潘家口抽水蓄能电站2号机组导叶漏水量测试研究

孙铭君，刘 扬，李金伟

（中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 概述

水轮发电机组活动导叶漏水是一个普遍存在的问题，导水机构封水不严密，不但会增加漏水量，而且会加剧间隙汽蚀破坏，在漏水严重时，以致于导叶关闭后可能造成机组停机困难和停机蠕动，严重影响机组安全运行。此外，导叶漏水量过大，还会降低水轮机的运行效率，严重影响机组的经济运行。对于工况转换频繁的抽水蓄能机组而言，影响更为明显。因此，降低导叶漏水量尤为重要。

目前，导叶漏水量常用的测量方法有容积法和超声波法。容积法测量导叶漏水量，要求关闭阀门进口，通过一定时间内压力钢管或输水管道内的体积变化来测定，一般情况下，体积变化通过压力数值变化来体现。容积法测量导叶漏水量普遍适用于管道体积变化均匀的区域，包括直管段、斜管段等。根据水电机组引水流道的布置特点，容积法一般分为“斜井法”和“通气孔法”。超声波法测定体积变化则是利用声波信号在介质内传播的时间差值得出，灵敏度较容积法高，但是受介质参数（包括温度、压力、密度、粘度等）、管道尺寸等因素影响较大，与容积法相比误差相对较大。

潘家口抽水蓄能电站为坝后式水电站，布设通气孔和压力钢管，选择容积法测定导叶漏水量，其中“斜井法”和“通气孔法”均可采用[1-5]。

根据电站运维工作人员反馈以及现场实地考察，2号机组的检修闸门存在密封不严、底部密封条脱落部分较长等现状。通过综合考虑，2号机组决定采用“通气孔法”进行测试。

2 机组基本参数

潘家口水电站为混合式抽水蓄能电站，机组类型为三相立轴半伞式双速可逆式同步发电电动机，具有两种固定转速，具体参数为：

额定容量：发电工况90 MW，抽水工况85.39 MW；

额定流量：发电工况147 m3/s，抽水工况120 m3/s；

额定转速：发电工况125 r/min，水泵工况125 r/min与142.8 r/min；

额定水头：发电工况69 m[5，6]。

3 导叶漏水量测试分析

现场测试条件如下：

（1）2号机组活动导叶处于完全关闭状态；

（2）2号机组所涉及的进水阀、排水阀处于关闭状态（漏水量极小，忽略不计）；

（3）2号机组对应的工作闸门处于关闭状态，但底部密封条脱落很长一段，不断有水进入；

（4）2号机组对应的通气孔充水（初始水位与上库水位齐平）。

试验前，蜗壳进口压力测点表显正常。在蜗壳测压管处安装一支高精度压力传感器，量程0～1.2 MPa，精度0.25%FS，接入到HT6000数据采集仪，以监测压力钢管水位变化，采样频率为10 Hz，如图1、图2所示。

图1 压力传感器

图2 HT6000数据采集仪

图3为通气孔水位下降示意图，图4为通气孔水位变化曲线。

图4 2号机组通气孔水位变化曲线

根据IEC60193第2.5.2章公式[5]：

其中：φ为纬度，单位为°；z为海拔高度，单位为m。潘家口抽水蓄能电站纬度为北纬40.45°，海拔高度取压力传感器安装高程为EL.125.69，由此计算出g=9.801 7 m/s2。水密度ρ取999.1 kg/m3。

经分析，工作闸门落下关闭后，闸门处漏水量与上下游水位间的压力差有关。本次试验假定上库水位维持205.72 m不变，工作闸门落下后，随着通气孔水位的下降，闸门上下游的压力差增大，闸门漏水量则相应增大（类似连通器原理，闸门两侧外部压力均视为标准大气压）；与此同时，活动导叶上下游的压力差减小，导叶漏水量则相应减小。当闸门漏水量与导叶漏水量相等时，通气孔水位则保持不变。

由图4可知：闸门漏水量与导叶漏水量相等时的通气孔水位稳定在185.79 m，假设此时闸门漏水量等于导叶漏水量，均为q*。

选取500～600 s、1 000～1 100 s、1 500～1 600 s三个时间段的数据进行分析和对比验证。

根据导叶漏水量计算公式：

式中：

q—导叶漏水流量，m3/s；

D—通气孔内径，1.20 m；

Δh—水位变化值，m；

Δt—数据取样时间，100 s；

α—通气孔水平倾角，90°。

经计算得到：

根据漏水量与上下游水头差的经验公式：

通气孔水位稳定在185.79 m时，工作闸门上下游水头差为19.93 m，活动导叶上下游水头差为43.79 m。三个时间段分别计算，因此：

（1）500～600 s时间段：

q500-600=q导叶-q闸门=0.235 2q*=0.013 1 m3/s，得：q*=0.055 7 m3/s；

（2）1 000～1 100 s时间段：

q1000-1100=q导叶-q闸门=0.077 1q*=0.006 7 m3/s，得：q*=0.086 9 m3/s；

（3）1 500～1 600 s时间段：

由上述分析可以看出：选取不同时间段的数据进行分析，得到的q*有所差异，为相对准确地反映闸门漏水量和导叶漏水量，对三个时间段的计算结果进行平均可得：

根据水头换算公式[5，7]：

换算到额定水头69 m工况下，可得qr=0.092 4 m3/s。

根据GB/T 15468-2006《水轮机基本技术条件》中第5.7.1条款的技术规定[5，8]：在额定水头下，圆柱式导叶漏水量不应大于水轮机额定流量的3‰。圆锥式导叶漏水量不应大于水轮机额定流量的4‰。

潘家口抽水蓄能电站机组活动导叶为圆柱式导叶，要求活动导叶漏水量不应大于0.441 0 m3/s，2号机组的现场测试结果均满足国标要求。

4 总结

在工作闸门密封条部分脱落的情况下，即无法保证闸门密封前提下，闸门漏水量以动态变量形式参与到导叶漏水量计算当中。通过稳态时闸门漏水量等于导叶漏水量，对试验过程从开始至稳态过程分三段进行计算，最终确定闸门平均漏水量，换算得出试验水头及额定水头下对应的导叶漏水量。本文对潘家口抽水蓄能电站2号机组采用“通气孔法”进行闸门漏水量和导叶漏水量测试，分析结果显示2号机组的导叶漏水量满足GB/T 15468-2006《水轮机基本技术条件》的要求，为机组的安全稳定运行提供了技术支撑。