CN102636515A - 绝热保温测量容器和热力学法测效率装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绝热保温测量容器和热力学法测效率装置及其使用方法，用于水力机械热力学法测效率，包括外壳，所述外壳包括外层和内层，所述外层和内层之间设置有保温层，所述外壳的压力传感器接口、温度传感器接口分别设置有压力传感器、铂电阻传感器，所述水流出口处设置有流量计，所述排气孔处设置有排气阀，所述水流进口、水流出口分别设置有水流进口阀门、水流出口阀门。本发明具有保温绝热，容器内速度场、温度场稳定等技术特点，同时数据采集简便，其结构简单且携带方便，而且其测量结果精确。

Description

绝热保温测量容器和热力学法测效率装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种绝热保温测量容器及其使用方法，属于热力学测量技术领域。
背景技术
热力学方法是将能量守恒定律(热力学第一定律)应用在水力机械（如水轮机、水泵、可逆式水泵水轮机）的转轮与流经它的水流之间的能量转换的一种方法。当水流通过水轮机流道时，必将产生摩擦、旋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，使水流流经水轮机进出口断面产生一个温度差，热力学法正是通过测量该温差从而实现水轮机效率测定的，它的主要优点是不需要直接测量水轮机的流量，但是，该方法比较适用于高水头的机组，而且对测量仪器、测量条件的要求较高。
下面以水轮机工况为例说明热力学效率计算原理：
水力效率：水轮机转轮输出功率与输入水流功率之比。
Figure 726040DEST_PATH_IMAGE001
           （1）
式中： 
Figure 354468DEST_PATH_IMAGE002
为输入功率，水轮机传递给发电机的轴功率；
Figure 390557DEST_PATH_IMAGE003
水力功率修正项, 根据合同规定和电站具体情况必须修正的功率。
Figure 79027DEST_PATH_IMAGE004
为输出功率，水流传递给水轮机的功率；
Figure 200567DEST_PATH_IMAGE005
为单位质量水体总能，水轮机高压侧（蜗壳进口）和低压侧（尾水管出）基准面之间的能量差；
为单位质量机械能，为流经机组的单位质量的水传递给水轮机主轴的能量，取决于机组进、出口特征变量（压力
Figure 788860DEST_PATH_IMAGE007
、水温
Figure 585915DEST_PATH_IMAGE008
、流速
Figure 257068DEST_PATH_IMAGE009
、水位
Figure 164981DEST_PATH_IMAGE010
）及水的热力学性质，如见附图1，高压侧断面1-1和低压侧断面2-1的单位质量机械能
Figure 237979DEST_PATH_IMAGE006
的表达式如下：
Figure 205935DEST_PATH_IMAGE011
          （2）
式中：
Figure 364384DEST_PATH_IMAGE012
、为机组进出口断面水温，
Figure 269072DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 407929DEST_PATH_IMAGE015
为水的比热容，J/(Kg·K)；
Figure 788095DEST_PATH_IMAGE016
为等温系数，m3/kg； 
Figure 303390DEST_PATH_IMAGE017
、为机组进、出断面压力，Pa；
、
Figure 465884DEST_PATH_IMAGE020
为机组进、出口断面水流流速，
Figure 581608DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 421388DEST_PATH_IMAGE022
为重力加速度m/s2；
Figure 964364DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 522385DEST_PATH_IMAGE024
为机组进、出口断面高程，m；  
Figure 170361DEST_PATH_IMAGE025
为能量修正系数。当进、出口测量断面之间无附加流量（如冷却水）进出时，
Figure 130226DEST_PATH_IMAGE026
。
热力学法测效率有两种方法，一是直接测量法，即在断面直接布置温度、压力等传感器，直接在水轮机进、出口断面测量
Figure 844104DEST_PATH_IMAGE006
各参数
Figure 623842DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 81368DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 895740DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 780519DEST_PATH_IMAGE018
、、
Figure 246453DEST_PATH_IMAGE020
，但种方法对传感器布置比较困难；二是间接测量即将测量断面的水体引出再测量，一般通过带测量容器的取水样装置来测定温度与压力，如附图1为测量容器布置图，则单位机械能
Figure 977648DEST_PATH_IMAGE027
的计算式为：
（3）
式中： 
Figure 787659DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 914883DEST_PATH_IMAGE030
----高、低压断面测量容器中压强，pa；
Figure 500585DEST_PATH_IMAGE031
----高、低压断面测量容器中温度，k，可以通过铂电阻温度传感器和高精度测温电桥来测量；
Figure 664851DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 968793DEST_PATH_IMAGE033
----高、低压断面测量容器中流速，可以通过测定测量容器的流量来计算；
Figure 509496DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 949704DEST_PATH_IMAGE035
----高低断面测量容器中压力测点的位置高程;
Figure 550450DEST_PATH_IMAGE036
----单位机械能修正项，测量应全面考虑温度变化与外部热交换，其中，外部热交换包括通过边壁与外界的热交换以及与周围空气的热交换。
国标《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》（GB T 20043-2005）对这种方法现场测试的进出口断面位置、测试传感器精度、测量容器等方面技术要求都进行了规范。但目前的产品中的流速的测量方法是通过测重法，即将称重某段时间内流出的水体，在将重量换成体积再除以时间，从而得出流速，但这中测量方法比较繁琐，不经济。同时产品的绝热效果差，温度场不稳定，导致测量的误差偏大，从而使计算得出的水轮机效率偏差大。并且由于结构特点，水体的速度场不稳定，从而使测量误差大。
发明内容
本发明针对上述问题的不足，提出一种保温绝热、数据采集简便、结构简单且测量结果精确的一种绝热保温测量容器。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种绝热保温测量容器，包括外壳，所述外壳包括外层和内层，所述外层和内层之间设置有保温层，所述外壳设有水流进口、压力传感器接口、温度传感器接口、水流出口以及排气孔；所述水流进口、水流出口相对设置且位于等高的同一平面内，所述水流进口、水流出口、压力传感器接口以及温度传感器接口均位于排气孔下方；所述压力传感器接口、温度传感器接口以及水流出口分别设置有压力传感器、铂电阻传感器以及流量计，所述水流进口、水流出口以及排气孔均分别通过管道安装有水流进口阀门、水流出口阀门以及排气阀。
优选的：所述压力传感器、铂电阻传感器、流量计均通过螺纹连接方式与压力传感器接口、温度传感器接口以及水流出口连接，且对各对接口均进行密封处理。
再优选的：所述保温层填充材料为橡塑保温材料，且所述保温层的厚度至少为100毫米。
又再优选的：所述内层为不锈钢，所述不锈钢的钢板厚度至少为10mm。
基于上述所述的绝热保温测量容器的热力学法测效率装置，用于水力机械中水轮机的效率测量计算，所述水力机械包括水轮机、水泵以及可逆式水泵水轮机，该水轮机流道内按水流流向依次设有压力钢管-蜗壳-尾水管，且所述压力钢管和蜗壳之间设置有高压测量口，所述尾水管末端设置有低压测量口，其特征在于；包括蜗壳压差传感器、功率变送器、信号采集仪、效率计算系统以及第一、第二绝热保温测量容器；所述第一绝热保温测量容器的第一进水口与高压测量口相连通，所述第二绝热保温测量容器的第二进水口与低压测量口相连通；所述第一绝热保温测量容器包括第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计，而所述第二绝热保温测量容器包括第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计；所述第一铂电阻传感器、第二铂电阻传感器通过扩展接口连接有测温电桥，所述信号采集仪分别与测温电桥、第一压力传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二流量计、蜗壳压差传感器、功率变送器以及效率计算系统连接。
基于上述所述的热力学法测效率装置的使用方法，包括以下步骤：第一步，将第一绝热保温测量容器的第一水流出口阀门关闭，打开第一水流进口阀门和第一排气阀，通过高压测量口往第一绝热保温测量容器中充水，当第一排气口出水时，关闭第一排气阀，打开第一水流出口阀门， 10分钟后分别测量高压测量口和第一绝热保温测量容器中水的温度；将第二绝热保温测量容器的第二水流出口阀门关闭，打开第二水流进口阀门和第二排气阀，通过低压测量口往第二绝热保温测量容器中充水，当第二排气口出水时，关闭第二排气阀，打开第二水流出口阀门，10分钟后分别测量低压测量口和第二绝热保温测量容器中水的温度；第二步，当高压测量口和第一绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计分别测量第一绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；当低压测量口和第二绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计分别测量第二绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；第三步，通过蜗壳压差传感器测量蜗壳的压差参数，通过功率变送器测量输入功率；第四步，向数据采集仪输入机组进、出口断面高程以及高低断面测量容器中压力测点的位置高程；通过数据采集仪分别采集第一压力传感器、第一铂电阻传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计、蜗壳压差传感器以及功率变送器测量参数；数据采集仪将接收的数据和采集的参数经过数据转换和处理后推送给效率计算系统；第五步，效率计算系统通过接收的数据信息计算水力机械的效率。
本发明的一种绝热保温测量容器，相比现有技术，具有以下有益效果：由于采用流量计测量流量参数，因此减少现场测试工作量，因而数据采集更简便；由于水流进口、水流出口相对设置且位于等高的同一平面内，因而水流为水平流入水平流出，从而速度场稳定；由于外壳由外层、保温层、内层复合而成，因此其保温绝热，温度场稳定；由于将压力传感器、铂电阻传感器以及流量计集成到绝热保温测量容器上，因此数据采集简便，其结构简单且携带方便，而且由于速度场和温度场稳定，因此测量结果精确。由于所述压力传感器、铂电阻传感器、流量计均通过螺纹连接方式与压力传感器接口、温度传感器接口以及水流出口连接，因此压力传感器、铂电阻传感器、流量计可以拆卸，方便标定。由于保温层填充材料为橡塑保温材料，且所述保温层的厚度至少为100毫米，因此其保温效果更好，并且保证了外壳内中的水体和外界之间的热量交换不超过1％，从而保证了热力学测试绝热保温要求，因此使测量结果更加精确。由于所述内层为不锈钢，且所述不锈钢的钢板厚度至少为10mm，因此其膨胀系数小，可以满足膨胀度小的要求，同时所述内层的抗压强度至少为2.0Mpa，因此可以满足2000米以下水头的测量强度要求，扩大了本发明的使用范围。本发明的热力学法测效率装置，由于每个绝热保温测量容器的压力传感器、铂电阻传感器以及流量计均集成在一起，因此数据采集简便、结构简单、测量结果精确，并且其测试方法简单、性能可靠；由于通过第一、第二取水器从高低压断面中将水体分别引到第一、第二绝热保温测量容器来测定，因此测量更加方便。
附图说明
图1是热力学法测量原理图；
图2是本发明实施例绝热保温测量容器的结构示意图；
图3（a）是图2的左视图，图3（b）是图2的右视图；
图4热力学法测效率装置结构示意图；
图5是图4的系统图；
其中：1为外壳，11为外层，12为保温层，13为内层，2为水流进口，21为水流进口阀门，3为压力传感器接口，4为温度传感器接口，5为水流出口，51为水流出口阀门，6为排气孔，61为排气阀，7为压力传感器，8为铂电阻传感器，9为流量计。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例
本实施例如图2、图3所示：一种绝热保温测量容器，用于水力机械热力学法测效率，包括外壳1，所述外壳1包括外层11和内层13，所述外层11和内层13之间设置有保温层12，所述外壳1设有水流进口2、压力传感器接口3、温度传感器接口4、水流出口5以及排气孔6；所述水流进口2、水流出口5相对设置且位于等高的同一平面内，且所述水流进口2、水流出口5、压力传感器接口3以及温度传感器接口4均位于排气孔6下方；所述压力传感器接口3、温度传感器接口4以及水流出口5分别设置有压力传感器7、铂电阻传感器8以及流量计9，所述水流进口2、水流出口5以及排气孔6均分别通过管道安装有水流进口阀门21、水流出口阀门51以及排气阀61。
为了使压力传感器、铂电阻传感器、流量计可拆卸，方便标定，所述压力传感器7、铂电阻传感器8、流量计9均通过螺纹连接方式与压力传感器接口3、温度传感器接口4以及水流出口5连接，且对各对接口均进行密封处理，所述密封方式可采用生胶带、密封环等方式。
为了保温效果更好，并且保证外壳内中的水体和外界之间的热量交换不超过1％，从而保证热力学测试绝热保温要求，使测量结果更加精确，所述保温层12填充材料为橡塑保温材料，且所述保温层12的厚度为100毫米，由于橡塑保温材料在0~40Co时绝热系数小于0.036W/（m·K）），按照导热系数不大于0.175W/（m·K），可以作为绝热材料，通过对测量容器保温性能的数值模拟优化计算和温度测量试验，确定保温层的厚度为100mm，可以保证外壳内中的水体和外界之间的热量交换不超过1％，达到绝热保温的效果采用橡塑保温材料能够保证水体和外界热量交换极低。
为了使其膨胀系数小，满足膨胀度小的要求，同时满足所述内层的抗压强度至少为2.0Mpa，从而可以满足2000米以下水头的测量强度要求，所述内层13为测量容器内层，由于内层采用不锈钢制作，可满足膨胀度小的要求，通过对不锈钢的抗压强度计算和内层加工后做持续抗压一个小时以上的抗压试验，确定所述不锈钢的钢板厚度为10mm，可满足所述内层的抗压强度至少为2.0Mpa的要求。
如图4所示，一种热力学法测效率装置结构示意图，用于水力机械中水轮机的效率测量计算，所述水力机械包括水轮机、水泵以及可逆式水泵水轮机，该水轮机流道内按水流流向依次设有压力钢管-蜗壳-尾水管，且所述压力钢管和蜗壳之间设置有高压测量口，所述尾水管末端设置有低压测量口，其特征在于；包括蜗壳压差传感器、功率变送器、信号采集仪、效率计算系统以及第一、第二绝热保温测量容器；所述第一绝热保温测量容器的第一进水口与高压测量口相连通，所述第二绝热保温测量容器的第二进水口与低压测量口相连通；且所述第一进水口与第一出水口均正对水流来流方向，所述第二进水口与第二出水口均正对来流方向；所述第一绝热保温测量容器包括第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计，而所述第二绝热保温测量容器包括第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计；所述第一铂电阻传感器、第二铂电阻传感器通过扩展接口连接有测温电桥，所述信号采集仪分别与测温电桥、第一压力传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二流量计、蜗壳压差传感器、功率变送器以及效率计算系统连接。
热力学法测效率装置的使用方法，包括以下步骤：第一步，将第一绝热保温测量容器的第一水流出口阀门关闭，打开第一水流进口阀门和第一排气阀，通过高压测量口往第一绝热保温测量容器中充水，当第一排气口出水时，关闭第一排气阀，打开第一水流出口阀门， 10分钟后分别测量高压测量口和第一绝热保温测量容器中水的温度；将第二绝热保温测量容器的第二水流出口阀门关闭，打开第二水流进口阀门和第二排气阀，通过低压测量口往第二绝热保温测量容器中充水，当第二排气口出水时，关闭第二排气阀，打开第二水流出口阀门，10分钟后分别测量低压测量口和第二绝热保温测量容器中水的温度；第二步，当高压测量口和第一绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计分别测量第一绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；当低压测量口和第二绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计分别测量第二绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；第三步，通过蜗壳压差传感器测量蜗壳的压差参数，通过功率变送器测量输入功率；第四步，向数据采集仪输入机组进、出口断面高程以及高低断面测量容器中压力测点的位置高程；通过数据采集仪分别采集第一压力传感器、第一铂电阻传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计、蜗壳压差传感器以及功率变送器测量参数；数据采集仪将接收的数据和采集的参数经过数据转换和处理后推送给效率计算系统；第五步，效率计算系统通过接收的数据信息计算水力机械的效率。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (6)

1.一种绝热保温测量容器，其特征在于:包括外壳，所述外壳包括外层和内层，所述外层和内层之间设置有保温层，所述外壳设有水流进口、压力传感器接口、温度传感器接口、水流出口以及排气孔；所述水流进口、水流出口相对设置且位于等高的同一平面内，所述水流进口、水流出口、压力传感器接口以及温度传感器接口均位于排气孔下方；所述压力传感器接口、温度传感器接口以及水流出口分别设置有压力传感器、铂电阻传感器以及流量计，所述水流进口、水流出口以及排气孔均分别通过管道安装有水流进口阀门、水流出口阀门以及排气阀。
2.根据权利要求1所述绝热保温测量容器，其特征在于：所述压力传感器、铂电阻传感器、流量计均通过螺纹连接方式与压力传感器接口、温度传感器接口以及水流出口连接，且对各对接口均进行密封处理。
3.根据权利要求2所述绝热保温测量容器，其特征在于：所述保温层填充材料为橡塑保温材料，且所述保温层的厚度至少为100毫米。
4.根据权利要求3所述绝热保温测量容器，其特征在于：所述内层为不锈钢，所述不锈钢的钢板厚度至少为10mm。
5.基于权利要求1所述的绝热保温测量容器的热力学法测效率装置，用于水力机械中水轮机的效率测量计算，所述水力机械包括水轮机、水泵以及可逆式水泵水轮机，该水轮机流道内按水流流向依次设有压力钢管-蜗壳-尾水管，且所述压力钢管和蜗壳之间设置有高压测量口，所述尾水管末端设置有低压测量口，其特征在于；包括蜗壳压差传感器、功率变送器、信号采集仪、效率计算系统以及第一、第二绝热保温测量容器；所述第一绝热保温测量容器的第一进水口与高压测量口相连通，所述第二绝热保温测量容器的第二进水口与低压测量口相连通；所述第一绝热保温测量容器包括第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计，而所述第二绝热保温测量容器包括第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计；所述第一铂电阻传感器、第二铂电阻传感器通过扩展接口连接有测温电桥，所述信号采集仪分别与测温电桥、第一压力传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二流量计、蜗壳压差传感器、功率变送器以及效率计算系统连接。
6.基于权利要求5所述的热力学法测效率装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将第一绝热保温测量容器的第一水流出口阀门关闭，打开第一水流进口阀门和第一排气阀，通过高压测量口往第一绝热保温测量容器中充水，当第一排气口出水时，关闭第一排气阀，打开第一水流出口阀门， 10分钟后分别测量高压测量口和第一绝热保温测量容器中水的温度；将第二绝热保温测量容器的第二水流出口阀门关闭，打开第二水流进口阀门和第二排气阀，通过低压测量口往第二绝热保温测量容器中充水，当第二排气口出水时，关闭第二排气阀，打开第二水流出口阀门，10分钟后分别测量低压测量口和第二绝热保温测量容器中水的温度；第二步，当高压测量口和第一绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第一压力传感器、第一铂电阻传感器以及第一流量计分别测量第一绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；当低压测量口和第二绝热保温测量容器中水保持相同温度时，通过第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计分别测量第二绝热保温测量容器中水的压力、温度、流量的参数；第三步，通过蜗壳压差传感器测量蜗壳的压差参数，通过功率变送器测量输入功率；第四步，向数据采集仪输入机组进、出口断面高程以及高低断面测量容器中压力测点的位置高程；通过数据采集仪分别采集第一压力传感器、第一铂电阻传感器、第一流量计、第二压力传感器、第二铂电阻传感器以及第二流量计、蜗壳压差传感器以及功率变送器测量参数；数据采集仪将接收的数据和采集的参数经过数据转换和处理后推送给效率计算系统；第五步，效率计算系统通过接收的数据信息计算水力机械的效率。
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