏水量的测量试验

3.1电站概况

某电站装机容量4×600MW，机组额定水头111m，额定流量602.17m³/s，根据GB/T15468—2006《水轮机基本技术条件》规程要求，机组在额定水头时导叶漏水量不应大于1.8065m3/s。为检验机组导叶漏水量是否满足规程要求，应电站要求，对该电站3号机组开展了导叶漏水量测量试验。该电站引水系统未配备进水主阀，宜采用容积法测量，自由水面选择点为压力钢管斜井段。压力钢管相关参数如表1所示。

3.2试验方法

根据该电站压力钢管结构形式，斜井段的水体变化量等于导叶漏水量、进水闸门漏水量、压力钢管旁通管路阀门漏水量之和。经与电站沟通，从电站日常运行情况来看，进水闸门漏水量、压力钢管旁通管路阀门漏水量均较小，可忽略不计，试验的重点为水轮机导叶漏水量的测量。可在压力钢管流道消压过程，通过采集蜗壳水压、导叶后水压，并进行拟合计算出水轮机导叶漏水量。

3.3试验结果与分析

通过测量压力钢管消压过程导叶前后水压值推算出水轮机导叶漏水量，测量数据如表2所示。对表2试验数据进行拟合（如图3所示），可得导叶前后压差水头H0与时间t的变化关系式为：从现场开展测量试验的情况来看，基于压力钢管容积法测量导叶漏水量数据回归精度较高，通用性强，适用于水电站评定导叶漏水量。

4结束语

获取真实、可靠的导叶漏水数据，对于水电站水轮机导叶检修调整、评价安装质量等具有较大的工程意义，对于未配备进水主阀的机组可以选用压力钢管容积法对导叶漏水进行测量，该方法用二次最小二乘拟合数学模型来描述压力钢管水位变化过程，数据回归精度较高，通用性强，可为其他水电站导叶漏水量的测量提供参考。

作者：马国华 单位：云南电力技术有限责任公司