尼泊爾某水電站熱力學(xué)法水輪機(jī)效率試驗(yàn)探討

張 奎，周 葉

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，四川 成都610091；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

0 前言

國(guó)際學(xué)術(shù)上現(xiàn)存有十幾種測(cè)定水輪機(jī)效率的方法，但歸納起來主要有兩類，即絕對(duì)法和相對(duì)法，主要區(qū)別就在于對(duì)水輪機(jī)效率計(jì)算中最主要參數(shù)-流量的測(cè)定方式不同，比如流速儀法、畢托管法、壓力時(shí)間法、濃度稀釋法、容積法、超聲波法等等屬于絕對(duì)法；溫特-肯尼迪法、簡(jiǎn)化聲學(xué)法、非標(biāo)準(zhǔn)壓差法等屬于相對(duì)法。絕對(duì)法用于計(jì)算和驗(yàn)證水輪機(jī)的真實(shí)效率，相對(duì)法主要用于比較效率變化，如機(jī)組檢修前后，側(cè)重于比較前后效率曲線的形狀變化。出于驗(yàn)證合同保證值的目的一般采用絕對(duì)法，相對(duì)法作為一種輔助電站長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段，通常永久布置測(cè)量和監(jiān)測(cè)儀器，并與絕對(duì)法同時(shí)進(jìn)行，通過絕對(duì)法可以標(biāo)定蝸殼壓差系數(shù)K值，從而得到相對(duì)效率曲線，并計(jì)算出絕對(duì)流量和絕對(duì)效率。除此之外，熱力學(xué)法也是一種水輪機(jī)效率試驗(yàn)常用的方法，是一種基于熱力學(xué)第一定律換算流量的方法，普遍用于測(cè)量環(huán)境受限的電站，其重點(diǎn)要求是電站水頭必須大于100 m，雖然目前正在研究低水頭（60～100 m）下熱力學(xué)法的應(yīng)用，但仍未納入標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

每種測(cè)量手段對(duì)電站布置、流道形態(tài)、運(yùn)行工況、測(cè)量精度等都有不同的要求，國(guó)內(nèi)及國(guó)際行業(yè)內(nèi)最常用的是熱力學(xué)法（誤差±0.8%）、流速儀法（誤差±1.2%）、壓力時(shí)間法（誤差±1.2%）、容積法（誤差±1.5%）和超聲波法（誤差±2%），由于尼泊爾上崔電站在設(shè)計(jì)之初未考慮進(jìn)行效率試驗(yàn)，當(dāng)需要進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)除了熱力學(xué)法外其余方法均不能適用于本電站，主要是前期未布置相應(yīng)的流量測(cè)量?jī)x器且壓力鋼管短小、泥沙含量高、流速高，而熱力學(xué)法無需進(jìn)行流量測(cè)量且測(cè)定誤差同類比較非常小（＜0.8%），適用于本電站，最終在業(yè)主的同意下按照此法進(jìn)行了效率試驗(yàn)。（備注：超聲波法為IEC附錄檢測(cè)方案，非主用方案，所以即使在電站后期可通過安裝探頭的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量，但仍在大多數(shù)國(guó)家不被認(rèn)可，主要是考慮測(cè)量?jī)x器本身的誤差較大，可達(dá)到1.5%～2%。）尼泊爾上崔樹里3 A水電站水輪機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 尼泊爾上崔樹里3 A水電站水輪機(jī)主要參數(shù)表

1 熱力學(xué)法測(cè)量原理

熱力學(xué)法是將能量守恒原理（熱力學(xué)第一定律）應(yīng)用在轉(zhuǎn)輪與流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的水流之間能量轉(zhuǎn)換的一種方法。簡(jiǎn)單來講就是水流經(jīng)過水輪機(jī)流道時(shí)，必將產(chǎn)生摩擦、漩渦、脫流等一系列水力損失，這些損失將轉(zhuǎn)化為熱能，加熱水流，使水流流經(jīng)水輪機(jī)的進(jìn)出口斷面產(chǎn)生一個(gè)溫差，溫差的大小與水輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作水頭有關(guān)。熱力學(xué)法正是通過測(cè)量該溫差實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)效率的測(cè)定。

2 試驗(yàn)方法

如圖1所示，我們需在水輪機(jī)高壓側(cè)和低壓側(cè)分別布置測(cè)量?jī)x器，用于測(cè)量高低壓側(cè)的流速、溫度、壓力，通過電纜接入電腦采集端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集。圖中標(biāo)注號(hào)為“10”的參數(shù)代表水輪機(jī)高壓側(cè)相應(yīng)物理量，通常高壓側(cè)測(cè)量比較困難，可以采用間接法引出至采樣水箱測(cè)量，標(biāo)注號(hào)為“11”的參數(shù)代表采樣水箱內(nèi)相應(yīng)物理量，標(biāo)注號(hào)為“20”的參數(shù)代表水輪機(jī)尾水低壓側(cè)相應(yīng)物理量，基于尾水安裝支架測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量斷面為Section20。

圖1 高壓側(cè)膨脹水箱接入布置圖

2.1 高壓側(cè)測(cè)量斷面

對(duì)于上崔電站機(jī)組布置結(jié)構(gòu)，高壓側(cè)斷面只能選取在蝶閥后，因?yàn)閺穆裨诨炷林械奈仛みM(jìn)口至埋在混凝土中的壓力鋼管之間僅有4.7 m，蝶閥居中安裝，蝶閥上游又存在大口徑的技術(shù)供水取水口，影響測(cè)量；蝶閥下游距混凝土面僅1.5 m，雖然不滿足IEC要求的盡量避免設(shè)在蝶閥尾流處，但試驗(yàn)機(jī)構(gòu)通過經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，在大多數(shù)電站均采用此種布置的情況下不影響實(shí)際結(jié)果。根據(jù)IEC要求，直徑在2.5 m以下的鋼管僅需要布置1個(gè)探針，上崔電站壓力鋼管直徑2.3 m，符合布置1個(gè)探針的要求，但為了將探針伸入壓力鋼管過流面，則需要對(duì)此處壓力鋼管進(jìn)行改造，現(xiàn)場(chǎng)在不破壞壓力鋼管（鉆孔）的情況下進(jìn)行了如圖2所示的改造及探針和水箱安裝。探針在安裝前需要作出取水口標(biāo)記，確保安裝后取水口正對(duì)水流方向。

圖2 高壓側(cè)膨脹水箱接入布置圖

因此，上崔電站的高壓側(cè)儀器布置在了鋼管底部，對(duì)此，IEC無具體要求，但必須使探針取水口超出過流面至少50 mm。在儀器布置完成后，為了消除膨脹水箱與空氣的熱交換，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，在膨脹水箱的外部包裹了一層保溫棉，同時(shí)將水箱排水管引入排水溝。

2.2 低壓側(cè)測(cè)量斷面

（1）根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于低壓側(cè)斷面的選擇和布置，上崔電站遇到的兩個(gè)難點(diǎn)如下：

1）一般應(yīng)用熱力學(xué)法測(cè)量水輪機(jī)效率時(shí)水輪機(jī)進(jìn)出口溫差在0～0.2℃之間，溫差很小，均采用精度可達(dá)0.001℃的溫度傳感器。但本電站尾水管內(nèi)布置有一根直徑273 mm的技術(shù)供水排水管管口，該排水管排出的水比正常尾水水溫要高2～5℃，一經(jīng)排出會(huì)迅速擴(kuò)散，嚴(yán)重影響低壓側(cè)的溫度測(cè)量，且屬于附加流量，同樣的附加流量還包括安全閥排水管、濾水器排水管、蝶閥及鋼管排水管，這些附加流量即使可以通過計(jì)算扣減，但總歸會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

2）測(cè)量架的布置，又存在如下兩個(gè)問題：

①常規(guī)電站低壓側(cè)測(cè)量架布置結(jié)構(gòu)為，吊出尾水檢修閘門，制作與閘門同等尺寸的簡(jiǎn)易框架放入門槽，以此作為低壓側(cè)測(cè)量管路的固定架，同時(shí)通過門槽將測(cè)量管路傳感器的信號(hào)線引出而無需進(jìn)行密封處理。但上崔電站的尾水吸出高度為-8 m，水輪機(jī)中心線為718 m，尾水正常水位為725～726 m，如果提起閘門，則會(huì)造成水淹廠房的破壞性后果。

②因?yàn)樾枰蓸拥蛪簜?cè)水壓，而現(xiàn)階段已不可能重新安裝一套測(cè)壓裝置，所以要使用本站已經(jīng)安裝的尾水管出口壓力測(cè)點(diǎn)，并盡量靠近布置，但根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，低壓側(cè)需要與機(jī)組中心保證至少5倍轉(zhuǎn)輪直徑的距離，本電站轉(zhuǎn)輪直徑1.83 m，尾水出口測(cè)壓點(diǎn)距離機(jī)組中心7.5 m，不滿足要求。

（2）根據(jù)上崔電站的具體特點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查和討論后，確定改造方案如下：

1）水輪機(jī)效率試驗(yàn)期間，短暫關(guān)閉一切排入低壓側(cè)斷面的附加流量。試驗(yàn)前將減壓閥鎖定在設(shè)計(jì)低壓（電站技術(shù)供水設(shè)計(jì)壓力0.35～0.4 MPa）0.3～0.35 MPa，這是根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出的安全運(yùn)行壓力，不會(huì)影響軸瓦溫度。這樣就可以關(guān)閉安全閥排水管；蝸殼和壓力鋼管排水管常規(guī)處于常閉狀態(tài)，可不用考慮附加流量；對(duì)濾水器而言，電站設(shè)計(jì)為6 h或?yàn)V水器前后壓差過大時(shí)啟動(dòng)排污，但2臺(tái)機(jī)技術(shù)供水是互為備用的，因此，可臨時(shí)關(guān)閉1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水（即關(guān)閉濾水器排污管），改由2號(hào)機(jī)組供水，水輪機(jī)效率時(shí)間一般在1～3 h，可不用考慮1號(hào)機(jī)組濾水器頻繁啟動(dòng)問題。

2）因技術(shù)供水不能關(guān)閉，因此在技術(shù)供水排水口處安裝導(dǎo)管，通過焊接1個(gè)90°彎頭及5 m直管，將技術(shù)供水導(dǎo)向測(cè)量斷面之后，即可解決。

3）在尾水管測(cè)壓孔與尾水閘門之間布置低壓測(cè)量斷面，本電站轉(zhuǎn)輪直徑1.83 m，5倍直徑距離即9.15 m，尾水閘門處距離機(jī)組中心8.9 m，尾水測(cè)壓孔距離機(jī)組中心7.57 m，因此最終將其布置在距離機(jī)組中線8 m處。采用3根Φ89×6厚壁鋼管作為測(cè)壓管的固定支架，在混凝土上打孔布置Φ10插筋將其與鋼管可靠焊接。測(cè)量管路采用Φ48排架管制作，也是通過焊接的方式固定于支架上。

4）低壓側(cè)高精度溫度傳感器的引出電纜一般是通過尾水管的排氣管引出至自由水面以上，但由于該電站的補(bǔ)氣管設(shè)置復(fù)雜，從712 m高程尾水管至728 m高程安裝間之間存在至少4個(gè)彎頭，穿線器無法穿通，因此在尾水管進(jìn)人門底部開孔Φ25，焊接并延伸1根Φ48排架管至728 m高程（大于尾水水位726 m）用于引出線引出至監(jiān)控設(shè)備，在尾水管低壓（0.06 MPa）的現(xiàn)狀下可實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全運(yùn)行。尾水管內(nèi)的采集電纜均采用Φ48鋼管穿套保護(hù)，鋼管采取首尾連接焊接并與尾水管點(diǎn)焊固定的方式來確保電纜不受水流沖刷損壞。

3 試驗(yàn)過程

水輪機(jī)效率試驗(yàn)要求在額定水頭133.5 m下進(jìn)行，考慮超出額定水頭的修正量會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確度，按照IEC要求，將實(shí)際水頭偏差控制在130.8～136.2 m之間，由于本電站無水庫，僅能通過調(diào)整大壩弧門開度從而調(diào)整進(jìn)機(jī)流量的方式來進(jìn)行水頭的調(diào)整，即提起弧門，水頭減小，落下弧門，水頭增大。但長(zhǎng)達(dá)5 km的引水隧洞增大了調(diào)整響應(yīng)時(shí)間，每次調(diào)整后，約15 min才會(huì)反饋至機(jī)組。

機(jī)組開機(jī)至額定轉(zhuǎn)速后直接帶滿負(fù)荷30 MW，檢查水頭應(yīng)控制在允許區(qū)間的下限，然后根據(jù)5%發(fā)電機(jī)出力偏差將其從100%額定出力向下劃分10個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間停留2 min，穩(wěn)定后分別讀取高/低壓側(cè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行降負(fù)荷試驗(yàn)，在此過程中水頭會(huì)逐漸升高，此時(shí)通過降低2號(hào)機(jī)組的出力來平衡水頭始終在允許區(qū)間內(nèi)。降負(fù)荷完成后再按照相同的10個(gè)區(qū)間進(jìn)行升負(fù)荷試驗(yàn)并讀數(shù)，但升負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅作為與降負(fù)荷數(shù)據(jù)校驗(yàn)一致性的備用數(shù)據(jù)。

整個(gè)水輪機(jī)效率試驗(yàn)持續(xù)2.5 h，除穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)時(shí)間外，調(diào)整和穩(wěn)定水頭時(shí)間約2 h，因此，如何快速調(diào)整和穩(wěn)定水頭是試驗(yàn)關(guān)鍵，在同類無水庫電站中，需提前策劃和準(zhǔn)備，通過觀察弧門提起/落下量來確定水頭升降量及相應(yīng)反應(yīng)時(shí)間。

4 數(shù)據(jù)分析

（1）高低壓側(cè)水流的溫度變化是熱力學(xué)法的計(jì)算基礎(chǔ)，測(cè)量各工況結(jié)果見表2。可見溫度變化幅度很小，最高偏差0.143 6℃。

表2 水輪機(jī)各出力工況（Pt）下高低壓側(cè)水溫變化

（2）根據(jù)表2即可計(jì)算出水輪機(jī)的單位機(jī)械能Em，根據(jù)發(fā)電機(jī)同工況下的輸出功率及發(fā)電機(jī)效率（該電站前期完成，本文不做討論）即可計(jì)算出水輪正負(fù)機(jī)的機(jī)械功率Pm，最終可以得到水輪機(jī)的流量Q。

（3）已知流量Q及水頭H的情況下，可通過公式計(jì)算得到水輪機(jī)的水力效率ηh及機(jī)械效率ηm，最終確定的水輪機(jī)效率ηt見表3。

表3 水輪機(jī)各出力工況下效率數(shù)據(jù)

（4）效率計(jì)算的總不確定度由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差組成，對(duì)熱力學(xué)法而言，按照IEC60041中40節(jié)的要求計(jì)算水輪機(jī)效率不確定度fη見表4。

表4 水輪機(jī)效率不確定度

（5）最終得到的水輪機(jī)效率曲線如圖3，圖中可見該水輪機(jī)真機(jī)的效率曲線均高于設(shè)計(jì)效率曲線（虛線為正負(fù)不確定度fη），滿足合同要求。

圖3 修正后的水輪機(jī)效率與水輪機(jī)出力關(guān)系曲線

5 結(jié)語

通過對(duì)尼泊爾上崔樹里3A水電站水輪機(jī)效率試驗(yàn)的全過程介紹分析，以及如何通過適當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)改造來實(shí)現(xiàn)與擬采取試驗(yàn)方案的合規(guī)性匹配，為國(guó)內(nèi)、國(guó)際上擬進(jìn)行水輪機(jī)效率試驗(yàn)的工程提供參考和依據(jù)。