劉振華

(中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100080)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0071—03

基于熱力學(xué)法的水輪機(jī)效率試驗(yàn)方法

劉振華

(中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100080)

水力機(jī)組效率試驗(yàn)方式選擇具有多樣性，在可逆機(jī)組中，由于工況多，流態(tài)相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量機(jī)組流量難度大，因此可采用熱力學(xué)法間接測(cè)量效率。文章通過對(duì)熱力學(xué)試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理方式的介紹，說明該試驗(yàn)方法具有較好的操作性及較高的精度，可在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

熱力學(xué)法;水輪機(jī)效率;試驗(yàn)

0 前 言

效率試驗(yàn)是評(píng)價(jià)水輪機(jī)性能指標(biāo)的重要試驗(yàn)，具有重要的意義，基本上可以評(píng)價(jià)一個(gè)水力模型的水力性能的優(yōu)劣。而現(xiàn)階段，效率試驗(yàn)的方法有很多種，常見的有流速儀法、水錘法、示蹤法、相對(duì)法等，這些方法各有各的特點(diǎn)，其中流速儀法是相對(duì)來說較為原始的方法，比較簡(jiǎn)單但精度比較差，并不是特別理想；水錘法適用于水頭中等偏高的電站，并且只能在特定的管道系統(tǒng)條件下才能使用；示蹤法是較為精確的方法，但是試驗(yàn)方法比較復(fù)雜，所需費(fèi)用也比較高，并不能真正在工業(yè)上加以利用；現(xiàn)階段用的較為廣泛的為相對(duì)法，這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但是精度還有待于改進(jìn)；而利用熱力學(xué)法對(duì)水輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行效率試驗(yàn)，早已經(jīng)得到國際電工委員會(huì)(IEC)的認(rèn)可，只是在中國尚缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文著重探討這種方法在效率試驗(yàn)中的具體方法[1]。

熱力學(xué)法的最大特點(diǎn)是要求電廠的水頭不得低于150 m，且機(jī)組水頭越高，測(cè)量的精度也越高。隨著水頭不斷增高，熱力學(xué)法測(cè)量效率的優(yōu)勢(shì)更加明顯[2]。而水力機(jī)組的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是可逆機(jī)組的應(yīng)用，可逆機(jī)組工況較多，流態(tài)相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量機(jī)組的流量難度也較大，熱力學(xué)法這種不需要直接測(cè)量流量的方法在精度和可操作性上都是最佳選擇[3]。

1 試驗(yàn)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。水輪機(jī)單位機(jī)械能可以通過性能參數(shù)(壓力、溫度、流速和高程)和水的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行確定[4]。采用熱力學(xué)法測(cè)量水輪機(jī)效率，根據(jù)IEC60041[1]第2.3.6.2中水力比能的定義，不需要直接測(cè)量水輪機(jī)流量[5]。

水力效率的定義為：

(1)

式中:Pm為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪機(jī)械功率，W;Ph為水輪機(jī)水力功率,W;Em為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能,J;E為水輪機(jī)單位水能,J。而采用熱力學(xué)法可以直接測(cè)量式(1)中的轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能Em。

在本文涉及的試驗(yàn)方案中，蝸殼進(jìn)口采用間接法進(jìn)行測(cè)量，需要將水先引至膨脹水箱來測(cè)量單位，此時(shí)水輪機(jī)單位機(jī)械能為：

(2)

水輪機(jī)的整體效率包括機(jī)械效率和水力效率，最終效率的表達(dá)公式為：

(3)

水輪機(jī)單位水能E也可以通過測(cè)量得出，單位水能由進(jìn)口、出口斷面水流在理想情況下的壓力、流速和高程等參數(shù)決定：

(4)

根據(jù)式(2)、(3)、(4)，再根據(jù)測(cè)量的上下游溫度、壓力、速度等參數(shù)，即可最終確定水力機(jī)械的整體效率。

2 試驗(yàn)方法

2.1 測(cè)量系統(tǒng)

利用熱力學(xué)法的試驗(yàn)原理，本文對(duì)某較高水頭水輪機(jī)進(jìn)行效率試驗(yàn)，此水輪機(jī)具體參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)基本參數(shù)表

為了測(cè)量所需的物理參數(shù)，構(gòu)建了測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)圖

從圖1中可以看出，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分為2個(gè)部分，分別測(cè)量“1”中蝸殼進(jìn)口單位水能和“2”中尾水管出口的單位水能。其中蝸殼進(jìn)口測(cè)量比較困難，并不能直接從主流中直接測(cè)量，因此采用專門設(shè)計(jì)帶有測(cè)孔的容器來間接測(cè)量溫度和壓力。具體方法采用全水頭探針抽取(0.1～0.5)×10-3m3/s的水樣，去除水樣后，通過一個(gè)絕熱導(dǎo)管導(dǎo)入測(cè)量容器，以保證和外界熱交換不超過文獻(xiàn)[1]第14.6.3中要求的范圍，而由于肯定存在熱交換，在后期數(shù)據(jù)處理過程中，需要對(duì)外界的熱交換進(jìn)行修正。

對(duì)于尾水管出口單位水能則可以采取直接法進(jìn)行測(cè)量，如圖1中“2”部分。在測(cè)量過程中，將測(cè)量支架固定在尾水測(cè)量斷面，通過兩側(cè)鋼索限位進(jìn)行上下移動(dòng)3次，從而在不同斷面測(cè)量單位水能。在每層斷面測(cè)量時(shí)，持續(xù)時(shí)間不少于3 min。效率計(jì)算時(shí)，采用3個(gè)層面參數(shù)值的均值。由于測(cè)量支架可以移動(dòng)，故在電站混凝土澆筑時(shí)，尾水出口斷面位置中心上方，尾水檢修閘門內(nèi)側(cè)留出直徑50 mm通孔，該孔垂直向上引至尾水平臺(tái)。

試驗(yàn)方法確定后，依次利用壓力傳感器測(cè)量蝸殼進(jìn)口與尾水管的壓力差；利用溫度探針測(cè)量水箱的溫度；利用流量計(jì)測(cè)量取樣探針內(nèi)水的流量從而得到水箱內(nèi)的平均流速；并考慮水箱實(shí)際高程和修正項(xiàng)，來計(jì)算真實(shí)的水力效率。

2.2 探針安裝方法

在本實(shí)驗(yàn)中，最重要的測(cè)量參數(shù)就是溫度的測(cè)量，而測(cè)量溫度需要在流道中布置探針，探針的安裝方法決定了試驗(yàn)的精度和可行性?？紤]管道中的溫度分布和實(shí)際安裝條件的限制，蝸殼進(jìn)口和尾水出口探針在流道內(nèi)側(cè)安裝。采樣探針取水口必須正對(duì)來流方向，與水流方向平行。具體探針安裝位置和測(cè)孔位置如圖2、3、4所示。

圖2 溫度探針示意圖

圖3 蝸殼進(jìn)口探針安裝位置圖

圖4 尾水管測(cè)孔安裝位置圖

2.3 主要儀器設(shè)備及精度

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和可行性，在儀器設(shè)備的選取上，需要依據(jù)IEC規(guī)程來進(jìn)行選擇。表2為筆者所做實(shí)驗(yàn)中采用的主要儀器設(shè)備及其精度。從表2中可以看出，對(duì)于溫度的測(cè)量所需的精確度是非常高的，這也是保證測(cè)量準(zhǔn)確性的最關(guān)鍵因素。

表2 主要儀器精度表

3 數(shù)據(jù)處理方法

通過試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，帶入到熱力學(xué)法測(cè)量效率的原理公式中，即可得到水力機(jī)組的效率和水頭等水力特性，具體數(shù)據(jù)處理方法如下。

3.1 工作水頭確定

水輪機(jī)工作水頭采用差壓傳感器通過測(cè)量蝸殼進(jìn)口和尾水出口斷面壓差確定，參見式(5)：

(5)

3.2 考慮溫度和熱交換的數(shù)據(jù)修正

由于在蝸殼進(jìn)口處的溫度測(cè)量采用的是間接法，將水先引入到測(cè)量容器中來測(cè)量溫度，因此需要考慮在引入和測(cè)量過程中的溫度變化和熱交換來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，即通過修正式(2)中的δEm來實(shí)現(xiàn)，此部分修正包括以下3部分。

3.2.1 溫度變化修正

在每個(gè)測(cè)程中的溫度變化應(yīng)該小于0.005 K/min，根據(jù)實(shí)際的溫度變化規(guī)律(Δθ/Δt)進(jìn)行修正。

(6)

式中:t為水流通過兩側(cè)斷面之間需要的時(shí)間,s;ta為水流從高壓側(cè)流到測(cè)量容器內(nèi)所需的時(shí)間,s;tb為水流從低壓側(cè)流到容器內(nèi)所需要的時(shí)間,s。

3.2.2 通過邊壁的熱交換修正

因?yàn)橥ㄟ^混凝土和石壁的熱交換可以忽略不計(jì)，所以只考慮通過金屬壁的熱交換。對(duì)于與干燥空氣的熱交換情況，采用式(7)修正：

(7)

式中:P(a-w)為功率熱交換系數(shù);根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可考慮等于10 W/(m2·K);A為熱交換表面積,m2;θa為環(huán)境溫度,K;θw為水輪機(jī)中的水溫,K。

同時(shí)，還需考慮周圍空氣中含有的水分在機(jī)器表面上凝結(jié)可能產(chǎn)生的影響。假若有明顯的凝結(jié)，則熱交換的增加量(不超過400%)應(yīng)根據(jù)空氣的溫度計(jì)算，或者用屏蔽套將金屬表面很好地絕熱以有效地減少凝結(jié)。

3.2.3 與空氣的直接熱交換修正

由于在水輪機(jī)試驗(yàn)中一般會(huì)進(jìn)行補(bǔ)氣試驗(yàn)，考慮補(bǔ)氣對(duì)溫度的影響，修正如下，

(8)

式中:ρa(bǔ)為空氣的密度,kg/m3;Qa為空氣的流量,m3/s;cpa為空氣的恒壓比熱容,[J/(kg·k)];θa為補(bǔ)入空氣的溫度,K;θ20為所測(cè)斷面水溫,K;Kw為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的汽化潛熱,J/kg;αa為補(bǔ)入空氣點(diǎn)的水蒸汽和空氣質(zhì)量的比值；α20為所測(cè)斷面處的水蒸汽和空氣質(zhì)量的比值。

通過上述3部分的修正，將式(6)、(7)、(8)中的δEm1、δEm2、δEm3之和帶入式(2)中，即可得到修正后的單位機(jī)械能。

4 結(jié) 語

熱力學(xué)法利用熱力學(xué)第一定律作為基本原理，在試驗(yàn)系統(tǒng)的布置上也較為簡(jiǎn)單可行，數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)便，精確度較高。通過上述試驗(yàn)原理和方法的介紹，展示了熱力學(xué)法在水力機(jī)械效率試驗(yàn)中的具體應(yīng)用，此方法已經(jīng)在國外有較廣泛的應(yīng)用，在中國尚應(yīng)用較少。根據(jù)我們上面的分析，熱力學(xué)法用來測(cè)量水力效率，是有效可行的。因此可在水輪機(jī)的效率試驗(yàn)中加以利用。

[1] IEC60041-1991,測(cè)定水輪機(jī)、蓄水泵和水泵滑輪機(jī)水力性能的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)[S].1991.

[2] 鄭清順.熱力學(xué)法測(cè)水機(jī)效率的實(shí)踐[J].云南水力發(fā)電,1994,(4)：75-78.

[3] 林秀資.熱力學(xué)法真機(jī)效率測(cè)定[J].東方電機(jī),1994,(2)：99-104.

[4] 游光華,周喜軍.天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)熱力學(xué)效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J].華東電力,2005,33(12)：40-43.

[5] 董鴻魁,舒榮.水輪機(jī)熱力學(xué)法效率試驗(yàn)中的若干問題的探討[J].云南電力技術(shù),2003,31(2)：17-19.

Test Method of Turbine Efficiency Based on Thermodynamic Method

LIU Zhen-hua

(China National Machinery Industry Corporation, Beijing 100080,China)

Selection of unit efficiency test modes is with variety. In reversible unit, the thermodynamic method is applied to indirectly measure its efficiency as the operation conditions are various, the flow regime is complicated relatively and it is difficult to measure discharge. Through introduction of the thermodynamic test principle, test method and data processing mode in the paper, it states that this test method is with expected operation and higher precision, and can be developed in practice.

thermodynamic method; turbine efficiency; test

2014-10-01

劉振華(1982- ),男,湖南省株洲市人,工程師,從事水利水電工程建設(shè)管理工作.

TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.020