基于鋼管道上平段容積法導葉漏水量測量與計算

(大唐碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412)

基于鋼管道上平段容積法導葉漏水量測量與計算

陳崇彬

(大唐碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412)

水輪機導葉漏水量的測量具有一定的復雜性和不穩定性。本文基于鋼管道上平段為主要測量段的容積法導葉漏水量的測量與計算，是在鋼管道布置及結構分析的基礎上建立計算模型，利用高精度壓力變送器采集數據，實現自動計算。該計算方法在實際測量中的應用表明：測量精度以及測量結果的穩定性均符合要求，減少了人工計算誤差，可以為同類型電站水輪機導葉漏水量的測量及計算提供參考。通過導葉漏水量的精確測量，對水電廠水輪機的檢修質量評價以及經濟運行分析具有一定的意義。

水輪機；導葉漏水量；容積法；鋼管道上平段

導葉漏水是水電廠常見的問題。產生導葉漏水的原因較多，其測量計算同樣具有一定的復雜性，因此發電企業關于導葉漏水量的管理沒有明確的量化指標。目前大多數采用人工目測記錄鋼管水壓下降的全過程，計算鋼管道斜井段的岀流系數，并換算成正常水頭的測量方法。由于該方法測量精度低，人為因素較大，其結果偏差較大。有鑒于此，本文分析了碧口電廠鋼管道結構特點，建立了以容積法按鋼管道上平段為主要測量段的導葉漏水量計算模型，并通過研究水輪機導葉漏水量測量的穩定性等情況，為水電廠導葉漏水量準確測量提供了一定的依據。

1 導葉漏水量測量穩定性分析

在水輪機導葉漏水量實際測量過程中，鋼管壓力變送器壓力數據測量值存在周期性波動，是否為壓力脈動還需要進一步研究，導葉漏水量測量的流量系數應進行正負誤差律定，檢驗所定流量系數關系線兩側測點數目分配的合理性，測量壓力數據需要14組以上，如果上平段較短可通過打開和關閉充水閥進行反復測量?，F場測量應考慮以下因素的影響:

a.導葉密封材料的影響，導葉一般采用金屬密封，但有的采用彈性橡膠密封，由于不同材質的密封結構在水壓應力作用下會出現不同的變化，因此不同斷面(上平段或斜井段)計算導葉漏水量的出流系數會出現一定偏差。

b.由于水輪機導葉在不同次停機操作中關閉情況不同(環境條件不同)，導葉漏水量也會產生一定變化。

c.導葉漏水量測量期間要核實冷卻水取水閥及其他取水閥是否全部關閉，接力器鎖錠是否投入。

d.應考慮快速閘門漏水量的影響，可根據落門后快速閘門漏水量實測值計算,碧口水電站快速門落門后取鋼管道下平段測閘門漏水量為0.01～0.02m3/s。

2 容積法測導葉漏水量計算方法研究

2.1 各斷面分析

碧口水庫庫容5.21億m3，裝機容量3×100MW，引水系統布置于左岸山體內，由進水口、調壓井、引水隧洞及壓力鋼管組成，采用一洞一機的布置方式。

容積法測導葉漏水量，按結構可分為通氣孔段、上平段、斜井段計算，電站一般選擇用通氣孔段或斜井段計算。由于不同斷面的結構、容積、流態等條件差異，在計算時應注意分析，下面就不同斷面分析如下：

通氣孔段計算導葉漏水量，其水頭最接近水輪機正常運行時的導葉漏水環境，但由于通氣孔段容積小、變量多(上下部體積有漸變段變化)、時間短、水頭壓力變化快(導葉漏水量較大時)，數據采集準確性差，同時受快速門沖水閥流量計算的影響，計算導葉漏水量的不確定因數較復雜，因此不宜采用。

斜井段上部由于受上平段下部水流運動變化的影響較大，中下部計算導葉漏水量的出流系數比較穩定，但相比上平段容積偏小，同時與正常水頭相差較大，導葉漏水環境與正常運行水頭導葉所受應力變化較大，換算為正常水頭的數據擬合條件不具備，計算結果偏差較大。

上平段鋼管道中心高程相對容積較大，其高程與正常水頭較為接近，同時通過鋼管壓力變化曲線容易判定起始時間(詳見圖4)。選擇上平段中部壓力變化計算導葉漏水量比較理想，條件是應根據鋼管結構，精確計算上平段鋼管道容積變量，并建立上平段鋼管道容積變化曲線(詳見圖3)。

2.2 鋼管道容積計算

高壓鋼管內徑6m，為鋼板和鋼筋混凝土組合襯砌埋藏式高壓鋼管，三條鋼管道各由上平段、斜井段、下平段組成。鋼管長度分別為：144.84m、138.184m和131.523m。門前為3.8m長5m×6m矩形連接段(上部為通氣孔)，上平段均為9m長的漸變段，由5m×6m矩形斷面變成洞經6m的圓形斷面，斜井段均長33.081m,坡度兩端由管徑18m、中心角55°的豎彎管與上下平段銜接；下平段各長23m，上平段中心高程均為655.75m，進入水輪機斷面中心高程為613.30m(詳見圖1)。

圖1 3號機組引水系統縱剖圖單位：尺寸：cm；高程：m

高程652.75m以上水平斷面彎管部分可通過三維建模計算的鋼管容積為289.894 m3(詳見圖2)。

圖2 彎管部分三維建模

經計算，三條鋼管上平段容積(652.75m以上水平斷面)分別為1944.25m3、1756.06m3、1567.72m3。

以3號機為例計算鋼管道各段體積：

b.斜井段，根據橢圓公式及鋼管傾斜角度(55°)計算：

斜井段起始位置：彎管下端面中點比上平段655.75m高程處低7.68m，高程為648.07m。彎管下端面中點與上平段652.75m高程間的體積約為217m3，斜井段水平斷面面積為34.49m2。

2.3 建立計算模型

利用Excel工作表相關函數按工程體積計算公式分平面計算,對于彎管及漸變段可按差值計算，建立不同平面鋼管容積變化計算模型(詳見圖3)。

圖3 壓力鋼管上平段容積變化曲線

根據帕斯卡定律：在平衡液體中，邊界上的壓強將等值地傳遞到液體的一切點上。也就是等壓面既是等勢面。依據3號機落門后的壓力曲線變化趨勢，通過計算上平段上部計算流量系數，分別建立漏水量曲線，計算公式如下。

根據伯努利方程，將壓力換算成壓力水頭：

h=p/ρg

式中h——壓力水頭；

p——鋼管壓力；

ρ——水的密度；

g——重力加速度。

根據壓力換算壓力水頭計算鋼管道上平段容積，壓力水頭應考慮過流水面流速的影響，可按下式修正：

式中H——計算水頭；

h——壓力水頭；

a——動能段修正系數，一般可用1.0；

v——流速，可由推求流量除以過流水斷面積求得，鋼管斷面積較大時此項可忽略不計。

導葉實際漏水量為名義導葉漏水量及閘門漏水量Qz之和。導葉漏水量按下式計算：

Q=V/t+Qz

式中Q——導葉漏水量；

t——監控系統鋼管壓力變化值時間間隔；

V——計算水頭變化的容積變量。

根據淹沒流孔口流量公式：上、下游過流斷面面積都很大，故流速水頭忽略不計，流量公式為：

可根據流量結果，計算孔口面積A，該公式可用于水庫入庫流量計算。

2.4 監控系統鋼管壓力數據采集

根據實際測量結果分析，監控系統對于鋼管壓力值取值死區應以設置為0.002MPa為宜，將監控系統記錄的壓力變化數據精確導入計算機，本計算模型上平段數據錄入18組壓力變化值，由計算機自動完成計算(詳見圖4)。

圖4 3號機落門后鋼管p-t變化曲線

2.5 綜合誤差初步估算

綜合誤差由測量過程中的系統誤差和隨機誤差按均方根計算。 鋼管體積計算按照設計圖數據進行，根據現場條件也可采用高精度的現代儀器測量，例如3號機鋼管半徑實測值為2.996m；鋼管不圓度完全滿足小于1.0%的IEC規程要求。對于壓力計算誤差，通過壓力變送器的實際測量值與理論輸出值比較，從而得出壓力計算時的測量誤差，在計算出流系數時主要考慮的是壓力變化趨勢。

上平段鋼管體積計算誤差E1=±0.5%。

流速沿管道空間變化的誤差按Ev=±1.8%考慮。

鋼管壓力變送器誤差Ep=±0.2%。

(脈動)壓力計算誤差按Ei=±1.15%考慮。

水頭測量誤差fhs=±0.39%。

監控系統時間測量誤差Es=±0.2%。

計算測量系統誤差：

碧口水電廠3號水輪機導葉漏水量測量，參與計算的數據都由微機自動采集，測量值離散度比較小，隨機誤差也比較小，故參數的平均值反映了真值的變化。按隨機誤差極限值fμr=±0.6%。

計算漏水量綜合誤差：

綜合誤差計算結果，符合IEC規程效率綜合誤差為±(1.5%～2.5%)的要求，故得出的試驗結果可信，滿足國標和IEC規程95%置信度的要求，可以評價該水輪機的導葉漏水量情況。

3 結 語

a.采集鋼管壓力變送器數據，建立以鋼管道上平段為主要計算段的導葉漏水量計算模型，其容積計算準確，壓力變送器精度高、時間記錄準，減少了人為誤差，達到了令人滿意的效果。

b.利用鋼管道上平段測量導葉漏水量，與正常運行水頭存在數據擬合問題，有待于進一步研究。

c.上平段與斜井段流量系數存在的差異仍需探討。

d.利用鋼管道上平段測量導葉漏水量，適用于具有一定長度的上平段為鋼管結構的水電站。

e.對于大多數水電站，枯水期水庫長期處于高水頭運行，大容量中、高水頭的水輪機導葉漏水量是不容忽視的問題。導葉漏水量的測量對水電廠水輪機的檢修質量管理以及水電廠經濟運行分析均具有一定意義。

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