基于熱力學法的水輪機效率試驗方法

劉振華

(中國機械工業集團有限公司,北京 100080)

文章編號：1006—2610(2015)03—0071—03

基于熱力學法的水輪機效率試驗方法

劉振華

(中國機械工業集團有限公司,北京 100080)

水力機組效率試驗方式選擇具有多樣性，在可逆機組中，由于工況多，流態相對復雜，測量機組流量難度大，因此可采用熱力學法間接測量效率。文章通過對熱力學試驗原理、試驗方法、數據處理方式的介紹，說明該試驗方法具有較好的操作性及較高的精度，可在實際應用中推廣。

熱力學法;水輪機效率;試驗

0 前 言

效率試驗是評價水輪機性能指標的重要試驗，具有重要的意義，基本上可以評價一個水力模型的水力性能的優劣。而現階段，效率試驗的方法有很多種，常見的有流速儀法、水錘法、示蹤法、相對法等，這些方法各有各的特點，其中流速儀法是相對來說較為原始的方法，比較簡單但精度比較差，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條件下才能使用；示蹤法是較為精確的方法，但是試驗方法比較復雜，所需費用也比較高，并不能真正在工業上加以利用；現階段用的較為廣泛的為相對法，這種方法比較容易實現，但是精度還有待于改進；而利用熱力學法對水輪機機組進行效率試驗，早已經得到國際電工委員會(IEC)的認可，只是在中國尚缺乏實踐經驗，本文著重探討這種方法在效率試驗中的具體方法[1]。

熱力學法的最大特點是要求電廠的水頭不得低于150 m，且機組水頭越高，測量的精度也越高。隨著水頭不斷增高，熱力學法測量效率的優勢更加明顯[2]。而水力機組的另一個發展趨勢是可逆機組的應用，可逆機組工況較多，流態相對復雜，測量機組的流量難度也較大，熱力學法這種不需要直接測量流量的方法在精度和可操作性上都是最佳選擇[3]。

1 試驗原理

熱力學法是將能量守恒原理(熱力學第一定律)應用在轉輪與流經轉輪的水流之間能量轉換的一種方法。水輪機單位機械能可以通過性能參數(壓力、溫度、流速和高程)和水的熱力學參數進行確定[4]。采用熱力學法測量水輪機效率，根據IEC60041[1]第2.3.6.2中水力比能的定義，不需要直接測量水輪機流量[5]。

水力效率的定義為：

(1)

式中:Pm為水輪機轉輪機械功率，W;Ph為水輪機水力功率,W;Em為水輪機轉輪單位機械能,J;E為水輪機單位水能,J。而采用熱力學法可以直接測量式(1)中的轉輪單位機械能Em。

在本文涉及的試驗方案中，蝸殼進口采用間接法進行測量，需要將水先引至膨脹水箱來測量單位，此時水輪機單位機械能為：

(2)

水輪機的整體效率包括機械效率和水力效率，最終效率的表達公式為：

(3)

水輪機單位水能E也可以通過測量得出，單位水能由進口、出口斷面水流在理想情況下的壓力、流速和高程等參數決定：

(4)

根據式(2)、(3)、(4)，再根據測量的上下游溫度、壓力、速度等參數，即可最終確定水力機械的整體效率。

2 試驗方法

2.1 測量系統

利用熱力學法的試驗原理，本文對某較高水頭水輪機進行效率試驗，此水輪機具體參數見表1。

表1 水輪機基本參數表

為了測量所需的物理參數，構建了測量系統如圖1所示。

圖1 測量系統圖

從圖1中可以看出，整個測量系統分為2個部分，分別測量“1”中蝸殼進口單位水能和“2”中尾水管出口的單位水能。其中蝸殼進口測量比較困難，并不能直接從主流中直接測量，因此采用專門設計帶有測孔的容器來間接測量溫度和壓力。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，通過一個絕熱導管導入測量容器，以保證和外界熱交換不超過文獻[1]第14.6.3中要求的范圍，而由于肯定存在熱交換，在后期數據處理過程中，需要對外界的熱交換進行修正。

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

試驗方法確定后，依次利用壓力傳感器測量蝸殼進口與尾水管的壓力差；利用溫度探針測量水箱的溫度；利用流量計測量取樣探針內水的流量從而得到水箱內的平均流速；并考慮水箱實際高程和修正項，來計算真實的水力效率。

2.2 探針安裝方法

在本實驗中，最重要的測量參數就是溫度的測量，而測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的精度和可行性?？紤]管道中的溫度分布和實際安裝條件的限制，蝸殼進口和尾水出口探針在流道內側安裝。采樣探針取水口必須正對來流方向，與水流方向平行。具體探針安裝位置和測孔位置如圖2、3、4所示。

圖2 溫度探針示意圖

圖3 蝸殼進口探針安裝位置圖

圖4 尾水管測孔安裝位置圖

2.3 主要儀器設備及精度

為了保證測量的準確性和可行性，在儀器設備的選取上，需要依據IEC規程來進行選擇。表2為筆者所做實驗中采用的主要儀器設備及其精度。從表2中可以看出，對于溫度的測量所需的精確度是非常高的，這也是保證測量準確性的最關鍵因素。

表2 主要儀器精度表

3 數據處理方法

通過試驗測量得到的數據，帶入到熱力學法測量效率的原理公式中，即可得到水力機組的效率和水頭等水力特性，具體數據處理方法如下。

3.1 工作水頭確定

水輪機工作水頭采用差壓傳感器通過測量蝸殼進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據修正

由于在蝸殼進口處的溫度測量采用的是間接法，將水先引入到測量容器中來測量溫度，因此需要考慮在引入和測量過程中的溫度變化和熱交換來對數據進行修正，即通過修正式(2)中的δEm來實現，此部分修正包括以下3部分。

3.2.1 溫度變化修正

在每個測程中的溫度變化應該小于0.005 K/min，根據實際的溫度變化規律(Δθ/Δt)進行修正。

(6)

式中:t為水流通過兩側斷面之間需要的時間,s;ta為水流從高壓側流到測量容器內所需的時間,s;tb為水流從低壓側流到容器內所需要的時間,s。

3.2.2 通過邊壁的熱交換修正

因為通過混凝土和石壁的熱交換可以忽略不計，所以只考慮通過金屬壁的熱交換。對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;根據經驗可考慮等于10 W/(m2·K);A為熱交換表面積,m2;θa為環境溫度,K;θw為水輪機中的水溫,K。

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

3.2.3 與空氣的直接熱交換修正

由于在水輪機試驗中一般會進行補氣試驗，考慮補氣對溫度的影響，修正如下，

(8)

式中:ρa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為補入空氣的溫度,K;θ20為所測斷面水溫,K;Kw為標準大氣壓下水的汽化潛熱,J/kg;αa為補入空氣點的水蒸汽和空氣質量的比值；α20為所測斷面處的水蒸汽和空氣質量的比值。

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械能。

4 結 語

熱力學法利用熱力學第一定律作為基本原理，在試驗系統的布置上也較為簡單可行，數據處理較為簡便，精確度較高。通過上述試驗原理和方法的介紹，展示了熱力學法在水力機械效率試驗中的具體應用，此方法已經在國外有較廣泛的應用，在中國尚應用較少。根據我們上面的分析，熱力學法用來測量水力效率，是有效可行的。因此可在水輪機的效率試驗中加以利用。

[1] IEC60041-1991,測定水輪機、蓄水泵和水泵滑輪機水力性能的現場驗收試驗[S].1991.

[2] 鄭清順.熱力學法測水機效率的實踐[J].云南水力發電,1994,(4)：75-78.

[3] 林秀資.熱力學法真機效率測定[J].東方電機,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熱力學效率現場測試[J].華東電力,2005,33(12)：40-43.

[5] 董鴻魁,舒榮.水輪機熱力學法效率試驗中的若干問題的探討[J].云南電力技術,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管理工作.

TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.020