水力機組相對效率試驗工作水頭的修正計算

黃波，張軍，田海平

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

水力機組相對效率試驗工作水頭的修正計算

黃波，張軍，田海平

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

水力機組相對效率試驗采用指數流量代替絕對流量，無法得到速度水頭，因此引用的工作水頭中往往忽略速度水頭，造成試驗結果存在誤差。本文提出一種新的方法，可以有效地對計算工作水頭進行修正，與實際工作水頭更為接近，試驗結果更為精確。

水力機組；相對效率試驗；工作水頭；速度水頭

水輪機效率是水電廠非常重要的一項指標。由于利用理論換算得到的水輪機特性不能準確地反映實際機能的性能〔1〕，為了充分利用水力資源，實現電廠經濟運行，越來越多的電廠要求開展真機效率試驗，而進行真機效率試驗時需要測量水輪機出力、水頭及機組過流量，且流量測量工作量大、試驗條件嚴格，因此眾多研究者轉向相對效率試驗的研究，并以此指導機組經濟運行。通過相對效率法，能夠測得效率的相對值，可以大大減少工作量，因此相對效率在國內外應用相當廣泛。

1 水力機組相對效率試驗

水力機組絕對效率是通過機組出力、水頭及絕對流量3個量計算出來，而相對效率是通過機組出力、水頭及指數流量計算出來的，指數流量不是真正的流量，而是采用一個能夠反映流量相對值的量。指數流量一般通過差壓法求得:

式中 Q?為指數流量；K為流道系數，在相對效率試驗中可取為1；h為差壓值；n為指數，統計資料表明 n為 0.5，能夠準確反映差壓與流量關系〔2〕。

關于差壓值測點的選取，不同結構形式的機組選擇不一樣。對于混流式、軸流式、斜流式水輪機，可選取蝸殼內外緣壓力差作為差壓值；對于貫流式水輪機，可以選取導葉前2個截面積不同斷面的壓力差作為差壓值〔3〕。

相對效率試驗中，機組有功功率能夠直接測量出，指數流量也能夠通過差壓法簡單換算得到，而水頭還需要通過間接的方法計算出來。水輪機工作水頭H也稱為凈水頭，為水輪機進口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差。不同結構形式的機組水輪機進口斷面的選擇也不同，例如反擊式水輪機圓形蝸殼，該斷面的選擇為壓力鋼管與蝸殼交界處；對于反擊式水輪機矩形混凝土蝸殼，該斷面的選擇為進水閘門槽處。水輪機工作水頭H用公式可表示為:

式中 Z2為水輪機進口壓力變送器安裝高程(m)；P2為水輪機進口壓力 (kPa)；V2為水輪機進口斷面平均流速 (m/s)；Z3為尾水管出口壓力變送器安裝高程 (kPa)；P3為尾水管出口壓力(kPa)；V3為尾水管出口斷面平均流速 (m/s)；Q為機組過流量 (m3/s)；F2為水輪機進口斷面面積(m2)；F3為尾水管出口斷面面積 (m2)；γ為水的容重 (9.8 N/kg)；g為重力加速度 (9.8 m/s2)。

Z2，Z3可以通過查閱設計資料得到，P2，P3也可以直接測量到，由于相對效率試驗中所測得的是相對流量，所以V2，V3無法算得，因此部分研究者在進行相對效率水頭計算時，忽略速度水頭，這勢必影響相對效率的計算精度，不計速度水頭的工作水頭計算方法為:

2 工作水頭的修正

廠家向水電廠提供的運行特性曲線是由模型機試驗結果換算得來的，雖然模型試驗特性與實際運行特性存在一定差別，但差別不大。尤其隨著模型試驗精度的不斷提高，這種差別也隨之減小，可以通過查詢運轉特性曲線，估算出當前水頭下機組流量，進而修正工作水頭。

某工況點出力測量為Ni，不計速度水頭的工作水頭為H2i，H2i可以通過測量數據直接算出，修正后的工作水頭為H1i。

查詢運轉特性曲線，得到H′水頭下的流量出力對應關系 (其中H′與H2i相近)，并通過曲線擬合，得到機組在H′水頭下出力為Ni對應的流量Qi′。

根據相似定律，通過H′水頭下的出力Ni及流量Qi′可以換算出H2i水頭下相對應的出力Nj及流量Qj:

H2i水頭下出力為Ni對應的流量Qk為:

根據式(4)—(6)可得:

考慮到H2i與H1i相差很小，可以認為2個水頭下的流量特性一致，即Qk為當前工況點的實際流量。聯合式 (2)， (3)， (6)可以計算出修正后的工作水頭H1i。

3 現場應用

某水電廠開展相對效率試驗，其蝸殼進口斷面面積為74.47 m2，尾水管出口斷面面積為120.76 m2，蝸殼進口壓力變送器與尾水管出口壓力變送器安裝高程一致，均為▽205.5 m，不計速度水頭的工作水頭H2i為70 m左右。

1)查詢機組運轉特性曲線，可以得到70 m工作水頭的流量出力對應關系 (見圖1)，并得到二次擬合函數y＝0.00196x2＋0.41890x＋167.11984，R2＝0.998 19。

圖1 70 m工作水頭出力流量曲線

2)通過擬合函數可以得到70 m工作水頭下出力Ni對應的流量Qi′，進而計算出H2i水頭下出力Ni對應的流量Qk。

3)通過Qk可以計算出蝸殼進口速度水頭及尾水管出口速度水頭，進而可以對工作水頭進行修正，計算結果詳見表1。

結果表明，機組工作水頭得到極大修正，其中在350 MW工況，水頭修正值達到1.72 m，修正后的工作水頭與實際機組工作水頭更為接近，采用該水頭進行相對效率試驗計算也將使計算結果更為精確。

表1 工作水頭修正計算表

4 結語

本文通過查詢由模型特性曲線換算過來的水輪機運轉特性曲線，實現了機組流量的估算，有效修正了相對效率試驗中的工作水頭，使計算工作水頭與實際工作水頭更為接近，相對效率試驗結果也更為精確。

〔1〕鄭源，李賢慶，張新珊，等.利用蝸殼壓差側流做原型水輪機效率試驗 〔J〕.河海大學學報，1997(3):103-106.

〔2〕鄭阿花.水輪機相對效率試驗近似標定蝸殼流量系數 〔J〕.湖南電力，1996(3):53-56，60.

〔3〕劉曉亭.水力機組現場測試手冊 〔M〕.北京:水力水電出版社，1993.

Working head correction calculation of relative efficiency test for hydraulic turbines

HUANG Bo，ZHANG Jun，TIAN Haiping
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The velocity head can not be obtained because the index flow is instead of absolute flow in relative efficiency test and the velocity head is often neglected in the traditional calculation of working head，which cause some error of test result.This paper presents a new method for the correction calculation of working head which makes the value of computation working head is close to the value of practical working head and the test results are more reliable.

hydraulic turbine；relative efficiency test；working head；velocity head

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.006

TM72

B

1008-0198(2015)04-0024-03

2015-06-16