水力机组相对效率试验工作水头的修正计算

黄波，张军，田海平

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

水力机组相对效率试验工作水头的修正计算

黄波，张军，田海平

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

水力机组相对效率试验采用指数流量代替绝对流量，无法得到速度水头，因此引用的工作水头中往往忽略速度水头，造成试验结果存在误差。本文提出一种新的方法，可以有效地对计算工作水头进行修正，与实际工作水头更为接近，试验结果更为精确。

水力机组；相对效率试验；工作水头；速度水头

水轮机效率是水电厂非常重要的一项指标。由于利用理论换算得到的水轮机特性不能准确地反映实际机能的性能〔1〕，为了充分利用水力资源，实现电厂经济运行，越来越多的电厂要求开展真机效率试验，而进行真机效率试验时需要测量水轮机出力、水头及机组过流量，且流量测量工作量大、试验条件严格，因此众多研究者转向相对效率试验的研究，并以此指导机组经济运行。通过相对效率法，能够测得效率的相对值，可以大大减少工作量，因此相对效率在国内外应用相当广泛。

1 水力机组相对效率试验

水力机组绝对效率是通过机组出力、水头及绝对流量3个量计算出来，而相对效率是通过机组出力、水头及指数流量计算出来的，指数流量不是真正的流量，而是采用一个能够反映流量相对值的量。指数流量一般通过差压法求得:

式中 Q∗为指数流量；K为流道系数，在相对效率试验中可取为1；h为差压值；n为指数，统计资料表明 n为 0.5，能够准确反映差压与流量关系〔2〕。

关于差压值测点的选取，不同结构形式的机组选择不一样。对于混流式、轴流式、斜流式水轮机，可选取蜗壳内外缘压力差作为差压值；对于贯流式水轮机，可以选取导叶前2个截面积不同断面的压力差作为差压值〔3〕。

相对效率试验中，机组有功功率能够直接测量出，指数流量也能够通过差压法简单换算得到，而水头还需要通过间接的方法计算出来。水轮机工作水头H也称为净水头，为水轮机进口断面与尾水管出口断面的总能头之差。不同结构形式的机组水轮机进口断面的选择也不同，例如反击式水轮机圆形蜗壳，该断面的选择为压力钢管与蜗壳交界处；对于反击式水轮机矩形混凝土蜗壳，该断面的选择为进水闸门槽处。水轮机工作水头H用公式可表示为:

式中 Z2为水轮机进口压力变送器安装高程(m)；P2为水轮机进口压力 (kPa)；V2为水轮机进口断面平均流速 (m/s)；Z3为尾水管出口压力变送器安装高程 (kPa)；P3为尾水管出口压力(kPa)；V3为尾水管出口断面平均流速 (m/s)；Q为机组过流量 (m3/s)；F2为水轮机进口断面面积(m2)；F3为尾水管出口断面面积 (m2)；γ为水的容重 (9.8 N/kg)；g为重力加速度 (9.8 m/s2)。

Z2，Z3可以通过查阅设计资料得到，P2，P3也可以直接测量到，由于相对效率试验中所测得的是相对流量，所以V2，V3无法算得，因此部分研究者在进行相对效率水头计算时，忽略速度水头，这势必影响相对效率的计算精度，不计速度水头的工作水头计算方法为:

2 工作水头的修正

厂家向水电厂提供的运行特性曲线是由模型机试验结果换算得来的，虽然模型试验特性与实际运行特性存在一定差别，但差别不大。尤其随着模型试验精度的不断提高，这种差别也随之减小，可以通过查询运转特性曲线，估算出当前水头下机组流量，进而修正工作水头。

某工况点出力测量为Ni，不计速度水头的工作水头为H2i，H2i可以通过测量数据直接算出，修正后的工作水头为H1i。

查询运转特性曲线，得到H′水头下的流量出力对应关系 (其中H′与H2i相近)，并通过曲线拟合，得到机组在H′水头下出力为Ni对应的流量Qi′。

根据相似定律，通过H′水头下的出力Ni及流量Qi′可以换算出H2i水头下相对应的出力Nj及流量Qj:

H2i水头下出力为Ni对应的流量Qk为:

根据式(4)—(6)可得:

考虑到H2i与H1i相差很小，可以认为2个水头下的流量特性一致，即Qk为当前工况点的实际流量。联合式 (2)， (3)， (6)可以计算出修正后的工作水头H1i。

3 现场应用

某水电厂开展相对效率试验，其蜗壳进口断面面积为74.47 m2，尾水管出口断面面积为120.76 m2，蜗壳进口压力变送器与尾水管出口压力变送器安装高程一致，均为▽205.5 m，不计速度水头的工作水头H2i为70 m左右。

1)查询机组运转特性曲线，可以得到70 m工作水头的流量出力对应关系 (见图1)，并得到二次拟合函数y＝0.00196x2＋0.41890x＋167.11984，R2＝0.998 19。

图1 70 m工作水头出力流量曲线

2)通过拟合函数可以得到70 m工作水头下出力Ni对应的流量Qi′，进而计算出H2i水头下出力Ni对应的流量Qk。

3)通过Qk可以计算出蜗壳进口速度水头及尾水管出口速度水头，进而可以对工作水头进行修正，计算结果详见表1。

结果表明，机组工作水头得到极大修正，其中在350 MW工况，水头修正值达到1.72 m，修正后的工作水头与实际机组工作水头更为接近，采用该水头进行相对效率试验计算也将使计算结果更为精确。

表1 工作水头修正计算表

4 结语

本文通过查询由模型特性曲线换算过来的水轮机运转特性曲线，实现了机组流量的估算，有效修正了相对效率试验中的工作水头，使计算工作水头与实际工作水头更为接近，相对效率试验结果也更为精确。

〔1〕郑源，李贤庆，张新珊，等.利用蜗壳压差侧流做原型水轮机效率试验 〔J〕.河海大学学报，1997(3):103-106.

〔2〕郑阿花.水轮机相对效率试验近似标定蜗壳流量系数 〔J〕.湖南电力，1996(3):53-56，60.

〔3〕刘晓亭.水力机组现场测试手册 〔M〕.北京:水力水电出版社，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