張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機熱力學法效率試驗

李金偉，于紀幸，谷振富

（1.北京中水科工程總公司，北京 100048；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

張河灣抽水蓄能電站水泵水輪機熱力學法效率試驗

李金偉1，于紀幸1，谷振富2

（1.北京中水科工程總公司，北京 100048；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

詳細介紹了張河灣抽水蓄能電站3號水泵水輪機熱力學法效率試驗的方法和原理，并對試驗結果進行了分析和討論。試驗結果表明3號水泵水輪機的實測效率滿足合同要求，本文的試驗方法可為其他水電站的水輪機效率試驗提供借鑒和參考。

抽水蓄能電站；水泵水輪機；熱力學法；效率試驗

1 概述

張河灣抽水蓄能電站是一座日調節純抽水蓄能電站，共安裝4臺立軸單極混流可逆式水泵水輪機組，機組單機容量250MW，總裝機容量為1000 MW。水泵水輪機由法國ALSTOM公司提供。

水泵水輪機的主要參數如下：轉輪名義直徑4.641m；固定導葉和活動導葉均為20個；轉輪葉片9個；額定轉速333.3r/min；額定水頭305m；最大毛水頭346m；最小毛水頭291m。

按照合同要求，現場效率試驗由水泵水輪機供貨商法國ALSTOM公司安排試驗專家現場實施，北京中水科工程總公司的相關專家作為業主代表參與試驗全過程，對試驗進行監督和鑒證。經協商，確定效率試驗在3號機組上進行。

2 熱力學法的基本原理

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。

由于在機器基準斷面測得的數值缺乏一致性、測量儀器的局限性以及由于測量條件不完善引起的修正項目數值相對較高，限制了該方法的使用范圍，故只有當水力比能超過1000J/kg（或水頭大于100 m）時才能使用這種方法。然而在非常有利的條件下，根據測量精度的分析其范圍也可擴大到較低水力比能（水頭），ALSTOM實驗室采用該方法曾在70 m水頭機組上成功進行過試驗。對于張河灣抽水蓄能電站的機組而言，采用熱力學法進行現場效率試驗完全滿足IEC60041-1991規程的要求。

熱力學法對測量儀器、測量條件的要求很高，其最大優點是無需測量流量。

2.1 傳統熱力學法

機組的高壓側和低壓側基準斷面之間單位質量的水具有的比能稱為水力比能，即在理想狀況下單位質量的水傳遞給水輪機主軸或從水泵軸獲得的能量E，其表達式為：

式中，Pabs1、Pabs2為高、低壓測量截面中心線處的絕對壓力，Pa；v1、v2為高、低壓測量截面處的水流速度，m/s；z1、z2為高、低壓測量截面處的絕對高程，m； Hn為水頭，m；為平均密度，kg/m3。

實際狀況下，單位質量的水流經機組傳遞給水輪機主軸或從水泵軸獲得的能量，稱為轉輪單位機械能Em，其表達式為：

式中，θ1、θ2為高、低壓測量截面處的熱力學溫度，K；為平均絕熱系數，P為平均比熱；δEm為單位機械能的修正項，J/kg；當上、下游測量截面之間無附加流量（如冷卻水）進出時，δEm=0。

水泵水輪機的效率可由式（3）表示：

其中，ηh為水力效率，ηm為機械效率。

對水輪機：

對水泵：

式中，P為由水輪機主軸提供或供給水泵主軸的功率；Pm為通過轉輪（葉輪）和主軸的連接法蘭傳遞的機械功率。

式中，Q為流經機組的體積流量，m3/s。

將式（8）代入式（5），再和式（4）一起代入式（3）得：

通過測量電功率PE，分別考慮發電電動機損失、發電電動機和水泵水輪機的機械損失后可得到P、Pm。算出Em后，根據式（8）可得到Q，再由式（9）即可求出機組效率。

實際應用時，由于在主流中直接測量有一定困難，Em是通過測量與機組進出口測量截面相連的測量容器處的參數而獲得的。此時Em的實際表達式為：

式中，Pabs11、Pabs21為高、低壓測量容器處的絕對壓力，Pa；θ11、θ21為高、低壓測量容器處的熱力學溫度，K；v11、v21為高、低壓側量容器處的水流速度，m/s；z11、z21為高、低壓側量容器處的絕對高程，m。

2.2 改進的熱力學法

本次試驗在單位機械能的測量上，進行了適當改進。機組進口單位機械能Em1的測量，仍然采用間接法，通過取樣探針，將主流中的水樣導入測量容器，測量容器內水的單位機械能，即為Em1。而對于出口單位機械能Em2的測量，則直接在尾水管內用溫度計直接測量。為此，必須解決兩個問題：①為了經受主水流的沖擊而不損壞,必須對溫度計進行加固支撐；②解決傳感器電纜的密封絕緣問題。因此，在尾水管內低壓測量斷面處，沿管壁周向平均分布，焊接了6個專用支架，用以安裝溫度計。溫度計接出的電纜由沿管壁焊接的保護套管穿出，匯成一束后引出尾水管。在與溫度計連接處及引出尾水管處均采用了密封。

相應Em2的計算公式將發生變化。

式中，P∞、T∞、v∞分別為尾水管低壓測量截面處的壓力、溫度、流速；PT、TT、vT分別為溫度計處的壓力、溫度、流速。

假定水流過保護管時無能量交換，因此，Em2= EmT。

在每個支撐保護管上，水流的進、出口相當于兩個節流孔，由此產生的壓力損失可由式（13）、（14）表示。

式中，λ1、λ2為系數，vorifice為節流孔處的流速。

根據伯努利方程，同時考慮水在保護管內、外的流動狀態，可得到：

上、下游節流孔的機械尺寸完全相同，因此，λ1=λ2，ΔPupstream=ΔPdownstream=ΔP，則式（15）、（16）相加后得到：

將ΔP代入式（16）并整理后得到：

將PT代入EmT的表達式（12）并整理后得到：

因此，機組的單位機械能可以寫成：

式中，Pabs2（P∞）、θ2（TT）直接由壓力、溫度傳感器測量，但v2（v∞）無法測得，因此Em也無法直接求出。

v2（v∞）=Q/S2（S2為尾水管內測量斷面處面積），當我們假設一個初始流量Q0后，即可得到Em0，根據式（8）又可求得一個新的流量Q1，再代入式（20）求得新的Em1，如此循環迭代，直至Q達到要求的收斂度，即為最終的流量。由Q求出進口流速，再根據式（1）求出E，最后由式（9）算出機組效率。

3 試驗結果分析

3.1 水輪機模式

水輪機模式下，選擇凈水頭保證值325m附近的12個負荷工況（127MW~257MW）進行測試。每個負荷工況下采集2次數據，第二次數據采用在負荷數后加2進行標示（如127MW2），采集前機組穩定運行約5min。12個負荷工況下的試驗結果見表1，水輪機模式下的加權平均效率如表2。由表1可以看出：測試工況的凈水頭與凈水頭保證值之間的相對值均在±2%之內，根據IEC60041-1991規程的要求，水力效率值無需進行換算。通過綜合計算，效率的平均不確定度為±1.01%，因此加權平均效率為91.26%~93.28%，滿足加權平均效率的保證值92.79%。

表2 水輪機模式下加權平均效率

3.2 水泵模式

水泵模式下，同樣選擇凈水頭保證值325m附近的6個工況進行測試。每個工況下采集2次數據，第二次數據采用在工況標識后加2進行標示（如pump12），采集前機組穩定運行約5min。為了與效率保證值進行比較，必須考慮現場測試時的水溫（約10℃）和合同規定的水溫（20℃），根據 IEC 60193-1999規程的要求得出的修正值為+0.11%。6個水泵工況下的試驗結果見表3，流量與凈水頭的關系曲線見圖1，入力與凈水頭的關系曲線見圖2。由圖1可以看出水泵的實測流量均比預期值大，325m凈水頭下的流量保證值71.12m3/s很容易滿足。流量比預期的大，機組的入力自然也比預期的要大，但沒有超過268MW的最大入力值，滿足合同要求。通過插值計算，325m凈水頭下的效率實測值為93.35%，效率的平均不確定度為±1.01%，因此效率區間為92.34%~94.36%，合同效率保證值93.71%能夠滿足。

圖1 水泵模式下流量與凈水頭的關系曲線

圖2 水泵模式下入力與凈水頭的關系曲線

4 結語

（1）采用熱力學法測量水輪發電機組的絕對效率時要嚴格按照IEC60041-1991規程的要求布置測點和選用、安裝傳感器，其中溫度計的精度至少為0.001K。

（2）張河灣抽水蓄能電站3號水泵水輪機熱力學法效率試驗滿足IEC60041-1991規程的要求，試驗結果準確、可信，水輪機和水泵兩種模式下的試驗結果均滿足合同要求。

（3）本次試驗采用的改進的熱力學法是正確、可行的，可為其他水電站的水輪機效率試驗提供借鑒和參考。

[1]盧承斌.水泵水輪機熱力學法現場效率試驗及討論 [J].水力發電,2005,31（8）:59-60.

[2]游光華,周喜軍,喻鶴之.天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機熱力法效率現場測試 [J].華東電力,2005,33（12）: 40-43.

[3]黃曉東.可逆式水泵水輪機熱力學法現場效率試驗 [J].水力發電,2001（11）:61-63.

TK730.7

B

1672-5387（2017）05-0056-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.014

2016-06-30

李金偉（1981-），男，高級工程師，從事水輪機的模型試驗、振動穩定性試驗、性能試驗和內部流場的CFD計算等研究工作。