基于钢管道上平段容积法导叶漏水量测量与计算

(大唐碧口水力发电厂，甘肃 文县 746412)

基于钢管道上平段容积法导叶漏水量测量与计算

陈崇彬

(大唐碧口水力发电厂，甘肃 文县 746412)

水轮机导叶漏水量的测量具有一定的复杂性和不稳定性。本文基于钢管道上平段为主要测量段的容积法导叶漏水量的测量与计算，是在钢管道布置及结构分析的基础上建立计算模型，利用高精度压力变送器采集数据，实现自动计算。该计算方法在实际测量中的应用表明：测量精度以及测量结果的稳定性均符合要求，减少了人工计算误差，可以为同类型电站水轮机导叶漏水量的测量及计算提供参考。通过导叶漏水量的精确测量，对水电厂水轮机的检修质量评价以及经济运行分析具有一定的意义。

水轮机；导叶漏水量；容积法；钢管道上平段

导叶漏水是水电厂常见的问题。产生导叶漏水的原因较多，其测量计算同样具有一定的复杂性，因此发电企业关于导叶漏水量的管理没有明确的量化指标。目前大多数采用人工目测记录钢管水压下降的全过程，计算钢管道斜井段的岀流系数，并换算成正常水头的测量方法。由于该方法测量精度低，人为因素较大，其结果偏差较大。有鉴于此，本文分析了碧口电厂钢管道结构特点，建立了以容积法按钢管道上平段为主要测量段的导叶漏水量计算模型，并通过研究水轮机导叶漏水量测量的稳定性等情况，为水电厂导叶漏水量准确测量提供了一定的依据。

1 导叶漏水量测量稳定性分析

在水轮机导叶漏水量实际测量过程中，钢管压力变送器压力数据测量值存在周期性波动，是否为压力脉动还需要进一步研究，导叶漏水量测量的流量系数应进行正负误差律定，检验所定流量系数关系线两侧测点数目分配的合理性，测量压力数据需要14组以上，如果上平段较短可通过打开和关闭充水阀进行反复测量。现场测量应考虑以下因素的影响:

a.导叶密封材料的影响，导叶一般采用金属密封，但有的采用弹性橡胶密封，由于不同材质的密封结构在水压应力作用下会出现不同的变化，因此不同断面(上平段或斜井段)计算导叶漏水量的出流系数会出现一定偏差。

b.由于水轮机导叶在不同次停机操作中关闭情况不同(环境条件不同)，导叶漏水量也会产生一定变化。

c.导叶漏水量测量期间要核实冷却水取水阀及其他取水阀是否全部关闭，接力器锁锭是否投入。

d.应考虑快速闸门漏水量的影响，可根据落门后快速闸门漏水量实测值计算,碧口水电站快速门落门后取钢管道下平段测闸门漏水量为0.01～0.02m3/s。

2 容积法测导叶漏水量计算方法研究

2.1 各断面分析

碧口水库库容5.21亿m3，装机容量3×100MW，引水系统布置于左岸山体内，由进水口、调压井、引水隧洞及压力钢管组成，采用一洞一机的布置方式。

容积法测导叶漏水量，按结构可分为通气孔段、上平段、斜井段计算，电站一般选择用通气孔段或斜井段计算。由于不同断面的结构、容积、流态等条件差异，在计算时应注意分析，下面就不同断面分析如下：

通气孔段计算导叶漏水量，其水头最接近水轮机正常运行时的导叶漏水环境，但由于通气孔段容积小、变量多(上下部体积有渐变段变化)、时间短、水头压力变化快(导叶漏水量较大时)，数据采集准确性差，同时受快速门冲水阀流量计算的影响，计算导叶漏水量的不确定因数较复杂，因此不宜采用。

斜井段上部由于受上平段下部水流运动变化的影响较大，中下部计算导叶漏水量的出流系数比较稳定，但相比上平段容积偏小，同时与正常水头相差较大，导叶漏水环境与正常运行水头导叶所受应力变化较大，换算为正常水头的数据拟合条件不具备，计算结果偏差较大。

上平段钢管道中心高程相对容积较大，其高程与正常水头较为接近，同时通过钢管压力变化曲线容易判定起始时间(详见图4)。选择上平段中部压力变化计算导叶漏水量比较理想，条件是应根据钢管结构，精确计算上平段钢管道容积变量，并建立上平段钢管道容积变化曲线(详见图3)。

2.2 钢管道容积计算

高压钢管内径6m，为钢板和钢筋混凝土组合衬砌埋藏式高压钢管，三条钢管道各由上平段、斜井段、下平段组成。钢管长度分别为：144.84m、138.184m和131.523m。门前为3.8m长5m×6m矩形连接段(上部为通气孔)，上平段均为9m长的渐变段，由5m×6m矩形断面变成洞经6m的圆形断面，斜井段均长33.081m,坡度两端由管径18m、中心角55°的竖弯管与上下平段衔接；下平段各长23m，上平段中心高程均为655.75m，进入水轮机断面中心高程为613.30m(详见图1)。

图1 3号机组引水系统纵剖图单位：尺寸：cm；高程：m

高程652.75m以上水平断面弯管部分可通过三维建模计算的钢管容积为289.894 m3(详见图2)。

图2 弯管部分三维建模

经计算，三条钢管上平段容积(652.75m以上水平断面)分别为1944.25m3、1756.06m3、1567.72m3。

以3号机为例计算钢管道各段体积：

b.斜井段，根据椭圆公式及钢管倾斜角度(55°)计算：

斜井段起始位置：弯管下端面中点比上平段655.75m高程处低7.68m，高程为648.07m。弯管下端面中点与上平段652.75m高程间的体积约为217m3，斜井段水平断面面积为34.49m2。

2.3 建立计算模型

利用Excel工作表相关函数按工程体积计算公式分平面计算,对于弯管及渐变段可按差值计算，建立不同平面钢管容积变化计算模型(详见图3)。

图3 压力钢管上平段容积变化曲线

根据帕斯卡定律：在平衡液体中，边界上的压强将等值地传递到液体的一切点上。也就是等压面既是等势面。依据3号机落门后的压力曲线变化趋势，通过计算上平段上部计算流量系数，分别建立漏水量曲线，计算公式如下。

根据伯努利方程，将压力换算成压力水头：

h=p/ρg

式中h——压力水头；

p——钢管压力；

ρ——水的密度；

g——重力加速度。

根据压力换算压力水头计算钢管道上平段容积，压力水头应考虑过流水面流速的影响，可按下式修正：

式中H——计算水头；

h——压力水头；

a——动能段修正系数，一般可用1.0；

v——流速，可由推求流量除以过流水断面积求得，钢管断面积较大时此项可忽略不计。

导叶实际漏水量为名义导叶漏水量及闸门漏水量Qz之和。导叶漏水量按下式计算：

Q=V/t+Qz

式中Q——导叶漏水量；

t——监控系统钢管压力变化值时间间隔；

V——计算水头变化的容积变量。

根据淹没流孔口流量公式：上、下游过流断面面积都很大，故流速水头忽略不计，流量公式为：

可根据流量结果，计算孔口面积A，该公式可用于水库入库流量计算。

2.4 监控系统钢管压力数据采集

根据实际测量结果分析，监控系统对于钢管压力值取值死区应以设置为0.002MPa为宜，将监控系统记录的压力变化数据精确导入计算机，本计算模型上平段数据录入18组压力变化值，由计算机自动完成计算(详见图4)。

图4 3号机落门后钢管p-t变化曲线

2.5 综合误差初步估算

综合误差由测量过程中的系统误差和随机误差按均方根计算。 钢管体积计算按照设计图数据进行，根据现场条件也可采用高精度的现代仪器测量，例如3号机钢管半径实测值为2.996m；钢管不圆度完全满足小于1.0%的IEC规程要求。对于压力计算误差，通过压力变送器的实际测量值与理论输出值比较，从而得出压力计算时的测量误差，在计算出流系数时主要考虑的是压力变化趋势。

上平段钢管体积计算误差E1=±0.5%。

流速沿管道空间变化的误差按Ev=±1.8%考虑。

钢管压力变送器误差Ep=±0.2%。

(脉动)压力计算误差按Ei=±1.15%考虑。

水头测量误差fhs=±0.39%。

监控系统时间测量误差Es=±0.2%。

计算测量系统误差：

碧口水电厂3号水轮机导叶漏水量测量，参与计算的数据都由微机自动采集，测量值离散度比较小，随机误差也比较小，故参数的平均值反映了真值的变化。按随机误差极限值fμr=±0.6%。

计算漏水量综合误差：

综合误差计算结果，符合IEC规程效率综合误差为±(1.5%～2.5%)的要求，故得出的试验结果可信，满足国标和IEC规程95%置信度的要求，可以评价该水轮机的导叶漏水量情况。

3 结 语

a.采集钢管压力变送器数据，建立以钢管道上平段为主要计算段的导叶漏水量计算模型，其容积计算准确，压力变送器精度高、时间记录准，减少了人为误差，达到了令人满意的效果。

b.利用钢管道上平段测量导叶漏水量，与正常运行水头存在数据拟合问题，有待于进一步研究。

c.上平段与斜井段流量系数存在的差异仍需探讨。

d.利用钢管道上平段测量导叶漏水量，适用于具有一定长度的上平段为钢管结构的水电站。

e.对于大多数水电站，枯水期水库长期处于高水头运行，大容量中、高水头的水轮机导叶漏水量是不容忽视的问题。导叶漏水量的测量对水电厂水轮机的检修质量管理以及水电厂经济运行分析均具有一定意义。

MeasurementandCalculationofVaneWaterLeakageBasedonFlatSegmentVolumeMethodonSteelPipeline

CHEN Chong-bin

(DatangBikouHydropowerPlant,Wenxian746412,China)

The turbine vane water leakage measurement is characterized by certain complexity and instability. In the paper, calculation model is established on the basis of steel pipeline layout and structure analysis according to measurement and calculation of volume method vane water leakage with flat segment on steel pipeline as main measurement section. High accuracy pressure transmitter is utilized for data collection, thereby realizing automatic calculation. Application of the calculation method in actual measurement shows that measurement precision and measurement result stability are in line with requirements, manual calculation errors are reduced, thereby providing reference for measuring and calculating vane water leakage of similar power station turbine. Accurate measurement of vane water leakage has certain significance on overhaul quality assessment and economic operation analysis on power station turbine.

turbine; vane water leakage; volume method; flat section on steel pipeline

TV734

A

1673-8241(2014)08-0063-04