刘振华

(中国机械工业集团有限公司,北京 100080)

文章编号：1006—2610(2015)03—0071—03

基于热力学法的水轮机效率试验方法

刘振华

(中国机械工业集团有限公司,北京 100080)

水力机组效率试验方式选择具有多样性，在可逆机组中，由于工况多，流态相对复杂，测量机组流量难度大，因此可采用热力学法间接测量效率。文章通过对热力学试验原理、试验方法、数据处理方式的介绍，说明该试验方法具有较好的操作性及较高的精度，可在实际应用中推广。

热力学法;水轮机效率;试验

0 前 言

效率试验是评价水轮机性能指标的重要试验，具有重要的意义，基本上可以评价一个水力模型的水力性能的优劣。而现阶段，效率试验的方法有很多种，常见的有流速仪法、水锤法、示踪法、相对法等，这些方法各有各的特点，其中流速仪法是相对来说较为原始的方法，比较简单但精度比较差，并不是特别理想；水锤法适用于水头中等偏高的电站，并且只能在特定的管道系统条件下才能使用；示踪法是较为精确的方法，但是试验方法比较复杂，所需费用也比较高，并不能真正在工业上加以利用；现阶段用的较为广泛的为相对法，这种方法比较容易实现，但是精度还有待于改进；而利用热力学法对水轮机机组进行效率试验，早已经得到国际电工委员会(IEC)的认可，只是在中国尚缺乏实践经验，本文着重探讨这种方法在效率试验中的具体方法[1]。

热力学法的最大特点是要求电厂的水头不得低于150 m，且机组水头越高，测量的精度也越高。随着水头不断增高，热力学法测量效率的优势更加明显[2]。而水力机组的另一个发展趋势是可逆机组的应用，可逆机组工况较多，流态相对复杂，测量机组的流量难度也较大，热力学法这种不需要直接测量流量的方法在精度和可操作性上都是最佳选择[3]。

1 试验原理

热力学法是将能量守恒原理(热力学第一定律)应用在转轮与流经转轮的水流之间能量转换的一种方法。水轮机单位机械能可以通过性能参数(压力、温度、流速和高程)和水的热力学参数进行确定[4]。采用热力学法测量水轮机效率，根据IEC60041[1]第2.3.6.2中水力比能的定义，不需要直接测量水轮机流量[5]。

水力效率的定义为：

(1)

式中:Pm为水轮机转轮机械功率，W;Ph为水轮机水力功率,W;Em为水轮机转轮单位机械能,J;E为水轮机单位水能,J。而采用热力学法可以直接测量式(1)中的转轮单位机械能Em。

在本文涉及的试验方案中，蜗壳进口采用间接法进行测量，需要将水先引至膨胀水箱来测量单位，此时水轮机单位机械能为：

(2)

水轮机的整体效率包括机械效率和水力效率，最终效率的表达公式为：

(3)

水轮机单位水能E也可以通过测量得出，单位水能由进口、出口断面水流在理想情况下的压力、流速和高程等参数决定：

(4)

根据式(2)、(3)、(4)，再根据测量的上下游温度、压力、速度等参数，即可最终确定水力机械的整体效率。

2 试验方法

2.1 测量系统

利用热力学法的试验原理，本文对某较高水头水轮机进行效率试验，此水轮机具体参数见表1。

表1 水轮机基本参数表

为了测量所需的物理参数，构建了测量系统如图1所示。

图1 测量系统图

从图1中可以看出，整个测量系统分为2个部分，分别测量“1”中蜗壳进口单位水能和“2”中尾水管出口的单位水能。其中蜗壳进口测量比较困难，并不能直接从主流中直接测量，因此采用专门设计带有测孔的容器来间接测量温度和压力。具体方法采用全水头探针抽取(0.1～0.5)×10-3m3/s的水样，去除水样后，通过一个绝热导管导入测量容器，以保证和外界热交换不超过文献[1]第14.6.3中要求的范围，而由于肯定存在热交换，在后期数据处理过程中，需要对外界的热交换进行修正。

对于尾水管出口单位水能则可以采取直接法进行测量，如图1中“2”部分。在测量过程中，将测量支架固定在尾水测量断面，通过两侧钢索限位进行上下移动3次，从而在不同断面测量单位水能。在每层断面测量时，持续时间不少于3 min。效率计算时，采用3个层面参数值的均值。由于测量支架可以移动，故在电站混凝土浇筑时，尾水出口断面位置中心上方，尾水检修闸门内侧留出直径50 mm通孔，该孔垂直向上引至尾水平台。

试验方法确定后，依次利用压力传感器测量蜗壳进口与尾水管的压力差；利用温度探针测量水箱的温度；利用流量计测量取样探针内水的流量从而得到水箱内的平均流速；并考虑水箱实际高程和修正项，来计算真实的水力效率。

2.2 探针安装方法

在本实验中，最重要的测量参数就是温度的测量，而测量温度需要在流道中布置探针，探针的安装方法决定了试验的精度和可行性。考虑管道中的温度分布和实际安装条件的限制，蜗壳进口和尾水出口探针在流道内侧安装。采样探针取水口必须正对来流方向，与水流方向平行。具体探针安装位置和测孔位置如图2、3、4所示。

图2 温度探针示意图

图3 蜗壳进口探针安装位置图

图4 尾水管测孔安装位置图

2.3 主要仪器设备及精度

为了保证测量的准确性和可行性，在仪器设备的选取上，需要依据IEC规程来进行选择。表2为笔者所做实验中采用的主要仪器设备及其精度。从表2中可以看出，对于温度的测量所需的精确度是非常高的，这也是保证测量准确性的最关键因素。

表2 主要仪器精度表

3 数据处理方法

通过试验测量得到的数据，带入到热力学法测量效率的原理公式中，即可得到水力机组的效率和水头等水力特性，具体数据处理方法如下。

3.1 工作水头确定

水轮机工作水头采用差压传感器通过测量蜗壳进口和尾水出口断面压差确定，参见式(5)：

(5)

3.2 考虑温度和热交换的数据修正

由于在蜗壳进口处的温度测量采用的是间接法，将水先引入到测量容器中来测量温度，因此需要考虑在引入和测量过程中的温度变化和热交换来对数据进行修正，即通过修正式(2)中的δEm来实现，此部分修正包括以下3部分。

3.2.1 温度变化修正

在每个测程中的温度变化应该小于0.005 K/min，根据实际的温度变化规律(Δθ/Δt)进行修正。

(6)

式中:t为水流通过两侧断面之间需要的时间,s;ta为水流从高压侧流到测量容器内所需的时间,s;tb为水流从低压侧流到容器内所需要的时间,s。

3.2.2 通过边壁的热交换修正

因为通过混凝土和石壁的热交换可以忽略不计，所以只考虑通过金属壁的热交换。对于与干燥空气的热交换情况，采用式(7)修正：

(7)

式中:P(a-w)为功率热交换系数;根据经验可考虑等于10 W/(m2·K);A为热交换表面积,m2;θa为环境温度,K;θw为水轮机中的水温,K。

同时，还需考虑周围空气中含有的水分在机器表面上凝结可能产生的影响。假若有明显的凝结，则热交换的增加量(不超过400%)应根据空气的温度计算，或者用屏蔽套将金属表面很好地绝热以有效地减少凝结。

3.2.3 与空气的直接热交换修正

由于在水轮机试验中一般会进行补气试验，考虑补气对温度的影响，修正如下，

(8)

式中:ρa为空气的密度,kg/m3;Qa为空气的流量,m3/s;cpa为空气的恒压比热容,[J/(kg·k)];θa为补入空气的温度,K;θ20为所测断面水温,K;Kw为标准大气压下水的汽化潜热,J/kg;αa为补入空气点的水蒸汽和空气质量的比值；α20为所测断面处的水蒸汽和空气质量的比值。

通过上述3部分的修正，将式(6)、(7)、(8)中的δEm1、δEm2、δEm3之和带入式(2)中，即可得到修正后的单位机械能。

4 结 语

热力学法利用热力学第一定律作为基本原理，在试验系统的布置上也较为简单可行，数据处理较为简便，精确度较高。通过上述试验原理和方法的介绍，展示了热力学法在水力机械效率试验中的具体应用，此方法已经在国外有较广泛的应用，在中国尚应用较少。根据我们上面的分析，热力学法用来测量水力效率，是有效可行的。因此可在水轮机的效率试验中加以利用。

[1] IEC60041-1991,测定水轮机、蓄水泵和水泵滑轮机水力性能的现场验收试验[S].1991.

[2] 郑清顺.热力学法测水机效率的实践[J].云南水力发电,1994,(4)：75-78.

[3] 林秀资.热力学法真机效率测定[J].东方电机,1994,(2)：99-104.

[4] 游光华,周喜军.天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机热力学效率现场测试[J].华东电力,2005,33(12)：40-43.

[5] 董鸿魁,舒荣.水轮机热力学法效率试验中的若干问题的探讨[J].云南电力技术,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

刘振华(1982- ),男,湖南省株洲市人,工程师,从事水利水电工程建设管理工作.

TV734.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.020