基于流量模型的水電機組效率監測

尚 欣， 程遠楚， 安 浩， 郭欣然

(1.水力機械過渡過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

效率是評價水電機組性能優劣的重要指標之一[1]，隨著水輪機設計、制造水平的提高，其最高效率可達95%以上。水輪機投入運行后，由于運行條件的變化，將導致水輪機運行偏離高效區；且隨著時間的推移，在同樣的工況下機組效率也可能降低。若水輪機長期在低效區運行，會造成嚴重的振動和空蝕破壞，從而導致水輪機性能變差，致使任何工況效率均降低；此外，若在同一工況下水輪機效率降低，則表明水輪機的性能已劣化，可能需采取相應的應對及處理措施。因此，開展水電機組效率監測與評估具有重要的價值。一方面，水電機組效率監測可以了解機組的運行狀況，為檢查水輪機工作性能以及狀態檢修提供一定的指導[2]，對水電廠的安全運行具有重要意義。另一方面，水電機組效率在線監測可以給水電廠的經濟運行與調度提供重要的參考依據[3]。

水電機組效率監測有多種不同的實現方法，但無論何種方法，均需實測發電機有功功率、水輪機工作水頭、水輪機流量[4,5]。其中，發電機有功功率大多采用高精度的功率變送器測量。水輪機工作水頭是先通過測量相關的參數，然后根據伯努利方程計算得到，包括勢頭、壓頭和速頭三部分。勢頭的測量取在水輪機進口處的壓力表或者壓力傳感器的中心高程，壓頭的測量取水輪機進口處壓力表或者壓力傳感器的讀數并把此讀數換算成以“kPa”為單位的壓頭值，這兩部分測量均為成熟的技術與方法，而速頭的測量需要通過測量斷面的流量除以該斷面的面積得到該斷面的平均流速，再與相應地速度分布不均勻系數計算得到，此時需知道水輪機的流量大小[6]。水輪機流量的測量目前主要有超聲波測流法和蝸殼差壓法。其中，超聲波測流法設備投資較高，技術比較復雜，使用要求相當嚴格[7]；蝸殼差壓法的蝸殼流量系數不易確定，且必須在原型效率試驗中確定[6]。在許多實際系統中，受條件限制，這些測流條件達不到，導致流量無法準確測量。本文擬分析水輪機流量與水輪機相關特征參數的關系，建立水輪機流量與特征參數的關系模型；探討一種通過測量與流量相關的特征參數的水電機組效率監測與評估方法。

1 水輪機流量模型與效率監測

在水力發電過程中，水輪機出力為：

Pt=9.81QHηt

(1)

發電機出力為：

PG=PtηG

(2)

由式(1)、式(2)可得：

PG=9.81QHηtηG=9.81QHη

(3)

式中：Pt為水輪機出力；PG為發電機有功功率；ηt為水輪機效率；ηG為發電機效率；η為水電機組效率；Q為水輪機流量；H為水輪機工作水頭。

由式(1)、(2)、(3)可定義能量模型E為η=E(PG，Q，H)。根據能量模型，水電機組效率η可通過測量發電機有功功率、水輪機工作水頭以及水輪機流量求得。其中發電機有功功率以及水輪機靜水頭(不包含速度水頭的工作水頭H1)可由引言中所提方法測得。當水輪機流量測量受條件限制無法采用超聲波測流、蝸殼差壓等方法時，本文提出一種流量模型F來計算流量。

在正常條件下，水輪機靜水頭以及開度一定時，通過水輪機的流量是確定的，記為Q=F(H1，Y)。通過分析水輪機長期運行過程中所得的歷史數據或試驗數據，可建立流量與靜水頭和開度的函數關系。由此，實時監測水電機組靜水頭與導葉開度，可以計算出當前運行工況下水輪機的流量，并由式(3)計算出水電機組效率。

水輪機流量效率監測過程如圖1所示。由當前實測靜水頭和導葉開度，根據流量模型F計算出流過水輪機的流量，然后利用伯努利方程G計算得到水輪機工作水頭，再結合已測得的發電機有功功率，通過能量模型E得出機組效率，進而得到當前水輪機相對效率ηt。為了便于對效率變化狀態進行評估，應將ηt和對應的H、Y存入歷史數據庫，這樣可以通過同一水頭、同一開度下的ηt的比較，評估水電機組的運行狀況。

圖1 流量效率監測過程Fig.1 Flow and efficiency monitoring process

2 監測系統設計

2.1 系統設計

根據基于流量模型的水電機組效率監測方法，設計了水電機組效率監測與評估系統，系統結構如圖2所示。該系統主要由實時數據采集模塊、參數設定模塊、流量與效率計算模塊、歷史數據模塊、關系曲線模塊、狀態評估與報警模塊等模塊構成。

(1)實時數據采集模塊。效率試驗需要采集大量的實時數據，包括水輪機進口處壓力P1、尾水管出口壓力P2、導葉開度Y、發電機有功功率PG。

(3)流量與效率計算模塊。本模塊的主要功能是計算分析現場采集的實時數據。根據已經確定的水電機組的特定參數和現場采集的數據通過流量效率監測過程的程序模塊計算分析，得到水輪機不同工況下的流量與相對效率。

(4)歷史數據庫模塊。建立與水輪機效率相關的歷史數據庫，儲存水輪機不同開度、不同水頭以及對應的流量、相對效率。

(5)關系曲線模塊。提取歷史數據庫中數據，繪制效率監測曲線，包括24h的相對效率實時變化曲線、不同開度下相對效率隨水頭變化曲線、不同水頭下相對效率隨開度變化曲線。

圖2 系統模塊結構圖Fig.2 Structure diagram of system module

2.2 監測結果

監測過程如圖3所示。

圖3 水電機組效率監測流程Fig.3 Efficiency monitoring process of hydropower unit

具體步驟如下：

Step1：分別測量P1、P2、Y、PG；

Step2：由P1、P2、Z1、Z2分別計算水輪機進出口的壓頭和勢頭，可以得到水輪機靜水頭H1；

Step3：根據Q=F(H1，Y)的關系，由Step1、 Step2得到的Y、H1計算得出水輪機流量Q；

Step4：根據Step3得到的Q，再結合引言中所提速頭的計算方法得到水輪機進出口的速頭；

Step5：由Step2 和Step4得到的水輪機進出口壓頭、勢頭和速頭，利用伯努利方程計算水輪機工作水頭H；

Step6：根據Step3和Step5得到的Q、H，由PG=9.81QHη可以計算出水電機組效率η，再由η=ηtηG計算得出水輪機相對效率ηt，并將ηt、Q以及對應的H、Y存入歷史數據庫；

Step7：通過不同的H、Y在歷史數據庫查找任意工況下水輪機相對效率ηt，并繪制效率監測曲線；

Step8：通過效率監測曲線的變化趨勢評估水輪機的運行狀況。

圖4給出了某電站機組在不同開度與水頭下的效率監測曲線。

圖4 效率監測曲線Fig.4 Efficiency monitoring curve

圖4中曲線分別為前一時段H等于73、84、96、113 m時水輪機相對效率隨著開度變化的關系曲線。紅色圓圈代表H=73 m,a=50%時的當前相對效率。從圖中可以看出當前運行得到的相對效率略低于前一時段效率關系曲線中該點的相對效率。

3 結 語

本文建立了水輪機的流量模型，并基于流量模型設計了水電機組效率監測與評估系統，為水輪機流量效率監測與評估提供了一種新的途徑。利用該系統，可實時監測機組的相對效率，并可通過與相同工況下歷史數據對比進行機組狀態的評估，為水電機組優化運行與安全運行提供了參考與指導。

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