張林 喬中均 馬繼生

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

關(guān)鍵詞：沖擊式水輪機(jī);熱力學(xué)法;水輪機(jī)效率

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chǎng)測(cè)水輪機(jī)效率在國(guó)內(nèi)高水頭電站中應(yīng)用不夠廣泛，僅在幾個(gè)大型水泵水輪機(jī)組上進(jìn)行了應(yīng)用，在沖擊式水輪機(jī)組上的相關(guān)試驗(yàn)和研究還很少，與國(guó)外相比，該方面的經(jīng)驗(yàn)較少。本文的目的是通過國(guó)外某大容量高水頭沖擊式水輪機(jī)的熱力學(xué)法測(cè)效率試驗(yàn)對(duì)熱力學(xué)法測(cè)效率的方法和過程進(jìn)行全面分析，尤其是對(duì)該電站中尾水洞設(shè)冷卻器對(duì)效率測(cè)量帶來的影響進(jìn)行分析，從而為今后國(guó)內(nèi)沖擊式水輪機(jī)采用熱力學(xué)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)效率提供經(jīng)驗(yàn)，也為今后高水頭混流式水輪機(jī)采用熱力學(xué)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)效率提供參考。

1 熱力學(xué)法測(cè)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(gè)定律為出發(fā)點(diǎn)。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(dòng)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(wú)規(guī)則性的一個(gè)狀態(tài)變量。

對(duì)于沖擊式水輪機(jī)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(diǎn)是不需要測(cè)量水輪機(jī)流量，在《水輪機(jī)、蓄能泵、水泵水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(yàn)條件非常有利，可以適當(dāng)擴(kuò)展到低水頭范圍。

1.2 原理

水輪機(jī)的效率公式為：

（1）

其中，[P]為水輪機(jī)出力;[Ph]為水流出力。

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

（2）

式中，[PmPh]項(xiàng)為水力效率的求法，水力效率為：

（3）

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

在這里要特別介紹轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能[Em]和水輪機(jī)的水力比能[E]。轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能[Em]為轉(zhuǎn)輪和主軸法蘭傳遞出的機(jī)械功率與質(zhì)量流量的比值，[Em]的表達(dá)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(jìn)口和尾水支洞測(cè)量斷面壓力;[cp]為水的比熱;[θ11]和[θ21]分別為配水環(huán)管進(jìn)口和尾水支洞測(cè)量容器處的水溫;[v11]和[v21]分別為配水環(huán)管進(jìn)口和尾水支洞測(cè)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(jìn)口和尾水支洞測(cè)量容器處的高程。沖擊式水輪機(jī)的水力比能[E]為水輪機(jī)高壓側(cè)（配水環(huán)管進(jìn)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(dá)式[2]，即

（5）

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

（6）

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

2 測(cè)量方法

2.1 電站基本參數(shù)

以國(guó)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(kù)、壓力管道和地下廠房等。地下廠房?jī)?nèi)安裝8臺(tái)單機(jī)容量為184.50MW立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)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(tái)1 200kW水斗式水輪發(fā)電機(jī)組，作為備用電源，具備“黑啟動(dòng)”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(diǎn)和合同的相關(guān)規(guī)定，擬采用熱力學(xué)法對(duì)前4臺(tái)機(jī)組中1臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)。

2.2 測(cè)量方法

從1.2部分可知，水輪機(jī)的效率表達(dá)公式為：

（8）

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

2.2.1 水輪機(jī)水力比能[E]。水力比能的測(cè)量主要是配水環(huán)管進(jìn)口壓力和配水環(huán)管中流速的測(cè)量。本電站在配水環(huán)管進(jìn)口處設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，平均分布于進(jìn)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(jí)為16MPa，壓力變送器通過電纜連接至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集單元。配水環(huán)管中的流速測(cè)量相對(duì)復(fù)雜，因本電站中無(wú)測(cè)流量裝置，因此，要想求出配水環(huán)管中的流速，必須先計(jì)算出配水環(huán)管在測(cè)量工況下的流量。根據(jù)轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能的定義可計(jì)算出流量[見式（9）]，再結(jié)合配水環(huán)管進(jìn)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(jī)械能[Em]。轉(zhuǎn)輪單位機(jī)械能的測(cè)量主要通過布置于高低壓側(cè)測(cè)量斷面處的膨脹容器進(jìn)行。本電站在配水環(huán)管進(jìn)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(jì)和溫度傳感器，分別得到高低壓測(cè)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(jī)械能。高低壓側(cè)測(cè)量斷面見圖2。

3 測(cè)量裝置布置

熱力學(xué)法對(duì)測(cè)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本電站測(cè)量斷面分為上游側(cè)測(cè)量斷面和下游側(cè)測(cè)量斷面。其中，上游側(cè)測(cè)量斷面，即高壓側(cè)測(cè)量斷面，設(shè)于水輪機(jī)配水環(huán)管進(jìn)口處;下游側(cè)測(cè)量斷面通常設(shè)于轉(zhuǎn)輪出口處。因本電站機(jī)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(cè)量斷面需設(shè)在距轉(zhuǎn)輪一定距離的位置，同時(shí)測(cè)量斷面溫度變化的測(cè)量至少應(yīng)在6個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行。

3.1 上游側(cè)測(cè)量斷面

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

3.2 下游側(cè)測(cè)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(tái)機(jī)組設(shè)若干臺(tái)尾水冷卻器，依次布置于尾水支洞中。在初步布置時(shí)，首先考慮了將測(cè)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(jī)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(yùn)行時(shí)，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(cè)量斷面水溫比實(shí)際要高;當(dāng)尾水冷卻器不運(yùn)行時(shí)，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(cè)量斷面水溫比實(shí)際要高，通過熱力學(xué)法測(cè)得的水輪機(jī)效率勢(shì)必會(huì)偏低。對(duì)此，在進(jìn)行熱力學(xué)法測(cè)效率試驗(yàn)時(shí)，尾水冷卻器必須不運(yùn)行或者切換到其他機(jī)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(jìn)行不確定性修正。鑒于將測(cè)量斷面布置與尾水冷卻器后對(duì)效率測(cè)量的影響，決定將測(cè)量斷面布置于尾水冷卻器之前，且距離機(jī)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(cè)量裝置。下游側(cè)的測(cè)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(xiàng)包括3個(gè)能量修正項(xiàng)，且這些能量修正項(xiàng)可能還包括額外的一些能量傳遞項(xiàng)，總和不應(yīng)超過2%。3個(gè)能量修正項(xiàng)主要包括溫度變化、外部熱交換和特殊熱交換。溫度波動(dòng)影響測(cè)量精度，水流經(jīng)過機(jī)組存在一個(gè)時(shí)間延遲，同樣在取水點(diǎn)和測(cè)量?jī)x器之間也存在一個(gè)時(shí)間延遲，全部的時(shí)間延遲可以通過計(jì)算得出。對(duì)于溫度的線性瞬間信號(hào)，可以通過與流速和斷面面積有關(guān)的流量計(jì)算得出。外部熱交換主要需要考慮通過機(jī)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(jìn)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(jī)熱力學(xué)法測(cè)效率試驗(yàn)雖然存在一些特殊工況，但因其避免測(cè)量流量所帶來的困難以及測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在國(guó)外廣泛被應(yīng)用，這對(duì)國(guó)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。

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