可逆式水泵水轮机热力学法现场效率试验

可逆式水泵水轮机热力学法现场效率试验可逆式水泵水轮机热力学法现场效率试验黄晓东（广州蓄能水电厂，广东从化 510950）目前尚缺乏实践经验。广州蓄能水电厂（以下简称“广蓄电厂”）在这方面做了有益的尝试，经对该厂一期3 号机和二期 7 号机（均为 300MWO 进行现场效率试验的结果看，试验是成功和可行的，从而为我国今后使用该方法积累了宝贵的经验。通过广蓄电厂的工程实践，重点介绍了热力学法的基本原理、测定装置及试验结果的分析与评价，并对该方法的使用提出了一些看法7：1 关于现场效率试验方法对水力机组进行现场效率试验具有重要的意义。首先，可进行水力机组性能质量现场验收，鉴定水力机组的效率特性；其次，可率定蜗壳压差计，以便日后在任意水头下用蜗壳压差计来正确地测量通过水力机组的流量；第三，可鉴定机组的其他特性，分析机组的振动、汽蚀、尾水管的压力脉动等是否与效率有关；第四，为水电厂安全经济运行提供最可靠的原始资料。水力机组现场效率试验方法较多，各有其优缺点。具体方法的选择实际上是测流方法的选择问题，它主要取决于水电厂的水头和过流流道的结构形式。对大中型水电厂机组进行效率试验方法现行国际公认的有：流速仪法、水锤法、示踪法、蜗壳压差法、相对法、超声波法和直接测出机组效率的热力学法等。其中，流速仪法较为原始，是一种可行但不理想的方法；水锤法适应于中高水头的电厂，且引水系统为等径或收缩形的封闭管道，等径直段应满足50m2/s 示踪法试验费用高，试验工艺复杂；蜗壳压差法简单，可实时监测，但需要其他精度较高的方法率定蜗壳压差系数；相对法应用范围广，费用少，但测量精度低，不能测到绝对流量和绝对效率值；超声波法要求测量断面的流速分布均匀，且必须有外露平直管段长 2D（压力管路直径）以上，不同声道有不同平直段长度要求，测量仪器昂贵；热力学法则只要求电厂水头高于 150m，且水头越高，测量的精度也越高考虑到广蓄电厂水头高（00m 以上） ，输水系统较长出口安装了尾水事故紧急闸门，同时采用一洞四机方案，工况多，流态相对复杂，从精度、经济、方便和可操作性的角度考虑，采用热力学法进行现场效率试验是最佳选择。广蓄电厂一期工程（4X300MWO 水泵水轮机由法国 Neyrpic 厂提供，二期（4X300MWO 则由德国 VOITH 厂供货。应业主的要求，一期工程于 1994 年 8 月在 3 号机上进行了现场效率试验，二期工程则于2000 年 4 月在 7 号机上进行了试验。试验分别由法国 NEYRPIC 厂和德国 VOITH 厂实施并在顾问公司 Lahmeyer 及业主代表的监督下进行。该试验由不同人、在不同时间、对不同的机组、用同样的方法进行，均取得了圆满成功。这在我国运用热力学法对水轮机（尤其是可逆式水泵水轮机）进行现场效率试验尚缺少实践经验的今天，广蓄电厂对此进行了有益的尝试，这无疑有助于该法今后在我国的推广运用。2 热力学测定法的基本原理用热力学测定水轮机效率是法国人皮尔逊（poirson）于 1914 年首先提出来的。他认为在水轮机中产生的水力损失完全转变为热能，使流经水轮机的水温升高，因此测出水轮机进、出口的水温差就可求出水轮机的效率。这种方法的基本依据就是能量守恒定律。在实际运行情况下，流经机组的单位质量的水传递给水轮机主轴的能量或从水泵轴获得的能量取决于机组进、出口特征变量（压力 p 水温 e、流速 V、水位 z）的测量及水的热力学性质，称这部分能量为单位质量机械能 Em.Em 的表达式为：P1、P2 为机组进、出口断面压力；1、V2 为机组进、出口断面水流流速；为重力加速度，m/s2；1、Z2 为机组进、出口断面高程，m；茁为能量修正系数。在理想运行情况下，也就是无摩阻的水流，单位质量的水传递给水轮机主轴或从水泵轴获得的能量仅仅取决于水的性质和水电厂的特性，称该能量为单位质量水能 Eh 见式由（1）和（2）式，就可以求得机组的水力效率而不需进行流量的测量，见表（3）和（4） 。在实际应用中，单位质量机械能中各量的测量是通过与机组进、出口测量断面相连的测量容器来进行的（参见）单位质量机械能表达式变为：高、低压侧测量容器中的水压，Pa；11、z21 为高低压侧测量容器的中心高程，mmvn、V21 为高、低压侧测量容器中的水流速其中：vn=Qn/V21=Q21/.（Qn、Q21 为流经高、低压侧测量容器的水流流量，m3/s；1、S2 为高、低压侧测量容器的截面积，m2）为了提高对单位质量机械能 Em 的测量精度，通常采用 3 热力学法测定装置广蓄电厂现场效率试验依照 IEC 为例，介绍热力学法的测定装置（见）广蓄电厂现场效率试验装置高压侧测量断面位于蜗壳进口与进水球阀之间的伸缩节中间，两个取样点（DS）对称分布，位于通过直径的水平面。从取样点 DS 引出的水样，经手动阀 BK 和节流阀 VD 进入到高压膨胀器 HE 膨胀后的水压 Pu 由压力传感器 DM 测得，磨损功率，通过实测得到；P 为机组轴功率水轮机工况：P=Pgn+PLn 水泵工况：P=Pm（t 一 PLmot（其中，Pg（1Pmo 分别为发电机或电动机机端输入及输出功率，由三相功率表测得；PLgen 和 PW 为发电机或电动机的机械损失，通过实测得到） 。温度传感器 TH 与测量桥路 MB 连接。取出的水样经管路引至试验桌，再经调节阀 HD 与流量计 D 相连，由流量计 D 测得取水样流量 Q11，以便计算膨胀器中水样流速 V1U 水箱 AB 的水温由温度计 Twd 测得，该温度计精确度为 1/100°C.低压侧测量断面位于尾水管出口，有 3 个取样点（SS） ，两侧的中间位置和顶部各布置 1 个，实际只用两侧的中间位置 2 个测点。从取样点 SS 引出的水样，经绝热管路（埋于混凝土中的不锈钢管）汇集至岔管并与压力传感器DM（测结合机组进、出口测量断面的实测截面积 A1 和 A2 便可求得流经两断面的平均流速 V1 和 V2 黄晓东：可逆式水泵水轮机热力学法现场效率试验 TE 膨胀水箱中安装了热敏电阻 TH，热敏电阻TH 与测量桥路 MB 连接。高、低压侧水温差值由带放大器的“单测量桥路”MB 测得。热敏电阻 TH（25°C 时标准电阻为 31）配 3 线连接电缆，以抵消电缆电阻对测量所产生的影响。为了观察水温波动，在尾水锥管（测点 39）段引水流至水箱，利用电阻型温度传感器 Tws 和记录仪 PL对水温进行连续测量和记录。4 试验结果分析与评价 3 号水泵水轮机现场效率试验主要结果见 7 号水泵水轮机现场性能试验主要结果见。只有在肯定了试验是成功的、成果是可信的前提下，才能对被试的机组效率性能是否达到设计保证值做出正确的 41 测量误差的大小误差的计算完全按照 IEC 80%；7 号机水轮机工况综合误差为±087%，水泵工况的综合误差为±1 08%±177%；国际规程认为综合误差不应超过±15%±25%.从误差大小的角度证明试验成果是可以接受的。42 流量与蜗壳压差平方根的线性关系由理论推导可知：Q=K说明通过机组的流量 Q 与蜗壳压差平方根之间的关系应是线性的。故可以此作为验证试验成功与否的标准之一。以 3 号机为例，在效率试验中，得出 K 与 Q 的关系（见）从中可见 K 值基本接近于常数 2588，其误差约为 24 3 号机蜗壳压差计系数率定 43 各特性曲线是否协调一致根据试验所得数据，绘制出机组出力与效率、流量、水头等的关系曲线，如果这些关系曲线圆顺光滑，变化趋势符合一般规律，则说明试验是成功的，成果是可信的。从试验成果、3 可见，机组的出力/入力与效率、流量、水头/扬程等关系曲线的数值和变化趋势的确符合一般的逻辑关系，是协调一致的。综上所述，广蓄电厂利用热力学法进行可逆式水泵水轮机现场效率试验是成功的，结果是可信的。一期 3 号机实测水轮机工况加权平均效率为 905%，保证值为 9068%，考虑到综合误差±08%，其结果仍是可以接受的；水泵工况的实测加权平均效率为 9250%，大于保证值 9231%.二期 7 号机实测为：水轮机工况加权平均效率 92 69%，大于保证值 9242%；水泵工况在扬程为 528537m 范围内，效率与扬程的关系不大，为此，最好是比较其平均值，在扬程为528 534m 范围内，水泵工况实测平均效率为 93 34%，大于该扬程范围的保证值 93.12%.从一、二期现场效率试验结果可见，二期水泵水轮机具有较宽广的高效率区，以获得较高的加权平均效率。44 提高测量精度应注意的问题为提高测量精度，除了要求仪器设备有足够精度和正确的操作方法外，还应注意以下问题：（1）水头。水头应在 150m 以上。因为水头越高，水轮机进、出口的水温差越大，因而测量精度也越高；随着测量仪器和测量方法的不断改进，该方法的使用范围也可推广到水头 100m 以上的电厂。判断。试验成果的可信与否，要从以下几方面来具体分析。绝热条件埋在混疑土中的管路绝（下转第 66 页）调速器压力油箱自动补气贮气罐高压警报信号，压力小于 65MPa 时，发出低压警报信号；各贮气罐上安全阀的整定值压水时通过每台机组的两个 4m3压水贮气罐向尾水管充气压水。当尾水管水位到达 202 95m 高程时停止充气。在调相运行期间，为了保持尾水管的水位不因为压缩空气的泄漏而上升，可通过水位开关和电磁阀自动向尾水管补充压缩空气。由于调速系统液压回路可能的漏气引起压力油罐压力降低，油位上升，当压力油罐达到高油位时，浮子开关动作，向压力油罐自动补气；当油位达到额定值时，补气结束。也可以对调速系统的压力油罐进行手动补气 5 低压气系统低压气系统由检修用气系统和制动用气系统组成，用于电厂（厂房、主变洞、尾水事故闸门室）日常维护所需压缩空气和机组制动。日常维护所需压缩空气生产量为 180m3/h 制动过程中的耗气流量为 401/台）系统压力为 0 机组制动用气系统设有 2 台同型号风冷式空压机和 1 个储气罐，空压机的排气量为 1.64m3/min 排气压力为 0 8MPa 其中 1 台主用，1 台备用，可相互切换储气罐容积为 4m3，供给各机组制动用气。储气罐上设有压力开关，当所测压力值小于 06MPa 时，则起动空压机，如果压力值大于 0 MPa 则停机；当压力值大于 1.0MPa，发出高压报警信号；当压力值小于 0. 55MPa 发出低压报警信号，同时检修用气系统对制动系统供气；当压力大于 1.1MPa 时储气罐上安全阀打开。检修用气系统设压缩空气机 1 台，排气量 3. 2m3/min 排气压力为 0.8MPa 空压机出口接至 1 个 4m3 立式储气罐，其上设有进人孔、安全阀、压力表、控制空压机开停的压力开关、欠压开关、超压开关和自动排污用电磁阀。通过管路将压缩空气从 4m3 储气罐分配到厂房各层、主变洞和尾水事故闸门室，每处设有若干接头。当储气罐上的压力开关所测压力值小于 06MPa 时，起动空压机，压力值大于 09MPa 时，空压机停机；当压力值大于 1 0MPa 时，发出高压报警信号；当压力值小于 0.55MPa 时，则发出低压警报信号；当压力大于 1. 1MPa 时打开储气罐上安全阀。制动系统亦可向检修用气供气。制动用气系统和检修用气系统互为备用，可在下列几种方式运行：正常运行；1 台制动用空压机检修；检修用气空压机故障；检修用气储气罐检修；制动用气储气罐检修。主轴检修密封用气取自高压气系统，经一个减压阀将压力降至 1.2MPa 后给主轴密封供气。为确保密封可靠性，特设 1 个 150L的贮气罐以弥补管路系统漏气损耗，每台机组均设有压力开关，以防机组在检修密封仍有气压的情况下误起动。（上接第 63 页）热条件固然良好，但对露在大气中的管路，尽管采取了绝热措施，还避免不了与外界发生热交换而影响测量精度，故应对其测量结果进行适当的修正。（3）稳定条件。对于同一测点，应满足以下的稳定条件：发电电动机的功率变化应在平均值的 1.5%范围内；单位质量水能的变化应小于平均值的 1%