李金偉，于紀(jì)幸，谷振富

（1.北京中水科工程總公司，北京 100048；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)熱力學(xué)法效率試驗(yàn)

李金偉1，于紀(jì)幸1，谷振富2

（1.北京中水科工程總公司，北京 100048；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

詳細(xì)介紹了張河灣抽水蓄能電站3號(hào)水泵水輪機(jī)熱力學(xué)法效率試驗(yàn)的方法和原理，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。試驗(yàn)結(jié)果表明3號(hào)水泵水輪機(jī)的實(shí)測效率滿足合同要求，本文的試驗(yàn)方法可為其他水電站的水輪機(jī)效率試驗(yàn)提供借鑒和參考。

抽水蓄能電站；水泵水輪機(jī)；熱力學(xué)法；效率試驗(yàn)

1 概述

張河灣抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，共安裝4臺(tái)立軸單極混流可逆式水泵水輪機(jī)組，機(jī)組單機(jī)容量250MW，總裝機(jī)容量為1000 MW。水泵水輪機(jī)由法國ALSTOM公司提供。

水泵水輪機(jī)的主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪名義直徑4.641m；固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉均為20個(gè)；轉(zhuǎn)輪葉片9個(gè)；額定轉(zhuǎn)速333.3r/min；額定水頭305m；最大毛水頭346m；最小毛水頭291m。

按照合同要求，現(xiàn)場效率試驗(yàn)由水泵水輪機(jī)供貨商法國ALSTOM公司安排試驗(yàn)專家現(xiàn)場實(shí)施，北京中水科工程總公司的相關(guān)專家作為業(yè)主代表參與試驗(yàn)全過程，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)督和鑒證。經(jīng)協(xié)商，確定效率試驗(yàn)在3號(hào)機(jī)組上進(jìn)行。

2 熱力學(xué)法的基本原理

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。

由于在機(jī)器基準(zhǔn)斷面測得的數(shù)值缺乏一致性、測量儀器的局限性以及由于測量條件不完善引起的修正項(xiàng)目數(shù)值相對(duì)較高，限制了該方法的使用范圍，故只有當(dāng)水力比能超過1000J/kg（或水頭大于100 m）時(shí)才能使用這種方法。然而在非常有利的條件下，根據(jù)測量精度的分析其范圍也可擴(kuò)大到較低水力比能（水頭），ALSTOM實(shí)驗(yàn)室采用該方法曾在70 m水頭機(jī)組上成功進(jìn)行過試驗(yàn)。對(duì)于張河灣抽水蓄能電站的機(jī)組而言，采用熱力學(xué)法進(jìn)行現(xiàn)場效率試驗(yàn)完全滿足IEC60041-1991規(guī)程的要求。

熱力學(xué)法對(duì)測量儀器、測量條件的要求很高，其最大優(yōu)點(diǎn)是無需測量流量。

2.1 傳統(tǒng)熱力學(xué)法

機(jī)組的高壓側(cè)和低壓側(cè)基準(zhǔn)斷面之間單位質(zhì)量的水具有的比能稱為水力比能，即在理想狀況下單位質(zhì)量的水傳遞給水輪機(jī)主軸或從水泵軸獲得的能量E，其表達(dá)式為：

式中，Pabs1、Pabs2為高、低壓測量截面中心線處的絕對(duì)壓力，Pa；v1、v2為高、低壓測量截面處的水流速度，m/s；z1、z2為高、低壓測量截面處的絕對(duì)高程，m； Hn為水頭，m；為平均密度，kg/m3。

實(shí)際狀況下，單位質(zhì)量的水流經(jīng)機(jī)組傳遞給水輪機(jī)主軸或從水泵軸獲得的能量，稱為轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能Em，其表達(dá)式為：

式中，θ1、θ2為高、低壓測量截面處的熱力學(xué)溫度，K；為平均絕熱系數(shù)，P為平均比熱；δEm為單位機(jī)械能的修正項(xiàng)，J/kg；當(dāng)上、下游測量截面之間無附加流量（如冷卻水）進(jìn)出時(shí)，δEm=0。

水泵水輪機(jī)的效率可由式（3）表示：

其中，ηh為水力效率，ηm為機(jī)械效率。

對(duì)水輪機(jī)：

對(duì)水泵：

式中，P為由水輪機(jī)主軸提供或供給水泵主軸的功率；Pm為通過轉(zhuǎn)輪（葉輪）和主軸的連接法蘭傳遞的機(jī)械功率。

式中，Q為流經(jīng)機(jī)組的體積流量，m3/s。

將式（8）代入式（5），再和式（4）一起代入式（3）得：

通過測量電功率PE，分別考慮發(fā)電電動(dòng)機(jī)損失、發(fā)電電動(dòng)機(jī)和水泵水輪機(jī)的機(jī)械損失后可得到P、Pm。算出Em后，根據(jù)式（8）可得到Q，再由式（9）即可求出機(jī)組效率。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于在主流中直接測量有一定困難，Em是通過測量與機(jī)組進(jìn)出口測量截面相連的測量容器處的參數(shù)而獲得的。此時(shí)Em的實(shí)際表達(dá)式為：

式中，Pabs11、Pabs21為高、低壓測量容器處的絕對(duì)壓力，Pa；θ11、θ21為高、低壓測量容器處的熱力學(xué)溫度，K；v11、v21為高、低壓側(cè)量容器處的水流速度，m/s；z11、z21為高、低壓側(cè)量容器處的絕對(duì)高程，m。

2.2 改進(jìn)的熱力學(xué)法

本次試驗(yàn)在單位機(jī)械能的測量上，進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。機(jī)組進(jìn)口單位機(jī)械能Em1的測量，仍然采用間接法，通過取樣探針，將主流中的水樣導(dǎo)入測量容器，測量容器內(nèi)水的單位機(jī)械能，即為Em1。而對(duì)于出口單位機(jī)械能Em2的測量，則直接在尾水管內(nèi)用溫度計(jì)直接測量。為此，必須解決兩個(gè)問題：①為了經(jīng)受主水流的沖擊而不損壞,必須對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行加固支撐；②解決傳感器電纜的密封絕緣問題。因此，在尾水管內(nèi)低壓測量斷面處，沿管壁周向平均分布，焊接了6個(gè)專用支架，用以安裝溫度計(jì)。溫度計(jì)接出的電纜由沿管壁焊接的保護(hù)套管穿出，匯成一束后引出尾水管。在與溫度計(jì)連接處及引出尾水管處均采用了密封。

相應(yīng)Em2的計(jì)算公式將發(fā)生變化。

式中，P∞、T∞、v∞分別為尾水管低壓測量截面處的壓力、溫度、流速；PT、TT、vT分別為溫度計(jì)處的壓力、溫度、流速。

假定水流過保護(hù)管時(shí)無能量交換，因此，Em2= EmT。

在每個(gè)支撐保護(hù)管上，水流的進(jìn)、出口相當(dāng)于兩個(gè)節(jié)流孔，由此產(chǎn)生的壓力損失可由式（13）、（14）表示。

式中，λ1、λ2為系數(shù)，vorifice為節(jié)流孔處的流速。

根據(jù)伯努利方程，同時(shí)考慮水在保護(hù)管內(nèi)、外的流動(dòng)狀態(tài)，可得到：

上、下游節(jié)流孔的機(jī)械尺寸完全相同，因此，λ1=λ2，ΔPupstream=ΔPdownstream=ΔP，則式（15）、（16）相加后得到：

將ΔP代入式（16）并整理后得到：

將PT代入EmT的表達(dá)式（12）并整理后得到：

因此，機(jī)組的單位機(jī)械能可以寫成：

式中，Pabs2（P∞）、θ2（TT）直接由壓力、溫度傳感器測量，但v2（v∞）無法測得，因此Em也無法直接求出。

v2（v∞）=Q/S2（S2為尾水管內(nèi)測量斷面處面積），當(dāng)我們假設(shè)一個(gè)初始流量Q0后，即可得到Em0，根據(jù)式（8）又可求得一個(gè)新的流量Q1，再代入式（20）求得新的Em1，如此循環(huán)迭代，直至Q達(dá)到要求的收斂度，即為最終的流量。由Q求出進(jìn)口流速，再根據(jù)式（1）求出E，最后由式（9）算出機(jī)組效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水輪機(jī)模式

水輪機(jī)模式下，選擇凈水頭保證值325m附近的12個(gè)負(fù)荷工況（127MW~257MW）進(jìn)行測試。每個(gè)負(fù)荷工況下采集2次數(shù)據(jù)，第二次數(shù)據(jù)采用在負(fù)荷數(shù)后加2進(jìn)行標(biāo)示（如127MW2），采集前機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行約5min。12個(gè)負(fù)荷工況下的試驗(yàn)結(jié)果見表1，水輪機(jī)模式下的加權(quán)平均效率如表2。由表1可以看出：測試工況的凈水頭與凈水頭保證值之間的相對(duì)值均在±2%之內(nèi)，根據(jù)IEC60041-1991規(guī)程的要求，水力效率值無需進(jìn)行換算。通過綜合計(jì)算，效率的平均不確定度為±1.01%，因此加權(quán)平均效率為91.26%~93.28%，滿足加權(quán)平均效率的保證值92.79%。

表2 水輪機(jī)模式下加權(quán)平均效率

3.2 水泵模式

水泵模式下，同樣選擇凈水頭保證值325m附近的6個(gè)工況進(jìn)行測試。每個(gè)工況下采集2次數(shù)據(jù)，第二次數(shù)據(jù)采用在工況標(biāo)識(shí)后加2進(jìn)行標(biāo)示（如pump12），采集前機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行約5min。為了與效率保證值進(jìn)行比較，必須考慮現(xiàn)場測試時(shí)的水溫（約10℃）和合同規(guī)定的水溫（20℃），根據(jù) IEC 60193-1999規(guī)程的要求得出的修正值為+0.11%。6個(gè)水泵工況下的試驗(yàn)結(jié)果見表3，流量與凈水頭的關(guān)系曲線見圖1，入力與凈水頭的關(guān)系曲線見圖2。由圖1可以看出水泵的實(shí)測流量均比預(yù)期值大，325m凈水頭下的流量保證值71.12m3/s很容易滿足。流量比預(yù)期的大，機(jī)組的入力自然也比預(yù)期的要大，但沒有超過268MW的最大入力值，滿足合同要求。通過插值計(jì)算，325m凈水頭下的效率實(shí)測值為93.35%，效率的平均不確定度為±1.01%，因此效率區(qū)間為92.34%~94.36%，合同效率保證值93.71%能夠滿足。

圖1 水泵模式下流量與凈水頭的關(guān)系曲線

圖2 水泵模式下入力與凈水頭的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

（1）采用熱力學(xué)法測量水輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)效率時(shí)要嚴(yán)格按照IEC60041-1991規(guī)程的要求布置測點(diǎn)和選用、安裝傳感器，其中溫度計(jì)的精度至少為0.001K。

（2）張河灣抽水蓄能電站3號(hào)水泵水輪機(jī)熱力學(xué)法效率試驗(yàn)滿足IEC60041-1991規(guī)程的要求，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可信，水輪機(jī)和水泵兩種模式下的試驗(yàn)結(jié)果均滿足合同要求。

（3）本次試驗(yàn)采用的改進(jìn)的熱力學(xué)法是正確、可行的，可為其他水電站的水輪機(jī)效率試驗(yàn)提供借鑒和參考。

[1]盧承斌.水泵水輪機(jī)熱力學(xué)法現(xiàn)場效率試驗(yàn)及討論 [J].水力發(fā)電,2005,31（8）:59-60.

[2]游光華,周喜軍,喻鶴之.天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)熱力法效率現(xiàn)場測試 [J].華東電力,2005,33（12）: 40-43.

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TK730.7

B

1672-5387（2017）05-0056-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.014

2016-06-30

李金偉（1981-），男，高級(jí)工程師，從事水輪機(jī)的模型試驗(yàn)、振動(dòng)穩(wěn)定性試驗(yàn)、性能試驗(yàn)和內(nèi)部流場的CFD計(jì)算等研究工作。