CN108414931B - 一种水电机组效率试验装置及优化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电机组效率试验装置及优化测量方法，包括高压测量装置和低压测量装置，所述高压测量装置从高压侧中取水，对取样的水流进行参数测量。所述低压测量装置安装在低压侧，直接在水流中测量主水流的压力、温度参数。优化测量方法包括：测量计算得到初步流量；迭代计算实际流量；多次迭代计算最终流量；计算水电机组效率。在本发明的优点在于：扩展了热力学法的应用范围；避开了采用引水容器造成的绝热困难的问题；满足了对测点数目的要求，同时满足封闭式测量断面和敞开式测量断面测试要求；对每个测点能够单独测量、计算和比较的要求，提高了试验精度。

Description

一种水电机组效率试验装置及优化测量方法

技术领域

本发明涉及水轮机技术领域，特别涉及一种水电机组效率试验装置及优化测量方法。

背景技术

水轮机效率是水电站的重要技术指标之一，尤其是国际工程的验收移交过程中，水轮机效率指标担当着重要的角色，因此大多数要求开展水轮机绝对效率试验。而水轮机效率的测量难点在于绝对流量的测量，对水轮机(含蓄能泵、水泵水轮机)而言，按照流量参数的测量方法，可分为流速仪法、压力时间法、超声波法和热力学法，前三种方法都是直接测得机组的绝对流量，再计算得到效率。

根据“IEC60041-1991 Field acceptance tests to determine the hydraulicperformance of hydraulic turbines,storage pumps and pump-turbines”和“GB/T20043水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程”中“效率测试的热力学法”说明，可以利用水轮机的单位机械能和水力比能来确定效率，而无需测量流量。

热力学法效率测试是1914年法国人Poison提出，其依据是热力学第一定律。在机组实际运行中，传递到水轮机轴的单位质量水体的能量，可以通过性能参数(压力、温度、流速和高程)和水的热力学参数进行确定。这种能量的交换称为“单位机械能”。而在理想化的机组运行过程中(如不考虑水流的摩擦)，可以采用同样的计算过程单位质量水体在理想状态下传递至水轮机轴的能量。该能量仅与水的特性以及机组参数有关，通常称它为“单位水能”。

在实际过程中，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。

根据GB/T20043-2005的规定描述，如果测量断面在主流中测量有困难，可以设计专门的引水容器来测定温度和压力。

由于热力学法测量方法中，水流的温差极小，对水流的温度测量精度要求高，通常需要测温传感器精度达到0.001K，因此在高精度测温传感器未普及前，通常采用精度较低的铂电阻测温，再利用高低压侧测温电桥连接的方式，来测得两个测量断面的温差，应用范围也限制在水头>100m以上的机组。

另外，由于高压侧引水容器需要较高的耐压性能，对100米到500米水头的电站，通常需要1MPa到5MPa的耐压等级，除了加强容器本身的壁厚，各个连接部位均是薄弱环节。如果两个测量断面均采用引水容器，引水管道距离过长，绝热效果难以保证，容易出现试验失败的情况。

现有技术：

专利申请号：CN201210117358.3，专利名称为：绝热保温测量容器和热力学法测效率装置及其适用方法；

该发明提出了一种保温绝热、数据采集简便、结构简单且测量结果精确的绝热保温测量容器，该容器可以在热力学法的水轮机效率试验中得以应用。高低压测量断面采用了两个相同的测量容器，分别集成了铂电阻传感器、压力传感器、流量传感器，并通过测温电桥将铂电阻传感器连接，以测量其温差。

两测量容器将进口断面和出口断面的水流各自引入，且处于同一等高平面；测量容器外壳由外层、保温层、内层复合而成。容器保温层填充材料采用了橡胶保温材料，其内层为不锈钢钢板，以实现耐压性能。

现有技术的缺陷：

1.高压测温容器应用范围窄。

该发明提出，容器内层采用了厚度至少10mm的不锈钢钢板，抗压强度至少为2.0MPa，因此可以满足2000米以下的水流测量强度要求，扩大了发明的使用范围。

根据该发明提到的2.0MPa的抗压强度，进口测量断面的压力换算成水位高程，P＝ρgH，即H＝P/ρg，按照ρ＝1000kg/m³和g＝9.8m/s初略计算的话，耐压区间为水轮机水头200米左右，而非该专利中提到的2000米，为计算错误，而对于通常应用于100米～500米水头水轮机的热力学法而言，其耐压200米并没有扩展其应用范围。

实际上热力学法的关键测量因素为水流的上下游温差，水头较低的情况下，温差较小，通常为千分之一K的精度，现有温度测量设备无法满足其精确度要求，按照GB/T20043-2005的规定(34.2节)，热力学法通常应用于水头>100米的情况，且水头越高越容易实现测量。

因此，该容器的设计仅仅通过增加钢板厚度来实现高耐压性能，并无法扩展其低水头情况下的测量精度问题。尤其是水头在70～100m区间的水轮机，要实现其温差的准确测量，需要考虑其他方式。

2.高压侧取水容器的引水管保温问题。

虽然测温容器实现了绝热材料保温，但测温容器与蜗壳的连接段，也就是引水管路上安装了流量测量装置-电磁流量计，且并无绝热保温措施，导致水流通过流量计流入测温容器前，已经出现了大量的热能损失。

另外，电磁流量计按照GB/T5321-2005(附录AA.1)的规定，需要满足前10倍管径、后5倍管径的测量要求，因此引水管路需要相当长，从而造成额外的温度损失，而且引水管路的长度增加也会造成整个引水容器的质量，全部压在容器与电磁流量计的连接法兰处，极易出现断裂或事故。

3.低压侧保温测量容器的绝热问题。

该发明将低压侧水流引入至保温测量容器，且置于与高压侧引水容器同一水平，实际上保温测量容器的绝热较容易实现，通过增加保温层和挑选保温材料即可。但水轮机低压测量断面，即尾水出口扩散段离高压侧即蜗壳进口处距离较远，如果需要将低压侧水流引入至保温测量容器，其引出管道的保温绝热相当困难，对封闭式尾水断面，其引出水流需要在混凝土层挖设专门的管道和孔洞，基本不可能实现绝热；开放式尾水断面，要引出水流其管道将与空气长距离接触，也会造成严重的热能损失。从混凝土中埋设钢管引水，很难做到绝热保温。

4.低压侧采用单一取水口的保温测量容器，不能满足规程要求。

根据GB/T 20043-2005(38.1.2节)要求，对于开敞式测量断面，至少保证测量六个点的温度值，如果任意两个点的效率差大于1.5％时，需要修正。对于封闭式测量断面，可以接近的测量断面，通常需要3或4个测量点，对不可接近的测量断面，设计装置通过多个管子收集流量，以检验各个测点的效率值之差不大于1.5％。

而采用该发明的低压侧保温测量容器，单一取水口无法满足多个测量点的精度要求，更无法比较各个测点的效率。

5.低压侧流量计可以精简。

该发明低压测量断面采用了与高压侧同样的流量计，即通过流量和流量管路界面计算低压侧的容器内水流速度。

实际上根据水轮机单位机械能E_m的计算公式，可采用迭代法计算出低压侧流速，无需专门的流量计测量。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种水电机组效率试验的装置及优化测量方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种水电机组效率试验装置，包括：水轮机、高压侧管路1、低压侧管路4、高压测量装置2和低压测量装置3。

所述水轮机两端分别连接高压侧管路1和低压侧管路4。

所述高压测量装置2从高压侧管路1中取水，再对取样的水流进行参数测量。

所述低压测量装置3安装在低压侧管路4内，直接在水流中测量主水流的压力、温度参数。

所述高压测量装置2包括：引水探针5、压力钢管焊接法兰6、主调节阀门7、加强筋8、水箱主体9、压力传感器10、流量测量管11，压紧套12、高精度温度传感器13、电磁流量计14、微调节阀15、取样水箱绝热罩16和保温材料注入孔17。

在高压侧管路1管壁上开孔，焊接压力钢管焊接法兰6，试验时，引水探针5插入压力钢管焊接法兰6中，水流流入引水探针5，经过主调节阀门7，流入水箱主体9中，并从流量测量管11流入电磁流量计14，最后从微调节阀15排出。

所述水箱主体9左侧固定设置压紧套12，从压紧套12插入的高精度温度传感器13测量水箱主体9内的水流温度；所述水箱主体9下侧插入的压力传感器10测量取样水流压力；水流从微调节阀15排出前，电磁流量计14测量取样水流量。

所述水箱主体9与压力钢管焊接法兰6之间设置主调节阀门7，用于控制进入水箱主体9的水流大小；

所述微调节阀门15设置在电磁流量计14之后用于进行水流和温度的微调。

所述低压测量装置4，包括主测量杆18、4至6根取水管19、取水口20、电磁阀21、测温传感器22和压力传感器23；

所述主测量杆18为由三组十字管路组成，三组十字管路从上至下两两连接，十字管路剩余的八个末端都设有电磁阀21，电磁阀21的另一端用于连接取水管19，取水管19的另一头设置取水口20。

所述测温传感器22和压力传感器23设置在主测量杆18中心交汇处，用于测量多点流至中心的的温度和压力。

进一步地，所述水箱主体9与压力钢管焊接法兰6之间设有加强筋8，用于固定水箱主体9、压力钢管焊接法兰6、主调节阀门7的连接关系。

进一步地，试验时在取样水箱上安装取样水箱绝热罩16，取样水箱绝热罩16从绝热罩保温材料注入孔17注入的内部填充的泡沫绝热材料。

进一步地，所述4至6根取水管19，根据低压侧管路4的流道形状，安装在主测量杆18所组成的形状要和低压侧管路4的流道形状匹配，没有连接取水管19的电磁阀21处于关闭状态，连接取水管19的电磁阀21通过远程操控打开和关闭，实现不同管路的温度和压力测量。

本发明还公开一种水电机组效率优化测量方法，包括以下步骤：

第一步：测量计算得到初步流量Q₀；

在高压侧开孔并安装高压测量装置2，测量水轮机高压侧的压力P_abs11、温度θ₁₁、流速V₁₁；

低压侧布置低压测量装置3，测量低压侧尾水流道的压力P_abs2、温度θ₂，流速V₂假设为0，从而计算得到水轮机的单位机械能E_m,公式如下：

式中，P_abs11、V₁₁、Z₁₁-分别为水轮机高压侧取样水箱的绝对压力、流速、高程；

P_abs2、V₂、Z₂分别为水轮机出口侧/低压侧测量断面中心处的绝对压力、流速、高程；

两测量断面高程重力加速度的平均值。

θ₁₁、θ₂分别代表水轮机高压侧取样水箱和低压侧测量支架的平均温度，

为水的绝热系数；

为水的比热；

δE_m是单位机械能的修正项。

同时，测量得到发电机的轴功率P，进一步得到水轮机输出的机械功率P_m，而对水轮机的机械功率P_m，有：

P_m＝E_m·ρQ

式中：

ρ-水的密度；

Q-水轮机过机流量；

故结合E_m和P_m，可初步得到流量Q₀。

第二步：迭代计算实际流量Q；

根据第一步的计算结果流量Q₀，和低压测量断面的面积，得到第2次的尾水测量断面流速V_{2_1}，将V_{2_1}替换第一步中的V₂，开展第一步的计算过程，得到第2次的水轮机过机流量Q₁；

第三步：多次迭代计算最终流量Q；

多次重复第一步和第二步，直到流量Q₁和流速V₂收敛，得到最终流量Q。

第四步：计算水轮机效率；

已知水轮机过机流量后，水轮机效率可以通过水轮机工作水头和机组功率等参数直接计算得出。

与现有技术相比本发明的优点在于：

1.在保证耐压和绝热这两点要求后，创新的设计了高压测量装置；

2.通过双阀门调节，实现了较低水头下也能精确调节水温，扩展了热力学法的应用范围；

3.通过将引水流量的测量设备置于排水段，使其满足了流量计前十倍后五倍管径的安装要求，同时解决了流量计放置在引水管路上的绝热问题；

4.设立加强筋，将引水管连接处承受整个引水容器的重量，转移到加强筋上，极大提高了整个容器连接部件的强度和安全性，避免出现安全事故；

5.在低压侧避开了采用引水容器造成的绝热困难的问题，创新设计了在主流中测量的低压测量装置；

6.低压测量装置具有多个测点，满足了对测点数目的要求；

7.通过取水管和主测量杆的不同组合方式，满足封闭式测量断面和敞开式测量断面等不同测量断面的测量需求；

8.低压测量装置满足了通过对电磁阀的控制满足对每个测点能够单独测量、计算和比较的要求；

9.提出了尾水侧流量计算的迭代优化算法，减少现场安装的传感器数量，提高了试验精度。

附图说明

图1为本发明实施例高、低压测量面和高压引水容器示意图图；

图2为本发明实施例高压测量装置结构示意图；

图3为本发明实施例含绝热罩的高压测量装置结构示意图；

图4为本发明实施例低压测量装置拆解后的主视图；

图5为本发明实施例低压测量装置拆解后的右视图；

图6为本发明实施例水轮机流量优化迭代计算流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种水电机组效率试验装置，包括：水轮机、高压侧管路1、低压侧管路4、高压测量装置2和低压测量装置3。

所述水轮机两端分别连接高压侧管路1和低压侧管路4。

所述高压测量装置2从高压侧管路1中取水，再对取样的水流进行参数测量。

所述低压测量装置3安装在低压侧管路4内，直接在水流中测量主水流的压力、温度参数。

如图2所示，所述高压测量装置2包括：引水探针5、压力钢管焊接法兰6、主调节阀门7、加强筋8、水箱主体9、压力传感器10、流量测量管11，压紧套12、高精度温度传感器13、电磁流量计14、微调节阀15、取样水箱绝热罩16和保温材料注入孔17。

在高压侧管路1管壁上开孔，焊接压力钢管焊接法兰6，试验时，引水探针5插入压力钢管焊接法兰6中，水流流入引水探针5，经过主调节阀门7，流入水箱主体9中，并从流量测量管11流入电磁流量计14，最后从微调节阀15排出。

所述水箱主体9左侧固定设置压紧套12，从压紧套12插入的高精度温度传感器13测量水箱主体9内的水流温度；所述水箱主体9下侧插入的压力传感器10测量取样水流压力；水流从微调节阀15排出前，电磁流量计14测量取样水流量。

所述水箱主体9与压力钢管焊接法兰6之间设置主调节阀门7，用于控制进入水箱主体9的水流大小；

所述微调节阀门15设置在电磁流量计14之后用于进行水流和温度的微调。

所述水箱主体9与压力钢管焊接法兰6之间设有加强筋8，用于固定水箱主体9、压力钢管焊接法兰6、主调节阀门7的连接关系。

如图3所示，试验时在取样水箱上安装取样水箱绝热罩16，取样水箱绝热罩16从绝热罩保温材料注入孔17注入的内部填充的泡沫绝热材料。

如图4、5所示，所述低压测量装置4，包括主测量杆18、4至6根取水管19、取水口20、电磁阀21、测温传感器22和压力传感器23；

所述主测量杆18为由三组十字管路组成，三组十字管路从上至下两两连接，十字管路剩余的八个末端都设有电磁阀21，电磁阀21的另一端用于连接取水管19，取水管19的另一头设置取水口20。

所述测温传感器22和压力传感器23设置在主测量杆18中心交汇处，用于测量多点流至中心的温度和压力；

所述4至6根取水管19，根据低压侧管路4的流道形状，安装在主测量杆18所组成的形状要和低压侧管路4的流道形状匹配，没有连接取水管19的电磁阀21处于关闭状态，连接取水管19的电磁阀21通过远程操控打开和关闭，实现不同管路的温度和压力测量。

在测量敞开式测量断面时，用6根取水管19连接主测量杆18，在测量封闭式测量断面时，用4根取水管19连接主测量杆18。

如图6所示，一种水电机组效率优化测量方法，包括以下步骤：

第一步：测量计算得到初步流量Q₀；

在高压侧开孔并安装高压测量装置2，测量水轮机高压侧的压力P_abs11、温度θ₁₁、流速V₁₁；

低压侧布置低压测量装置3，测量低压侧尾水流道的压力P_abs2、温度θ₂，流速V₂假设为0，从而计算得到水轮机的单位机械能E_m,公式如下：

式中，P_abs11、V₁₁、Z₁₁-分别为水轮机高压侧取样水箱的绝对压力、流速、高程；

P_abs2、V₂、Z₂分别为水轮机出口侧/低压侧测量断面中心处的绝对压力、流速、高程；

两测量断面高程重力加速度的平均值。

θ₁₁、θ₂分别代表水轮机高压侧取样水箱和低压侧测量支架的平均温度，

为水的绝热系数；

为水的比热；

δE_m是单位机械能的修正项。

同时，测量得到发电机的轴功率P，进一步得到水轮机输出的机械功率P_m，而对水轮机的机械功率P_m，有：

P_m＝E_m·ρQ

式中：

ρ-水的密度；

Q-水轮机过机流量；

故结合E_m和P_m，可初步得到流量Q₀。

第二步：迭代计算实际流量Q；

根据第一步的计算结果流量Q₀，和低压测量断面的面积，得到第2次的尾水测量断面流速V_{2_1}，将V_{2_1}替换第一步中的V₂，开展第一步的计算过程，得到第2次的水轮机过机流量Q₁；

第三步：多次迭代计算最终流量Q

多次重复第一步和第二步，直到流量Q₁和流速V₂收敛，得到最终流量Q。

第四步：计算水轮机效率；

已知水轮机过机流量后，水轮机效率可以通过水轮机工作水头和机组功率等参数直接计算得出。

该种计算方法利用了热力学法中水轮机流量Q的计算需要用到尾水断面流速V₂，而尾水流速V₂又可以由流量Q和尾水断面截面积计算的相互引用和约束关系，无需再尾水断面安装流量测量装置，而实现了尾水测量断面流速的计算，成功解决了在主流中测量低压侧断面参数时流速测量困难的问题。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水电机组效率试验装置，其特征在于，包括：水轮机、高压侧管路(1)、低压侧管路(4)、高压测量装置(2)和低压测量装置(3)；

所述水轮机两端分别连接高压侧管路(1)和低压侧管路(4)；

所述高压测量装置(2)从高压侧管路(1)中取水，再对取样的水流进行参数测量；

所述低压测量装置(3)安装在低压侧管路(4)内，直接在水流中测量主水流的压力、温度参数；

所述高压测量装置(2)包括：引水探针(5)、压力钢管焊接法兰(6)、主调节阀门(7)、加强筋(8)、水箱主体(9)、压力传感器(10)、流量测量管(11)，压紧套(12)、高精度温度传感器(13)、电磁流量计(14)、微调节阀(15)、取样水箱绝热罩(16)和保温材料注入孔(17)；

在高压侧管路(1)管壁上开孔，焊接压力钢管焊接法兰(6)，试验时，引水探针(5)插入压力钢管焊接法兰(6)中，水流流入引水探针(5)，经过主调节阀门(7)，流入水箱主体(9)中，并从流量测量管(11)流入电磁流量计(14)，最后从微调节阀(15)排出；

所述水箱主体(9)左侧固定设置压紧套(12)，从压紧套(12)插入的高精度温度传感器(13)测量水箱主体(9)内的水流温度；所述水箱主体(9)下侧插入的压力传感器(10)测量取样水流压力；水流从微调节阀(15)排出前，电磁流量计(14)测量取样水流量；

所述水箱主体(9)与压力钢管焊接法兰(6)之间设置主调节阀门(7)，用于控制进入水箱主体(9)的水流大小；

所述微调节阀门(15)设置在电磁流量计(14)之后用于进行水流和温度的微调；

所述低压测量装置(4)，包括主测量杆(18)、4至6根取水管(19)、取水口(20)、电磁阀(21)、测温传感器(22)和压力传感器(23)；

所述主测量杆(18)由三组十字管路组成，三组十字管路从上至下两两连接，十字管路剩余的八个末端都设有电磁阀(21)，电磁阀(21)的另一端用于连接取水管(19)，取水管(19)的另一头设置取水口(20)；

所述测温传感器(22)和压力传感器(23)设置在主测量杆(18)中心交汇处，用于测量多点流至中心的温度和压力。

2.根据权利要求1所述的一种水电机组效率试验装置，其特征在于：所述水箱主体(9)与压力钢管焊接法兰(6)之间设有加强筋(8)，用于加强固定水箱主体(9)、压力钢管焊接法兰(6)、主调节阀门(7)的连接关系。

3.根据权利要求2所述的一种水电机组效率试验装置，其特征在于：试验时在取样水箱上安装取样水箱绝热罩(16)，取样水箱绝热罩(16)从保温罩保温材料注入孔(17)注入的内部填充的泡沫绝热材料。

4.根据权利要求1所述的一种水电机组效率试验装置，其特征在于：所述4至6根取水管(19)，根据低压侧管路(4)的流道形状，安装在主测量杆(18)所组成的形状要和低压侧管路(4)的流道形状匹配，没有连接取水管(19)的电磁阀(21)处于关闭状态，连接取水管(19)的电磁阀(21)通过远程操控打开和关闭，实现不同管路的温度和压力测量。

5.根据权利要求1所述的一种水电机组效率试验装置的水电机组效率优化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：测量计算得到初步流量Q₀；

在高压侧开孔并安装高压测量装置(2)，测量水轮机高压侧的压力P_abs11、温度θ₁₁、流速V₁₁；

低压侧布置低压测量装置(3)，测量低压侧尾水流道的压力P_abs2、温度θ₂，流速V₂设为0，从而计算得到水轮机的单位机械能E_m,公式如下：

式中，P_abs11、V₁₁、Z₁₁-分别为水轮机高压侧取样水箱的绝对压力、流速、高程；

P_abs2、V₂、Z₂分别为水轮机出口侧/低压侧测量断面中心处的绝对压力、流速、高程；

-两测量断面高程重力加速度的平均值；

θ₁₁、θ₂分别代表水轮机高压侧取样水箱和低压侧测量支架的平均温度，

为水的绝热系数；

为水的比热；

δE_m是单位机械能的修正项；

同时，测量得到发电机的轴功率P，进一步得到水轮机输出的机械功率P_m，而对水轮机的机械功率P_m，有：

P_m＝E_m·ρQ

式中：

ρ-水的密度；

Q-水轮机过机流量；

故结合E_m和P_m，初步得到流量Q₀；

第二步：迭代计算实际流量Q；

根据第一步的计算结果流量Q₀，和低压测量断面的面积，得到第2次的尾水测量断面流速V_{2_1}，将V_{2_1}替换第一步中的V₂，开展第一步的计算过程，得到第2次的水轮机过机流量Q₁；

第三步：多次迭代计算最终流量Q；

多次重复第一步和第二步，直到流量Q₁和流速V₂收敛，得到最终流量Q；

第四步：计算水轮机效率；

已知水轮机过机流量后，水轮机效率可以通过包括水轮机工作水头和机组功率的参数直接计算得出。