沖擊式水輪機熱力學(xué)法測效率試驗研究

張林 喬中均 馬繼生

摘 要：沖擊式水輪機具有工作水頭高、壓力管道內(nèi)流速大等特點，因此，流量測量難度較大，而熱力學(xué)法測量水輪機的效率具有精度高、不需要測量機組流量等優(yōu)點。目前，國內(nèi)熱力學(xué)法測效率試驗主要應(yīng)用于高水頭的水泵水輪機上。本文結(jié)合國外某大型沖擊式水輪機熱力學(xué)測效率試驗的方法、測試裝置及流程進行詳細介紹和分析，并就其中存在的問題進行了深入探討。

關(guān)鍵詞：沖擊式水輪機;熱力學(xué)法;水輪機效率

中圖分類號：X513 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0062-03

Abstract： Pelton turbines have such characteristic as the working head and flow velocity in the penstock are very high， thus it is difficult to measure the discharge passing the turbine. However， it is not necessary to measure the discharge and has a high precision for thermodynamic method to measure the efficiency， which has a relatively small amount of work. Recently， such method is mainly applied to pump-turbines with high head. This paper introduced and analyzed the method， measured device and measured process in detail combined with a foreign hydropower station and discussed deeply the existing problems.

Keywords： pelton turbine;thermodynamic method;turbine efficiency

目前，熱力學(xué)法現(xiàn)場測水輪機效率在國內(nèi)高水頭電站中應(yīng)用不夠廣泛，僅在幾個大型水泵水輪機組上進行了應(yīng)用，在沖擊式水輪機組上的相關(guān)試驗和研究還很少，與國外相比，該方面的經(jīng)驗較少。本文的目的是通過國外某大容量高水頭沖擊式水輪機的熱力學(xué)法測效率試驗對熱力學(xué)法測效率的方法和過程進行全面分析，尤其是對該電站中尾水洞設(shè)冷卻器對效率測量帶來的影響進行分析，從而為今后國內(nèi)沖擊式水輪機采用熱力學(xué)法現(xiàn)場測效率提供經(jīng)驗，也為今后高水頭混流式水輪機采用熱力學(xué)法現(xiàn)場測效率提供參考。

1 熱力學(xué)法測效率的基本原理

1.1 概述

熱力學(xué)方法是從物質(zhì)的宏觀物理量，例如壓力、溫度和熱量等方面來研究物質(zhì)性質(zhì)和變化規(guī)律的方法。熱力學(xué)理論以3個定律為出發(fā)點。熱力學(xué)第一定律闡明內(nèi)能、熱量和功之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是能量守恒定律的另一種表述;熱力學(xué)第二定律指明與宏觀熱現(xiàn)象有關(guān)的一切過程的不可逆性質(zhì)，熱量只能自動從熱物體流到冷物體，而不是相反。熵是熱力學(xué)中衡量系統(tǒng)狀態(tài)無規(guī)則性的一個狀態(tài)變量。

對于沖擊式水輪機來說，熱力學(xué)法是將能量守恒原理（熱力學(xué)第一定律）應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪與流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的水流之間能量轉(zhuǎn)換的一種方法。該方法最主要的特點是不需要測量水輪機流量，在《水輪機、蓄能泵、水泵水輪機現(xiàn)場試驗導(dǎo)則》（IEC 60041—1991）中規(guī)定該方法適用于水頭大于100m的情況，但是如果試驗條件非常有利，可以適當(dāng)擴展到低水頭范圍。

1.2 原理

水輪機的效率公式為：

（1）

其中，[P]為水輪機出力;[Ph]為水流出力。

在這里引入轉(zhuǎn)輪機械功率[Pm]，即轉(zhuǎn)輪與主軸連接法蘭處傳遞出的機械功率。該值反映了水輪機的機械損失（軸承等的摩擦損失）。水輪機的效率公式為：

（2）

式中，[PmPh]項為水力效率的求法，水力效率為：

（3）

其中，[Em]為轉(zhuǎn)輪單位機械能;[E]為水輪機的水力比能;[ΔPh]為水流出力的修正項（根據(jù)合同規(guī)定和電站具體情況進行修正的出力）。

在這里要特別介紹轉(zhuǎn)輪單位機械能[Em]和水輪機的水力比能[E]。轉(zhuǎn)輪單位機械能[Em]為轉(zhuǎn)輪和主軸法蘭傳遞出的機械功率與質(zhì)量流量的比值，[Em]的表達式[1]為：

（4）

其中，[a]為水的等溫系數(shù);[pabs11]和[pabs21]分別為配水環(huán)管進口和尾水支洞測量斷面壓力;[cp]為水的比熱;[θ11]和[θ21]分別為配水環(huán)管進口和尾水支洞測量容器處的水溫;[v11]和[v21]分別為配水環(huán)管進口和尾水支洞測量容器處的速度;[g]為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?[z11]和[z21]分別為配水環(huán)管進口和尾水支洞測量容器處的高程。沖擊式水輪機的水力比能[E]為水輪機高壓側(cè)（配水環(huán)管進口）和低壓側(cè)（轉(zhuǎn)輪中心線）基準(zhǔn)面之間的比能差，如圖1所示，得到水力比能[E]的表達式[2]，即

（5）

其中，[pabs1]和[pabs2]分別為配水環(huán)管進口點1處和轉(zhuǎn)輪中心點2處的絕對壓力;[ρ]為水的密度;[v1]和[v2]分別為配水環(huán)管進口和轉(zhuǎn)輪中心處水流的速度;[z1]和[z2]如圖1所示。對于沖擊式水輪機，有

（6）

其中，[pamb]為環(huán)境大氣壓;[p1']為點1處的表計壓力，此外，沖擊式水輪機的[z1=z2]，[v2=0]。因此，可簡化水力比能的計算公式為：

2 測量方法

2.1 電站基本參數(shù)

以國外某大型水電站為引水式開發(fā)為例，工程主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。地下廠房內(nèi)安裝8臺單機容量為184.50MW立軸沖擊式水輪發(fā)電機組，電站最大工作水頭為616.74m，額定工作水頭為604.10m，最小工作水頭為594.27m，屬于大容量高水頭沖擊式電站。電站配備1臺1 200kW水斗式水輪發(fā)電機組，作為備用電源，具備“黑啟動”功能。電站以3回500kV電壓出線接入電力系統(tǒng)。根據(jù)該電站的特點和合同的相關(guān)規(guī)定，擬采用熱力學(xué)法對前4臺機組中1臺進行現(xiàn)場效率試驗。

2.2 測量方法

從1.2部分可知，水輪機的效率表達公式為：

（8）

其中，水輪機出力[P]可通過發(fā)電機出力和發(fā)電機的效率得到;轉(zhuǎn)輪機械功率[Pm]可通過水輪機出力和水輪機水導(dǎo)軸承處的機械損失相加得到[3]。

2.2.1 水輪機水力比能[E]。水力比能的測量主要是配水環(huán)管進口壓力和配水環(huán)管中流速的測量。本電站在配水環(huán)管進口處設(shè)4個測點，平均分布于進口斷面上，并通過管路連接到一根主管上，在主管末端連接壓力變送器，壓力等級為16MPa，壓力變送器通過電纜連接至計算機數(shù)據(jù)采集單元。配水環(huán)管中的流速測量相對復(fù)雜，因本電站中無測流量裝置，因此，要想求出配水環(huán)管中的流速，必須先計算出配水環(huán)管在測量工況下的流量。根據(jù)轉(zhuǎn)輪單位機械能的定義可計算出流量[見式（9）]，再結(jié)合配水環(huán)管進口斷面的面積求得配水環(huán)管中的流速。

（9）

2.2.2 轉(zhuǎn)輪單位機械能[Em]。轉(zhuǎn)輪單位機械能的測量主要通過布置于高低壓側(cè)測量斷面處的膨脹容器進行。本電站在配水環(huán)管進口和尾水支洞斷面分別用探針將水通過絕熱導(dǎo)管引入膨脹容器中，通過布置于膨脹容器中的高精度壓力變送器、微型電磁流量計和溫度傳感器，分別得到高低壓測量斷面處的壓力、流速和溫度，從而依據(jù)1.2中的公式求得轉(zhuǎn)輪單位機械能。高低壓側(cè)測量斷面見圖2。

3 測量裝置布置

熱力學(xué)法對測量裝置精確度具有嚴(yán)格要求，在上下游斷面選取上必須符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。本電站測量斷面分為上游側(cè)測量斷面和下游側(cè)測量斷面。其中，上游側(cè)測量斷面，即高壓側(cè)測量斷面，設(shè)于水輪機配水環(huán)管進口處;下游側(cè)測量斷面通常設(shè)于轉(zhuǎn)輪出口處。因本電站機組型式為沖擊式，尾水洞屬于開敞式斷面形式，為保證水流充分混合，低壓側(cè)測量斷面需設(shè)在距轉(zhuǎn)輪一定距離的位置，同時測量斷面溫度變化的測量至少應(yīng)在6個點上進行。

3.1 上游側(cè)測量斷面

高壓側(cè)測量斷面的測孔應(yīng)靠近水輪機，以避免受進水球閥尾流的影響。本電站熱力學(xué)法測效率上游側(cè)測量斷面位于配水環(huán)管的進口斷面上，設(shè)有壓力變送器、微型電磁流量計和溫度傳感器，布置于球閥層，并通過電纜將信號引入水輪機層數(shù)據(jù)采集中心，從而計算效率。

3.2 下游側(cè)測量斷面

本電站技術(shù)供水系統(tǒng)采用密閉循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)水泵將循環(huán)水池中的水打到尾水冷卻器中，通過尾水冷卻器將水冷卻后送往各用水單元。每臺機組設(shè)若干臺尾水冷卻器，依次布置于尾水支洞中。在初步布置時，首先考慮了將測量斷面布置于尾水冷卻器之后、尾水支洞閘門之前。但根據(jù)水輪機廠家提供的資料可以發(fā)現(xiàn)，該方案主要存在如下問題：當(dāng)尾水冷卻器運行時，因冷卻器本身散熱及結(jié)構(gòu)造成的水頭損失將導(dǎo)致下游側(cè)測量斷面水溫比實際要高;當(dāng)尾水冷卻器不運行時，因冷卻器本身結(jié)構(gòu)造成的水頭損失也將導(dǎo)致下游側(cè)測量斷面水溫比實際要高，通過熱力學(xué)法測得的水輪機效率勢必會偏低。對此，在進行熱力學(xué)法測效率試驗時，尾水冷卻器必須不運行或者切換到其他機組上，而尾水冷卻器結(jié)構(gòu)帶來的水頭損失則需根據(jù)冷卻器廠家提供的水頭損失進行不確定性修正。鑒于將測量斷面布置與尾水冷卻器后對效率測量的影響，決定將測量斷面布置于尾水冷卻器之前，且距離機組中心線有一定的距離，這樣既可以避免尾水冷卻器帶來的影響，也方便測量裝置。下游側(cè)的測量裝置同上游側(cè)類型一致，但參數(shù)略有不同。

4 參數(shù)修正

修正項包括3個能量修正項，且這些能量修正項可能還包括額外的一些能量傳遞項，總和不應(yīng)超過2%。3個能量修正項主要包括溫度變化、外部熱交換和特殊熱交換。溫度波動影響測量精度，水流經(jīng)過機組存在一個時間延遲，同樣在取水點和測量儀器之間也存在一個時間延遲，全部的時間延遲可以通過計算得出。對于溫度的線性瞬間信號，可以通過與流速和斷面面積有關(guān)的流量計算得出。外部熱交換主要需要考慮通過機組的水流與周圍環(huán)境的熱交換;特殊的熱交換通常通過主軸進行，占比一般較小。

5 結(jié)論

通過上述分析可知，大型沖擊式水輪機熱力學(xué)法測效率試驗雖然存在一些特殊工況，但因其避免測量流量所帶來的困難以及測量精度高等特點，在國外廣泛被應(yīng)用，這對國內(nèi)的一些沖擊式電站以及高水頭混流式電站是一種好的借鑒方法。

參考文獻：

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