张林 乔中均 马继生

摘 要：冲击式水轮机具有工作水头高、压力管道内流速大等特点，因此，流量测量难度较大，而热力学法测量水轮机的效率具有精度高、不需要测量机组流量等优点。目前，国内热力学法测效率试验主要应用于高水头的水泵水轮机上。本文结合国外某大型冲击式水轮机热力学测效率试验的方法、测试装置及流程进行详细介绍和分析，并就其中存在的问题进行了深入探讨。

关键词：冲击式水轮机;热力学法;水轮机效率

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：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，热力学法现场测水轮机效率在国内高水头电站中应用不够广泛，仅在几个大型水泵水轮机组上进行了应用，在冲击式水轮机组上的相关试验和研究还很少，与国外相比，该方面的经验较少。本文的目的是通过国外某大容量高水头冲击式水轮机的热力学法测效率试验对热力学法测效率的方法和过程进行全面分析，尤其是对该电站中尾水洞设冷却器对效率测量带来的影响进行分析，从而为今后国内冲击式水轮机采用热力学法现场测效率提供经验，也为今后高水头混流式水轮机采用热力学法现场测效率提供参考。

1 热力学法测效率的基本原理

1.1 概述

热力学方法是从物质的宏观物理量，例如压力、温度和热量等方面来研究物质性质和变化规律的方法。热力学理论以3个定律为出发点。热力学第一定律阐明内能、热量和功之间的转化关系，是能量守恒定律的另一种表述;热力学第二定律指明与宏观热现象有关的一切过程的不可逆性质，热量只能自动从热物体流到冷物体，而不是相反。熵是热力学中衡量系统状态无规则性的一个状态变量。

对于冲击式水轮机来说，热力学法是将能量守恒原理（热力学第一定律）应用于转轮与流经转轮的水流之间能量转换的一种方法。该方法最主要的特点是不需要测量水轮机流量，在《水轮机、蓄能泵、水泵水轮机现场试验导则》（IEC 60041—1991）中规定该方法适用于水头大于100m的情况，但是如果试验条件非常有利，可以适当扩展到低水头范围。

1.2 原理

水轮机的效率公式为：

（1）

其中，[P]为水轮机出力;[Ph]为水流出力。

在这里引入转轮机械功率[Pm]，即转轮与主轴连接法蘭处传递出的机械功率。该值反映了水轮机的机械损失（轴承等的摩擦损失）。水轮机的效率公式为：

（2）

式中，[PmPh]项为水力效率的求法，水力效率为：

（3）

其中，[Em]为转轮单位机械能;[E]为水轮机的水力比能;[ΔPh]为水流出力的修正项（根据合同规定和电站具体情况进行修正的出力）。

在这里要特别介绍转轮单位机械能[Em]和水轮机的水力比能[E]。转轮单位机械能[Em]为转轮和主轴法兰传递出的机械功率与质量流量的比值，[Em]的表达式[1]为：

（4）

其中，[a]为水的等温系数;[pabs11]和[pabs21]分别为配水环管进口和尾水支洞测量断面压力;[cp]为水的比热;[θ11]和[θ21]分别为配水环管进口和尾水支洞测量容器处的水温;[v11]和[v21]分别为配水环管进口和尾水支洞测量容器处的速度;[g]为当地重力加速度;[z11]和[z21]分别为配水环管进口和尾水支洞测量容器处的高程。冲击式水轮机的水力比能[E]为水轮机高压侧（配水环管进口）和低压侧（转轮中心线）基准面之间的比能差，如图1所示，得到水力比能[E]的表达式[2]，即

（5）

其中，[pabs1]和[pabs2]分别为配水环管进口点1处和转轮中心点2处的绝对压力;[ρ]为水的密度;[v1]和[v2]分别为配水环管进口和转轮中心处水流的速度;[z1]和[z2]如图1所示。对于冲击式水轮机，有

（6）

其中，[pamb]为环境大气压;[p1']为点1处的表计压力，此外，冲击式水轮机的[z1=z2]，[v2=0]。因此，可简化水力比能的计算公式为：

2 测量方法

2.1 电站基本参数

以国外某大型水电站为引水式开发为例，工程主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等。地下厂房内安装8台单机容量为184.50MW立轴冲击式水轮发电机组，电站最大工作水头为616.74m，额定工作水头为604.10m，最小工作水头为594.27m，属于大容量高水头冲击式电站。电站配备1台1 200kW水斗式水轮发电机组，作为备用电源，具备“黑启动”功能。电站以3回500kV电压出线接入电力系统。根据该电站的特点和合同的相关规定，拟采用热力学法对前4台机组中1台进行现场效率试验。

2.2 测量方法

从1.2部分可知，水轮机的效率表达公式为：

（8）

其中，水轮机出力[P]可通过发电机出力和发电机的效率得到;转轮机械功率[Pm]可通过水轮机出力和水轮机水导轴承处的机械损失相加得到[3]。

2.2.1 水轮机水力比能[E]。水力比能的测量主要是配水环管进口压力和配水环管中流速的测量。本电站在配水环管进口处设4个测点，平均分布于进口断面上，并通过管路连接到一根主管上，在主管末端连接压力变送器，压力等级为16MPa，压力变送器通过电缆连接至计算机数据采集单元。配水环管中的流速测量相对复杂，因本电站中无测流量装置，因此，要想求出配水环管中的流速，必须先计算出配水环管在测量工况下的流量。根据转轮单位机械能的定义可计算出流量[见式（9）]，再结合配水环管进口断面的面积求得配水环管中的流速。

（9）

2.2.2 转轮单位机械能[Em]。转轮单位机械能的测量主要通过布置于高低压侧测量断面处的膨胀容器进行。本电站在配水环管进口和尾水支洞断面分别用探针将水通过绝热导管引入膨胀容器中，通过布置于膨胀容器中的高精度压力变送器、微型电磁流量计和温度传感器，分别得到高低压测量断面处的压力、流速和温度，从而依据1.2中的公式求得转轮单位机械能。高低压侧测量断面见图2。

3 測量装置布置

热力学法对测量装置精确度具有严格要求，在上下游断面选取上必须符合相关国际标准。本电站测量断面分为上游侧测量断面和下游侧测量断面。其中，上游侧测量断面，即高压侧测量断面，设于水轮机配水环管进口处;下游侧测量断面通常设于转轮出口处。因本电站机组型式为冲击式，尾水洞属于开敞式断面形式，为保证水流充分混合，低压侧测量断面需设在距转轮一定距离的位置，同时测量断面温度变化的测量至少应在6个点上进行。

3.1 上游侧测量断面

高压侧测量断面的测孔应靠近水轮机，以避免受进水球阀尾流的影响。本电站热力学法测效率上游侧测量断面位于配水环管的进口断面上，设有压力变送器、微型电磁流量计和温度传感器，布置于球阀层，并通过电缆将信号引入水轮机层数据采集中心，从而计算效率。

3.2 下游侧测量断面

本电站技术供水系统采用密闭循环供水系统，循环水泵将循环水池中的水打到尾水冷却器中，通过尾水冷却器将水冷却后送往各用水单元。每台机组设若干台尾水冷却器，依次布置于尾水支洞中。在初步布置时，首先考虑了将测量断面布置于尾水冷却器之后、尾水支洞闸门之前。但根据水轮机厂家提供的资料可以发现，该方案主要存在如下问题：当尾水冷却器运行时，因冷却器本身散热及结构造成的水头损失将导致下游侧测量断面水温比实际要高;当尾水冷却器不运行时，因冷却器本身结构造成的水头损失也将导致下游侧测量断面水温比实际要高，通过热力学法测得的水轮机效率势必会偏低。对此，在进行热力学法测效率试验时，尾水冷却器必须不运行或者切换到其他机组上，而尾水冷却器结构带来的水头损失则需根据冷却器厂家提供的水头损失进行不确定性修正。鉴于将测量断面布置与尾水冷却器后对效率测量的影响，决定将测量断面布置于尾水冷却器之前，且距离机组中心线有一定的距离，这样既可以避免尾水冷却器带来的影响，也方便测量装置。下游侧的测量装置同上游侧类型一致，但参数略有不同。

4 参数修正

修正项包括3个能量修正项，且这些能量修正项可能还包括额外的一些能量传递项，总和不应超过2%。3个能量修正项主要包括温度变化、外部热交换和特殊热交换。温度波动影响测量精度，水流经过机组存在一个时间延迟，同样在取水点和测量仪器之间也存在一个时间延迟，全部的时间延迟可以通过计算得出。对于温度的线性瞬间信号，可以通过与流速和断面面积有关的流量计算得出。外部热交换主要需要考虑通过机组的水流与周围环境的热交换;特殊的热交换通常通过主轴进行，占比一般较小。

5 结论

通过上述分析可知，大型冲击式水轮机热力学法测效率试验虽然存在一些特殊工况，但因其避免测量流量所带来的困难以及测量精度高等特点，在国外广泛被应用，这对国内的一些冲击式电站以及高水头混流式电站是一种好的借鉴方法。

参考文献：

[1]万永华.水力机组测试技术[M].北京：电力工业出版社，1983.

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

[3]董鸿魁.水轮机热力学法效率试验中若干问题的探讨[J].云南电力技术，2003（2）：17-19.