张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机热力学法效率试验

2017-08-29李金伟于纪幸谷振富

水电站机电技术 2017年5期

关键词：净水热力学水轮机

李金伟，于纪幸，谷振富

（1.北京中水科工程总公司，北京 100048；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

张河湾抽水蓄能电站水泵水轮机热力学法效率试验

李金伟1，于纪幸1，谷振富2

（1.北京中水科工程总公司，北京 100048；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050300）

详细介绍了张河湾抽水蓄能电站3号水泵水轮机热力学法效率试验的方法和原理，并对试验结果进行了分析和讨论。试验结果表明3号水泵水轮机的实测效率满足合同要求，本文的试验方法可为其他水电站的水轮机效率试验提供借鉴和参考。

抽水蓄能电站；水泵水轮机；热力学法；效率试验

1 概述

张河湾抽水蓄能电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，共安装4台立轴单极混流可逆式水泵水轮机组，机组单机容量250MW，总装机容量为1000 MW。水泵水轮机由法国ALSTOM公司提供。

水泵水轮机的主要参数如下：转轮名义直径4.641m；固定导叶和活动导叶均为20个；转轮叶片9个；额定转速333.3r/min；额定水头305m；最大毛水头346m；最小毛水头291m。

按照合同要求，现场效率试验由水泵水轮机供货商法国ALSTOM公司安排试验专家现场实施，北京中水科工程总公司的相关专家作为业主代表参与试验全过程，对试验进行监督和鉴证。经协商，确定效率试验在3号机组上进行。

2 热力学法的基本原理

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。

由于在机器基准断面测得的数值缺乏一致性、测量仪器的局限性以及由于测量条件不完善引起的修正项目数值相对较高，限制了该方法的使用范围，故只有当水力比能超过1000J/kg（或水头大于100 m）时才能使用这种方法。然而在非常有利的条件下，根据测量精度的分析其范围也可扩大到较低水力比能（水头），ALSTOM实验室采用该方法曾在70 m水头机组上成功进行过试验。对于张河湾抽水蓄能电站的机组而言，采用热力学法进行现场效率试验完全满足IEC60041-1991规程的要求。

热力学法对测量仪器、测量条件的要求很高，其最大优点是无需测量流量。

2.1 传统热力学法

机组的高压侧和低压侧基准断面之间单位质量的水具有的比能称为水力比能，即在理想状况下单位质量的水传递给水轮机主轴或从水泵轴获得的能量E，其表达式为：

式中，Pabs1、Pabs2为高、低压测量截面中心线处的绝对压力，Pa；v1、v2为高、低压测量截面处的水流速度，m/s；z1、z2为高、低压测量截面处的绝对高程，m； Hn为水头，m；为平均密度，kg/m3。

实际状况下，单位质量的水流经机组传递给水轮机主轴或从水泵轴获得的能量，称为转轮单位机械能Em，其表达式为：

式中，θ1、θ2为高、低压测量截面处的热力学温度，K；为平均绝热系数，P为平均比热；δEm为单位机械能的修正项，J/kg；当上、下游测量截面之间无附加流量（如冷却水）进出时，δEm=0。

水泵水轮机的效率可由式（3）表示：

其中，ηh为水力效率，ηm为机械效率。

对水轮机：

对水泵：

式中，P为由水轮机主轴提供或供给水泵主轴的功率；Pm为通过转轮（叶轮）和主轴的连接法兰传递的机械功率。

式中，Q为流经机组的体积流量，m3/s。

将式（8）代入式（5），再和式（4）一起代入式（3）得：

通过测量电功率PE，分别考虑发电电动机损失、发电电动机和水泵水轮机的机械损失后可得到P、Pm。算出Em后，根据式（8）可得到Q，再由式（9）即可求出机组效率。

实际应用时，由于在主流中直接测量有一定困难，Em是通过测量与机组进出口测量截面相连的测量容器处的参数而获得的。此时Em的实际表达式为：

式中，Pabs11、Pabs21为高、低压测量容器处的绝对压力，Pa；θ11、θ21为高、低压测量容器处的热力学温度，K；v11、v21为高、低压侧量容器处的水流速度，m/s；z11、z21为高、低压侧量容器处的绝对高程，m。

2.2 改进的热力学法

本次试验在单位机械能的测量上，进行了适当改进。机组进口单位机械能Em1的测量，仍然采用间接法，通过取样探针，将主流中的水样导入测量容器，测量容器内水的单位机械能，即为Em1。而对于出口单位机械能Em2的测量，则直接在尾水管内用温度计直接测量。为此，必须解决两个问题：①为了经受主水流的冲击而不损坏,必须对温度计进行加固支撑；②解决传感器电缆的密封绝缘问题。因此，在尾水管内低压测量断面处，沿管壁周向平均分布，焊接了6个专用支架，用以安装温度计。温度计接出的电缆由沿管壁焊接的保护套管穿出，汇成一束后引出尾水管。在与温度计连接处及引出尾水管处均采用了密封。

相应Em2的计算公式将发生变化。

式中，P∞、T∞、v∞分别为尾水管低压测量截面处的压力、温度、流速；PT、TT、vT分别为温度计处的压力、温度、流速。

假定水流过保护管时无能量交换，因此，Em2= EmT。

在每个支撑保护管上，水流的进、出口相当于两个节流孔，由此产生的压力损失可由式（13）、（14）表示。

式中，λ1、λ2为系数，vorifice为节流孔处的流速。

根据伯努利方程，同时考虑水在保护管内、外的流动状态，可得到：

上、下游节流孔的机械尺寸完全相同，因此，λ1=λ2，ΔPupstream=ΔPdownstream=ΔP，则式（15）、（16）相加后得到：

将ΔP代入式（16）并整理后得到：

将PT代入EmT的表达式（12）并整理后得到：

因此，机组的单位机械能可以写成：

式中，Pabs2（P∞）、θ2（TT）直接由压力、温度传感器测量，但v2（v∞）无法测得，因此Em也无法直接求出。

v2（v∞）=Q/S2（S2为尾水管内测量断面处面积），当我们假设一个初始流量Q0后，即可得到Em0，根据式（8）又可求得一个新的流量Q1，再代入式（20）求得新的Em1，如此循环迭代，直至Q达到要求的收敛度，即为最终的流量。由Q求出进口流速，再根据式（1）求出E，最后由式（9）算出机组效率。

3 试验结果分析

3.1 水轮机模式

水轮机模式下，选择净水头保证值325m附近的12个负荷工况（127MW~257MW）进行测试。每个负荷工况下采集2次数据，第二次数据采用在负荷数后加2进行标示（如127MW2），采集前机组稳定运行约5min。12个负荷工况下的试验结果见表1，水轮机模式下的加权平均效率如表2。由表1可以看出：测试工况的净水头与净水头保证值之间的相对值均在±2%之内，根据IEC60041-1991规程的要求，水力效率值无需进行换算。通过综合计算，效率的平均不确定度为±1.01%，因此加权平均效率为91.26%~93.28%，满足加权平均效率的保证值92.79%。

表2 水轮机模式下加权平均效率

3.2 水泵模式

水泵模式下，同样选择净水头保证值325m附近的6个工况进行测试。每个工况下采集2次数据，第二次数据采用在工况标识后加2进行标示（如pump12），采集前机组稳定运行约5min。为了与效率保证值进行比较，必须考虑现场测试时的水温（约10℃）和合同规定的水温（20℃），根据 IEC 60193-1999规程的要求得出的修正值为+0.11%。6个水泵工况下的试验结果见表3，流量与净水头的关系曲线见图1，入力与净水头的关系曲线见图2。由图1可以看出水泵的实测流量均比预期值大，325m净水头下的流量保证值71.12m3/s很容易满足。流量比预期的大，机组的入力自然也比预期的要大，但没有超过268MW的最大入力值，满足合同要求。通过插值计算，325m净水头下的效率实测值为93.35%，效率的平均不确定度为±1.01%，因此效率区间为92.34%~94.36%，合同效率保证值93.71%能够满足。