[发明专利]一种水电机组效率试验装置及优化测量方法

权利要求书

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。