潘家口抽水蓄能电站机组导叶漏水量测试研究

李金伟，孙铭君，刘 扬

（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不仅影响机组汽蚀性能，严重时甚至会造成机组停机困难和停机蠕动，影响水电站的水能利用和安全经济运行。对于工况转换频繁的抽水蓄能机组而言，影响更为明显。

目前，常用的测量方法有容积法和超声波法。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”[1-4]。

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，因此“斜井法”和“通气孔法”均可采用。

3号机组采用“斜井法”进行测试、4号机组采用“通气孔法”进行测试。

2 机组基本参数

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]。

3 导叶漏水量测试分析

3.1 3号机组

现场测试条件如下：

（1）3号机组活动导叶处于完全关闭状态；

（2）3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）3号机组对应的工作闸门处于关闭状态（漏水量极小，忽略不计）；

（4）3号机组对应的压力钢管充水（水位控制在斜管段）。

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为压力钢管水位下降示意图，选取稳定采集工况下600 s的数据进行分析，如图4所示。

图3 3号机组压力钢管水位下降示意图

图4 3号机组压力钢管水位变化曲线

根据IEC60193第2.5.2章公式：

g=9.780 3×(1+0.005 3 sin2φ)-3×10-6×z

其中：φ为纬度，单位为度；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。

根据导叶漏水量计算公式：

式中：

q——导叶漏水量，m3/s；

D——钢管内径，5.60 m；

Δh——水位变化值，1.68 m；

Δt——数据取样时间，600 s；

α——压力钢管斜管段水平倾角，55°。

经计算得到q=0.084 2 m3/s。数据取样时间600 s内压力钢管水位平均值为164.66 m，下游水位为142.00 m，水头H=22.66 m。

导叶漏水量与活动导叶前后的水头密切相关。根据水流势能头与动能头的转换关系：

当活动导叶处于关闭状态时，漏水面积保持恒定，漏水量与水流速度成正比。因此，活动导叶前后的水头不同，则导叶漏水量必不相同。为了表征机组的导叶漏水量，通常采用额定水头下的导叶漏水量进行评价。

根据水头换算公式[6]：

换算到额定水头69 m工况下，可得qr=0.146 9 m3/s。

3.2 4号机组

现场测试条件如下：

（1）4号机组活动导叶处于完全关闭状态；

（2）4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）4号机组对应的工作闸门处于关闭状态（漏水量极小，忽略不计）；

（4）4号机组对应的通气孔充水（初始水位与上库水位齐平）。

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。

图5为通气孔水位下降示意图，选取稳定采集工况下250 s的数据进行分析，如图6所示。

图5 4号机组通气孔水位下降示意图

图6 4号机组通气孔水位变化曲线

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，22.275 m；

Δt——数据取样时间，250 s；

α——通气孔水平倾角，90°。

经计算得到q=0.100 8 m3/s。数据取样时间250 s内压力钢管水位平均值为208.22 m，下游水位为142.00 m，水头H=66.22 m。根据水头换算公式[6]：

换算到额定水头69 m工况下，可得qr=0.102 9 m3/s。

3.3 综合分析

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[7]：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，3号、4号机组的现场测试结果均满足国标要求。

4 总结

本文对潘家口抽水蓄能电站3号和4号机组分别采用“斜井法”和“通气孔法”进行导叶漏水量测试，分析结果显示2台机组的导叶漏水量均满足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。