尼泊尔某水电站热力学法水轮机效率试验探讨

张 奎，周 叶

（中国葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都610091；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

0 前言

国际学术上现存有十几种测定水轮机效率的方法，但归纳起来主要有两类，即绝对法和相对法，主要区别就在于对水轮机效率计算中最主要参数-流量的测定方式不同，比如流速仪法、毕托管法、压力时间法、浓度稀释法、容积法、超声波法等等属于绝对法；温特-肯尼迪法、简化声学法、非标准压差法等属于相对法。绝对法用于计算和验证水轮机的真实效率，相对法主要用于比较效率变化，如机组检修前后，侧重于比较前后效率曲线的形状变化。出于验证合同保证值的目的一般采用绝对法，相对法作为一种辅助电站长期经济运行的手段，通常永久布置测量和监测仪器，并与绝对法同时进行，通过绝对法可以标定蜗壳压差系数K值，从而得到相对效率曲线，并计算出绝对流量和绝对效率。除此之外，热力学法也是一种水轮机效率试验常用的方法，是一种基于热力学第一定律换算流量的方法，普遍用于测量环境受限的电站，其重点要求是电站水头必须大于100 m，虽然目前正在研究低水头（60～100 m）下热力学法的应用，但仍未纳入标准应用。

每种测量手段对电站布置、流道形态、运行工况、测量精度等都有不同的要求，国内及国际行业内最常用的是热力学法（误差±0.8%）、流速仪法（误差±1.2%）、压力时间法（误差±1.2%）、容积法（误差±1.5%）和超声波法（误差±2%），由于尼泊尔上崔电站在设计之初未考虑进行效率试验，当需要进行该试验时，发现除了热力学法外其余方法均不能适用于本电站，主要是前期未布置相应的流量测量仪器且压力钢管短小、泥沙含量高、流速高，而热力学法无需进行流量测量且测定误差同类比较非常小（＜0.8%），适用于本电站，最终在业主的同意下按照此法进行了效率试验。（备注：超声波法为IEC附录检测方案，非主用方案，所以即使在电站后期可通过安装探头的方式实现测量，但仍在大多数国家不被认可，主要是考虑测量仪器本身的误差较大，可达到1.5%～2%。）尼泊尔上崔树里3 A水电站水轮机主要参数如表1所示。

表1 尼泊尔上崔树里3 A水电站水轮机主要参数表

1 热力学法测量原理

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。简单来讲就是水流经过水轮机流道时，必将产生摩擦、漩涡、脱流等一系列水力损失，这些损失将转化为热能，加热水流，使水流流经水轮机的进出口断面产生一个温差，温差的大小与水轮机结构参数及工作水头有关。热力学法正是通过测量该温差实现对水轮机效率的测定。

2 试验方法

如图1所示，我们需在水轮机高压侧和低压侧分别布置测量仪器，用于测量高低压侧的流速、温度、压力，通过电缆接入电脑采集端实现实时采集。图中标注号为“10”的参数代表水轮机高压侧相应物理量，通常高压侧测量比较困难，可以采用间接法引出至采样水箱测量，标注号为“11”的参数代表采样水箱内相应物理量，标注号为“20”的参数代表水轮机尾水低压侧相应物理量，基于尾水安装支架测温点的测量断面为Section20。

图1 高压侧膨胀水箱接入布置图

2.1 高压侧测量断面

对于上崔电站机组布置结构，高压侧断面只能选取在蝶阀后，因为从埋在混凝土中的蜗壳进口至埋在混凝土中的压力钢管之间仅有4.7 m，蝶阀居中安装，蝶阀上游又存在大口径的技术供水取水口，影响测量；蝶阀下游距混凝土面仅1.5 m，虽然不满足IEC要求的尽量避免设在蝶阀尾流处，但试验机构通过经验验证，在大多数电站均采用此种布置的情况下不影响实际结果。根据IEC要求，直径在2.5 m以下的钢管仅需要布置1个探针，上崔电站压力钢管直径2.3 m，符合布置1个探针的要求，但为了将探针伸入压力钢管过流面，则需要对此处压力钢管进行改造，现场在不破坏压力钢管（钻孔）的情况下进行了如图2所示的改造及探针和水箱安装。探针在安装前需要作出取水口标记，确保安装后取水口正对水流方向。

图2 高压侧膨胀水箱接入布置图

因此，上崔电站的高压侧仪器布置在了钢管底部，对此，IEC无具体要求，但必须使探针取水口超出过流面至少50 mm。在仪器布置完成后，为了消除膨胀水箱与空气的热交换，提高测量准确度，在膨胀水箱的外部包裹了一层保温棉，同时将水箱排水管引入排水沟。

2.2 低压侧测量断面

（1）根据IEC标准，对于低压侧断面的选择和布置，上崔电站遇到的两个难点如下：

1）一般应用热力学法测量水轮机效率时水轮机进出口温差在0～0.2℃之间，温差很小，均采用精度可达0.001℃的温度传感器。但本电站尾水管内布置有一根直径273 mm的技术供水排水管管口，该排水管排出的水比正常尾水水温要高2～5℃，一经排出会迅速扩散，严重影响低压侧的温度测量，且属于附加流量，同样的附加流量还包括安全阀排水管、滤水器排水管、蝶阀及钢管排水管，这些附加流量即使可以通过计算扣减，但总归会影响测量准确度。

2）测量架的布置，又存在如下两个问题：

①常规电站低压侧测量架布置结构为，吊出尾水检修闸门，制作与闸门同等尺寸的简易框架放入门槽，以此作为低压侧测量管路的固定架，同时通过门槽将测量管路传感器的信号线引出而无需进行密封处理。但上崔电站的尾水吸出高度为-8 m，水轮机中心线为718 m，尾水正常水位为725～726 m，如果提起闸门，则会造成水淹厂房的破坏性后果。

②因为需要采样低压侧水压，而现阶段已不可能重新安装一套测压装置，所以要使用本站已经安装的尾水管出口压力测点，并尽量靠近布置，但根据IEC标准，低压侧需要与机组中心保证至少5倍转轮直径的距离，本电站转轮直径1.83 m，尾水出口测压点距离机组中心7.5 m，不满足要求。

（2）根据上崔电站的具体特点，经过现场检查和讨论后，确定改造方案如下：

1）水轮机效率试验期间，短暂关闭一切排入低压侧断面的附加流量。试验前将减压阀锁定在设计低压（电站技术供水设计压力0.35～0.4 MPa）0.3～0.35 MPa，这是根据运行经验得出的安全运行压力，不会影响轴瓦温度。这样就可以关闭安全阀排水管；蜗壳和压力钢管排水管常规处于常闭状态，可不用考虑附加流量；对滤水器而言，电站设计为6 h或滤水器前后压差过大时启动排污，但2台机技术供水是互为备用的，因此，可临时关闭1号机组技术供水（即关闭滤水器排污管），改由2号机组供水，水轮机效率时间一般在1～3 h，可不用考虑1号机组滤水器频繁启动问题。

2）因技术供水不能关闭，因此在技术供水排水口处安装导管，通过焊接1个90°弯头及5 m直管，将技术供水导向测量断面之后，即可解决。

3）在尾水管测压孔与尾水闸门之间布置低压测量断面，本电站转轮直径1.83 m，5倍直径距离即9.15 m，尾水闸门处距离机组中心8.9 m，尾水测压孔距离机组中心7.57 m，因此最终将其布置在距离机组中线8 m处。采用3根Φ89×6厚壁钢管作为测压管的固定支架，在混凝土上打孔布置Φ10插筋将其与钢管可靠焊接。测量管路采用Φ48排架管制作，也是通过焊接的方式固定于支架上。

4）低压侧高精度温度传感器的引出电缆一般是通过尾水管的排气管引出至自由水面以上，但由于该电站的补气管设置复杂，从712 m高程尾水管至728 m高程安装间之间存在至少4个弯头，穿线器无法穿通，因此在尾水管进人门底部开孔Φ25，焊接并延伸1根Φ48排架管至728 m高程（大于尾水水位726 m）用于引出线引出至监控设备，在尾水管低压（0.06 MPa）的现状下可实现机组安全运行。尾水管内的采集电缆均采用Φ48钢管穿套保护，钢管采取首尾连接焊接并与尾水管点焊固定的方式来确保电缆不受水流冲刷损坏。

3 试验过程

水轮机效率试验要求在额定水头133.5 m下进行，考虑超出额定水头的修正量会严重影响测量准确度，按照IEC要求，将实际水头偏差控制在130.8～136.2 m之间，由于本电站无水库，仅能通过调整大坝弧门开度从而调整进机流量的方式来进行水头的调整，即提起弧门，水头减小，落下弧门，水头增大。但长达5 km的引水隧洞增大了调整响应时间，每次调整后，约15 min才会反馈至机组。

机组开机至额定转速后直接带满负荷30 MW，检查水头应控制在允许区间的下限，然后根据5%发电机出力偏差将其从100%额定出力向下划分10个区间，每个区间停留2 min，稳定后分别读取高/低压侧断面数据进行降负荷试验，在此过程中水头会逐渐升高，此时通过降低2号机组的出力来平衡水头始终在允许区间内。降负荷完成后再按照相同的10个区间进行升负荷试验并读数，但升负荷试验数据仅作为与降负荷数据校验一致性的备用数据。

整个水轮机效率试验持续2.5 h，除稳定采集数据时间外，调整和稳定水头时间约2 h，因此，如何快速调整和稳定水头是试验关键，在同类无水库电站中，需提前策划和准备，通过观察弧门提起/落下量来确定水头升降量及相应反应时间。

4 数据分析

（1）高低压侧水流的温度变化是热力学法的计算基础，测量各工况结果见表2。可见温度变化幅度很小，最高偏差0.143 6℃。

表2 水轮机各出力工况（Pt）下高低压侧水温变化

（2）根据表2即可计算出水轮机的单位机械能Em，根据发电机同工况下的输出功率及发电机效率（该电站前期完成，本文不做讨论）即可计算出水轮正负机的机械功率Pm，最终可以得到水轮机的流量Q。

（3）已知流量Q及水头H的情况下，可通过公式计算得到水轮机的水力效率ηh及机械效率ηm，最终确定的水轮机效率ηt见表3。

表3 水轮机各出力工况下效率数据

（4）效率计算的总不确定度由系统误差和随机误差组成，对热力学法而言，按照IEC60041中40节的要求计算水轮机效率不确定度fη见表4。

表4 水轮机效率不确定度

（5）最终得到的水轮机效率曲线如图3，图中可见该水轮机真机的效率曲线均高于设计效率曲线（虚线为正负不确定度fη），满足合同要求。

图3 修正后的水轮机效率与水轮机出力关系曲线

5 结语

通过对尼泊尔上崔树里3A水电站水轮机效率试验的全过程介绍分析，以及如何通过适当的现场改造来实现与拟采取试验方案的合规性匹配，为国内、国际上拟进行水轮机效率试验的工程提供参考和依据。