尼泊爾某水電站熱力學法水輪機效率試驗探討

張 奎，周 葉

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都610091；2.中國水利水電科學研究院，北京100038）

0 前言

國際學術上現存有十幾種測定水輪機效率的方法，但歸納起來主要有兩類，即絕對法和相對法，主要區別就在于對水輪機效率計算中最主要參數-流量的測定方式不同，比如流速儀法、畢托管法、壓力時間法、濃度稀釋法、容積法、超聲波法等等屬于絕對法；溫特-肯尼迪法、簡化聲學法、非標準壓差法等屬于相對法。絕對法用于計算和驗證水輪機的真實效率，相對法主要用于比較效率變化，如機組檢修前后，側重于比較前后效率曲線的形狀變化。出于驗證合同保證值的目的一般采用絕對法，相對法作為一種輔助電站長期經濟運行的手段，通常永久布置測量和監測儀器，并與絕對法同時進行，通過絕對法可以標定蝸殼壓差系數K值，從而得到相對效率曲線，并計算出絕對流量和絕對效率。除此之外，熱力學法也是一種水輪機效率試驗常用的方法，是一種基于熱力學第一定律換算流量的方法，普遍用于測量環境受限的電站，其重點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）下熱力學法的應用，但仍未納入標準應用。

每種測量手段對電站布置、流道形態、運行工況、測量精度等都有不同的要求，國內及國際行業內最常用的是熱力學法（誤差±0.8%）、流速儀法（誤差±1.2%）、壓力時間法（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計之初未考慮進行效率試驗，當需要進行該試驗時，發現除了熱力學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的流量測量儀器且壓力鋼管短小、泥沙含量高、流速高，而熱力學法無需進行流量測量且測定誤差同類比較非常小（＜0.8%），適用于本電站，最終在業主的同意下按照此法進行了效率試驗。（備注：超聲波法為IEC附錄檢測方案，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現測量，但仍在大多數國家不被認可，主要是考慮測量儀器本身的誤差較大，可達到1.5%～2%。）尼泊爾上崔樹里3 A水電站水輪機主要參數如表1所示。

表1 尼泊爾上崔樹里3 A水電站水輪機主要參數表

1 熱力學法測量原理

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。簡單來講就是水流經過水輪機流道時，必將產生摩擦、漩渦、脫流等一系列水力損失，這些損失將轉化為熱能，加熱水流，使水流流經水輪機的進出口斷面產生一個溫差，溫差的大小與水輪機結構參數及工作水頭有關。熱力學法正是通過測量該溫差實現對水輪機效率的測定。

2 試驗方法

如圖1所示，我們需在水輪機高壓側和低壓側分別布置測量儀器，用于測量高低壓側的流速、溫度、壓力，通過電纜接入電腦采集端實現實時采集。圖中標注號為“10”的參數代表水輪機高壓側相應物理量，通常高壓側測量比較困難，可以采用間接法引出至采樣水箱測量，標注號為“11”的參數代表采樣水箱內相應物理量，標注號為“20”的參數代表水輪機尾水低壓側相應物理量，基于尾水安裝支架測溫點的測量斷面為Section20。

圖1 高壓側膨脹水箱接入布置圖

2.1 高壓側測量斷面

對于上崔電站機組布置結構，高壓側斷面只能選取在蝶閥后，因為從埋在混凝土中的蝸殼進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供水取水口，影響測量；蝶閥下游距混凝土面僅1.5 m，雖然不滿足IEC要求的盡量避免設在蝶閥尾流處，但試驗機構通過經驗驗證，在大多數電站均采用此種布置的情況下不影響實際結果。根據IEC要求，直徑在2.5 m以下的鋼管僅需要布置1個探針，上崔電站壓力鋼管直徑2.3 m，符合布置1個探針的要求，但為了將探針伸入壓力鋼管過流面，則需要對此處壓力鋼管進行改造，現場在不破壞壓力鋼管（鉆孔）的情況下進行了如圖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記，確保安裝后取水口正對水流方向。

圖2 高壓側膨脹水箱接入布置圖

因此，上崔電站的高壓側儀器布置在了鋼管底部，對此，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，提高測量準確度，在膨脹水箱的外部包裹了一層保溫棉，同時將水箱排水管引入排水溝。

2.2 低壓側測量斷面

（1）根據IEC標準，對于低壓側斷面的選擇和布置，上崔電站遇到的兩個難點如下：

1）一般應用熱力學法測量水輪機效率時水輪機進出口溫差在0～0.2℃之間，溫差很小，均采用精度可達0.001℃的溫度傳感器。但本電站尾水管內布置有一根直徑273 mm的技術供水排水管管口，該排水管排出的水比正常尾水水溫要高2～5℃，一經排出會迅速擴散，嚴重影響低壓側的溫度測量，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算扣減，但總歸會影響測量準確度。

2）測量架的布置，又存在如下兩個問題：

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

②因為需要采樣低壓側水壓，而現階段已不可能重新安裝一套測壓裝置，所以要使用本站已經安裝的尾水管出口壓力測點，并盡量靠近布置，但根據IEC標準，低壓側需要與機組中心保證至少5倍轉輪直徑的距離，本電站轉輪直徑1.83 m，尾水出口測壓點距離機組中心7.5 m，不滿足要求。

（2）根據上崔電站的具體特點，經過現場檢查和討論后，確定改造方案如下：

1）水輪機效率試驗期間，短暫關閉一切排入低壓側斷面的附加流量。試驗前將減壓閥鎖定在設計低壓（電站技術供水設計壓力0.35～0.4 MPa）0.3～0.35 MPa，這是根據運行經驗得出的安全運行壓力，不會影響軸瓦溫度。這樣就可以關閉安全閥排水管；蝸殼和壓力鋼管排水管常規處于常閉狀態，可不用考慮附加流量；對濾水器而言，電站設計為6 h或濾水器前后壓差過大時啟動排污，但2臺機技術供水是互為備用的，因此，可臨時關閉1號機組技術供水（即關閉濾水器排污管），改由2號機組供水，水輪機效率時間一般在1～3 h，可不用考慮1號機組濾水器頻繁啟動問題。

2）因技術供水不能關閉，因此在技術供水排水口處安裝導管，通過焊接1個90°彎頭及5 m直管，將技術供水導向測量斷面之后，即可解決。

3）在尾水管測壓孔與尾水閘門之間布置低壓測量斷面，本電站轉輪直徑1.83 m，5倍直徑距離即9.15 m，尾水閘門處距離機組中心8.9 m，尾水測壓孔距離機組中心7.57 m，因此最終將其布置在距離機組中線8 m處。采用3根Φ89×6厚壁鋼管作為測壓管的固定支架，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，但由于該電站的補氣管設置復雜，從712 m高程尾水管至728 m高程安裝間之間存在至少4個彎頭，穿線器無法穿通，因此在尾水管進人門底部開孔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控設備，在尾水管低壓（0.06 MPa）的現狀下可實現機組安全運行。尾水管內的采集電纜均采用Φ48鋼管穿套保護，鋼管采取首尾連接焊接并與尾水管點焊固定的方式來確保電纜不受水流沖刷損壞。

3 試驗過程

水輪機效率試驗要求在額定水頭133.5 m下進行，考慮超出額定水頭的修正量會嚴重影響測量準確度，按照IEC要求，將實際水頭偏差控制在130.8～136.2 m之間，由于本電站無水庫，僅能通過調整大壩弧門開度從而調整進機流量的方式來進行水頭的調整，即提起弧門，水頭減小，落下弧門，水頭增大。但長達5 km的引水隧洞增大了調整響應時間，每次調整后，約15 min才會反饋至機組。

機組開機至額定轉速后直接帶滿負荷30 MW，檢查水頭應控制在允許區間的下限，然后根據5%發電機出力偏差將其從100%額定出力向下劃分10個區間，每個區間停留2 min，穩定后分別讀取高/低壓側斷面數據進行降負荷試驗，在此過程中水頭會逐漸升高，此時通過降低2號機組的出力來平衡水頭始終在允許區間內。降負荷完成后再按照相同的10個區間進行升負荷試驗并讀數，但升負荷試驗數據僅作為與降負荷數據校驗一致性的備用數據。

整個水輪機效率試驗持續2.5 h，除穩定采集數據時間外，調整和穩定水頭時間約2 h，因此，如何快速調整和穩定水頭是試驗關鍵，在同類無水庫電站中，需提前策劃和準備，通過觀察弧門提起/落下量來確定水頭升降量及相應反應時間。

4 數據分析

（1）高低壓側水流的溫度變化是熱力學法的計算基礎，測量各工況結果見表2。可見溫度變化幅度很小，最高偏差0.143 6℃。

表2 水輪機各出力工況（Pt）下高低壓側水溫變化

（2）根據表2即可計算出水輪機的單位機械能Em，根據發電機同工況下的輸出功率及發電機效率（該電站前期完成，本文不做討論）即可計算出水輪正負機的機械功率Pm，最終可以得到水輪機的流量Q。

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

表3 水輪機各出力工況下效率數據

（4）效率計算的總不確定度由系統誤差和隨機誤差組成，對熱力學法而言，按照IEC60041中40節的要求計算水輪機效率不確定度fη見表4。

表4 水輪機效率不確定度

（5）最終得到的水輪機效率曲線如圖3，圖中可見該水輪機真機的效率曲線均高于設計效率曲線（虛線為正負不確定度fη），滿足合同要求。

圖3 修正后的水輪機效率與水輪機出力關系曲線

5 結語

通過對尼泊爾上崔樹里3A水電站水輪機效率試驗的全過程介紹分析，以及如何通過適當的現場改造來實現與擬采取試驗方案的合規性匹配，為國內、國際上擬進行水輪機效率試驗的工程提供參考和依據。