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user: 3. 管道供水机组的流量及净水头分析 3.1. 管道供水水轮机的流量分析 管道供水水轮机的流量取决于下游水厂每天需水量，基于有一定水量调节能力，当前水厂每天用水量稳定在12.96万m 3 ，即供水管道需保持1.5 m 3 /s流量才能满足水厂的用水需求，所以水轮机的流量在一定时期内是相对固定因素，无法用增加流量的方法来增加水轮机出力。 图1. 管道供水专用机组纵剖图 图2. 直通管纵剖图 图3. 供水专用机组及直通管平面图 3.2. 管道供水水轮机的净水头分析 水轮机的净水头是影响水轮机出力的关键因素，对于明尾水渠水轮机来说，净水头与水库和下游尾水水位有关，而管道供水水轮机，尾水管渠是个封闭的有压管道，其净水头应当等于蜗壳压强与转轮下压强之差，那么这个差值大小与哪些因素有关呢？会不会与导水叶以及调流阀的开度有关呢？为了探明这个问题，我们决定做个不同导水叶开度下管道供水水轮发电机并网发电运行的工况监测实验。 实验前先在水轮机蜗壳和转轮下以及其它有关点设置相应的监测仪器，然后开启管道供水机组并网运行，关闭备用供水管。为不影响正常供水，实验先从导水叶最大开度开始，将导水叶开度缓慢打至100%，与此同时，操作调流阀的开度，待管道内的流量到达1.5 m 3 /s并且长时间(一个小时以上)不变后，记录各监测点数值。然后按同样的操作方法，将导叶开度下调至90%进行第二组实验，以此类推。实验过程中为了测定供水管道内最高点压强首次显示0值时的工况，当此处压强下降接近0值时，在操作调流阀开度的同时也要操作导水叶开度，二者相互配合，多次调整，让此处压强慢慢降到0上，然后记录一组测量数据。当实验进行到导水叶开度70%组别时，发现增大调流阀开度时，管道流量不再增加了，调流阀开度即便增大到100%，管道流量不能到达1.5 m 3 /s，说明此时的导水叶开度已不能满流量要求了，实验到此结束。统计整理测量数据如表1所示。 Table 1 Measured values under different opening of guide vane of pipeline uni 导水叶 开度 调流阀 开度 蜗壳 压强(MP) 转轮下 压强(MP) 6780 m 管顶压强(MP) 11，197 m 管顶压强(MP) 管道末端调 流阀前压强(MP) 管道末端 流量(m 3 /s) 发电机输出 功率(KW) 100% 58% 0.206 0.178 0.089 0.099 0.381 1.5 14.1 90% 60% 0.206 0.156 0.067 0.077 0.359 1.5 33.1 80% 63% 0.206 0.126 0.037 0.047 0.329 1.5 76.5 72% 66% 0.206 0.091 0 0.012 0.294 1.5 126.9 70% 100% 0.206 0.086 0 0 0.120 1.48 120.4 表1. 管道机组导水叶不同开度下的运行工况测量值 从表1数据看出，当导水叶从大到小变化时，调流阀开度不断增加，蜗壳压强保持不变，转轮下和6780 m处管顶压强逐渐变小，直到导叶开降到72%时才趋于稳定，11，197 m处管顶压强及调流阀前压强一直在逐渐变小，发电机功率逐渐变大，导叶开度在72%时达到最大值。 根据水轮机的设计参数可知，当导水叶开度大于72%时，管道水轮机过流能力大于1.5 m 3 /s，超过下游水厂的需水流量，供水流量主要由调流阀开度大小控制，此时整个供水管道总体处于有压状态(从上表数据也是如此)。根据管道流体理论，降低导水叶开度减少上游进水量和增大调流阀开度加大下游出水量，都会引起管道内的压强的降低。当导水叶及调流阀开度分别等于72%和66%时，6780米处管顶压强恰好降到0，说明供水管最高点前半段的过流能力与后半段的过流能力相同均为1.5 m 3 /s，此时再继续降低导叶开度至70%，管顶前半段的供水流量会小于后半段的出流能力，管道内的流量转为由导水叶开度主控，6780 m处管顶外气压大于管内水压强，外界气体开始通过通气阀进入管内，管道内出现自游水面。转轮下压强大小由供水管顶前半段自游水面的高程与水轮机的安装高程差所决定，所以此后的转轮下压强下降幅度甚微。增大调流阀的开度直至100%，并不能增加管道的流量，反而导致后半段管内压强继续下降，管道最高点出现断流，11，197 m处的管顶压强也降到了0，有相当一部分气体进入供水管内，不利于管道平稳运行。因此72%是导水叶的临界开度，66%是调流阀的临界开度，此时的水轮机净水头是满足下游流量要求的最大净水头，机组出力最大。 实验数据中，机组即便在临界开度下运行，发电机功率也只有126.9 KW，与实验前相比虽然有较大的提高，但距其额定功率320 KW仍有较大的差距。我们对上表数据进一步分析发现，机组在临界开度下运行时，转轮下有0.091 MP的压强，说明水轮机转轮下有较大的背压，而供水管道出口端还有0.294 MP的富余压强，查阅本水轮机资料，转轮下允许最低压强为−0.0015 MP，这些数据表明，水轮机净水头还存在较大提升潜力，有待于进一步的挖掘。 我们知道，供水管道在竖直方向上是个总体呈M形状的管道，实际上是由两个巨大的虹管串联而成，但是由于两相虹管顶部的通气阀与外界大气相联，使的虹管顶不能出现负压，虹管的虹吸作用失效，下游的富余水头不但得不到利用，虹管顶部反而还抬高了水轮机的尾水位，限制了水轮机的净水头的提高。当时在管顶设计通气阀的主要作用是管道在初始注水时排出管内气体，管道充满水后，排气阀的作用也就完成了，此后如果关闭此排气阀，不但不会影响管道正常运行，而且虹管的虹吸作用能得到恢复，管道水轮机的净水头应当能够再度的提高，为了证实这一推测，我们继续进行测量实验。 按照以上思路，关闭两处虹管顶端的排气阀后，重复以上实验，当实验进行到导水叶开度72%时，先保持导水叶开度在72%位置不动，慢慢加大调流阀的开度，观察各处压强值继续下降，6780 m处管顶压强变为负值，转轮下压强也进一步的大幅下降，管道流量也在增加，此时减小导水叶开度，校正流量至1.5 m 3 /s，继续增大调流阀的开度，当转轮下压强接近0值时，在增大调流阀开度操作的同时减小导水叶开度操作，二者相互配合，既能使管道流量校正到1.5 m 3 /s，又能使转轮下压强恰好达到0，待数值稳定后，记录测量数据如表2。 Table 2 The measured values of unit guide vane under different opening after closing the inlet valve at the top of sipho 导水叶 开度 调流阀 开度 蜗壳 压强(MP) 转轮下 压强(MP) 6780 m 处管顶压强(MP) 11，197 m 处管顶压强(MP) 管道出口调 流阀前压强(MP) 管道末端 流量(m 3 /s) 发电机输出 功率(KW) 100% 58% 0.206 0.178 0.089 0.099 0.381 1.5 14.1 90% 60% 0.206 0.156 0.067 0.077 0.359 1.5 33.1 80% 63% 0.206 0.126 0.037 0.047 0.329 1.5 76.5 72% 66% 0.206 0.091 0 0.012 0.294 1.5 126.9 56% 80% 0.206 0 -0.089 -0.076 0.2027 1.5 257.6 表2. 关闭虹吸管顶端的进气阀后机组导水叶不同开度下的运行工况测量值 对比两个表发现，导水叶开度在72%之前的数据相同，当导水叶开度从72%下调到56%，调流阀开度由66%增加到80%时，各处的压强数值均都进一步的大幅下降，转轮下压强降为0，6780米处管顶出现了负值，调压阀前压下降了到0.2027 MP，富余水头得到利用，水轮机净水头增加了9.1 m，增幅79%，发电机功率达到257.6 KW。转轮下压强降到0，接近转轮的允许最低压强，且而且6780 m处及11，197 m两管顶处的压强也接近真空，压强降幅有限了，如果再继续增大调流阀的开度，转轮下压强会低于0甚至低于转轮的允许压强，考虑到转轮汽蚀安全余量，不宜再继续进行实验，实验到此结束，此时的导水叶和调流阀开度是关闭两虹管顶处的通气阀后的新的临界开度。 通过以上实验数据分析得出结论，管道水轮发电机组净水头大小与导水叶及调流阀开度有关，当水轮机的过流能力大于下游供水管道的过流能力时，降低导水叶开度或增大调流阀开度，能增加管道供水水轮机的净水头，当导水叶和调流阀在临近开度时，转轮下水压强为0，水轮机净水头最大，机组出力效果最佳。因此，满足流量需求而且转轮下压强为0，是管道供水机组最佳出力点的重要标志，也是管道供水机组调整的目标和方向。另外关闭供水管道顶端的通气阀，能够大幅度地增大水轮机的净水头，是提高供水管道水轮机出力的有效的方法。