某新投水電站機(jī)組效率試驗項目及方法

鄧小華

（中電建水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041）

1 電站概況

某新投水電站取水口位于新疆克孜河中游，烏恰縣吾合沙魯鄉(xiāng)東北，夏特河與克孜河匯合口左岸上游1.7km 處，距離烏恰縣約42km。安裝4 臺單機(jī)容量62MW 的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)248MW。

2 機(jī)組效率試驗?zāi)康?/h2>

水輪機(jī)效率試驗是水輪發(fā)電機(jī)組的基本試驗，其效率特性是機(jī)組的基本動力特性。通過試驗測定水輪機(jī)的效率特性，提供基礎(chǔ)技術(shù)資料，鑒定水輪機(jī)的其他特性。通過測試水輪機(jī)效率，可以得到并調(diào)整水輪發(fā)電機(jī)組的效率特性，確保機(jī)組在高效率區(qū)運行，為水電站經(jīng)濟(jì)運行提供依據(jù)，從而獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)電機(jī)效率是直接關(guān)系整機(jī)發(fā)電效率的一個主要部分，通過對發(fā)電機(jī)各主要損耗功率的測試來反應(yīng)發(fā)電機(jī)的效率，發(fā)電機(jī)效率的提升可以直接提升水輪發(fā)電機(jī)組的總效率。

3 案例水電站機(jī)組效率試驗的項目及方法

該水電站機(jī)組效率試驗分為水輪機(jī)效率試驗和發(fā)電機(jī)效率試驗，水輪機(jī)效率試驗3 項，發(fā)電機(jī)效率試驗9 項。

3.1 水輪機(jī)效率試驗

水輪機(jī)效率試驗按照國家有關(guān)效率試驗標(biāo)準(zhǔn)或合同方同意的類似規(guī)程進(jìn)行，相應(yīng)的測量元件及安裝等應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求。包括流程測試、壓力測試、有功功率測試。

3.1.1 流量測試

水輪機(jī)流量采用蝸殼差壓以及現(xiàn)場超聲波兩種方法。

（1）蝸殼差壓測量方法及原理。Q 可用蝸殼差壓法得出相對流量，如圖1 所示，其測量原理如下。

圖1 蝸殼差壓法測流量

在蝸殼一斷面上取兩點1 和2，外測點為1 點，與圓周切線夾角為a1，流速為v1，距水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)中心軸線距離為r1，；內(nèi)測點為2 點，與圓周切線夾角為a2，速度為v2，距水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)中心軸線距離為r2。假定a1=a2，設(shè)蝸殼中水流沒有損失，根據(jù)水流等速度矩規(guī)律，則v1r1=v2r2=const。當(dāng)橫斷面通過流量Q 時兩點之間的壓差為：h=p1/r-p2/r=v22/2g-v12/2g，當(dāng)橫斷面通過流量Q′時兩點之間的壓差為：h′=p1′/r-p2′/r=v2′2/2g-v1′2/2g。由水流相似條件可得：。將v1′，v2′代入可得：。則或。

由此可以得到蝸殼壓差與流量的算術(shù)平方根成正比。相同蝸殼的測壓管，測量狀態(tài)相同，K 是常數(shù)。相同蝸殼不同測量孔或者不同的蝸殼，K 不是常數(shù)。

（2）超聲波測量方法及原理。利用超聲波測量蝸殼中的水流速度，在管道上下游分別安裝兩個超聲波換能器T1，T2。水的流速V，超聲波在靜水中的聲速C。

T1發(fā)射，T2接收，順?biāo)鞯膫鞑r間T12=。

T2發(fā)射，T1接收，逆水流的傳播時間T21=。

根據(jù)T12和T21兩個傳播時間，得到流速。

由此可得，超聲波的速度變化與蝸殼內(nèi)水的流速成正比。將參數(shù)置入儀器，變換器再將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換得到瞬時流量，進(jìn)而得到累計流量Q[1-2]。

3.1.2 壓力測試

（1）水輪機(jī)工作水頭計算如式（1）所示。

式中：ΔP——蝸殼進(jìn)口與尾水管出口的壓差；γ——水的密度；V2——蝸殼進(jìn)口平均流速；V3——尾水管出口平均流速（V2、V3可按V=Q/F 計算，Q 為流量，F(xiàn) 為斷面面積）；a2——蝸殼進(jìn)口流速不均勻系數(shù)；a3——尾水管出口流速不均勻系數(shù)（a2=a3=1）；g——重力加速度。

（2）水頭換算。各工況點實際水頭在試驗時是不一致的，計算水頭一般采用平均水頭，當(dāng)平均水頭與額定水頭接近時，以額定水頭作為計算水頭，然后再用計算水頭進(jìn)行換算[1-2]。

3.1.3 有功功率測試

發(fā)電機(jī)的輸出功率是效率測試的重要數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行精確測量。

（1）測量條件及測量方法。①測量發(fā)電機(jī)有功功率，要與水輪機(jī)試驗同步進(jìn)行、同時讀數(shù)。②在效率試驗全過程中多個工況點上，發(fā)電機(jī)要保持額定電壓、額定轉(zhuǎn)速。③整個試驗過程中，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)要保持同一值（其偏差不得超過0.01），有條件下最好使功率因數(shù)cosφ=1，若條件不允許則功率因數(shù)要保持穩(wěn)定值。④使用0.2 級功率變送器，按照現(xiàn)場所接的電壓、電流互感器變比，及其比差、角差的校驗修正系數(shù)進(jìn)行修正，計算得出各工況的有功功率。⑤采用HSJ2010 水力機(jī)械綜合測試系統(tǒng)進(jìn)行測試記錄，對各工況點的功率進(jìn)行連續(xù)采樣，以減小功率擺動帶來的影響。

（2）施測要點。①試驗前首先要確認(rèn)水輪發(fā)電機(jī)中性線是否引出，是否接地，三線制還是四線制。②測量三相功率中，電流和電壓都有方向問題，所以要注意電流互感器和電壓互感器的極性問題。電壓互感器原邊標(biāo)有大寫字母A.X，副邊相應(yīng)的標(biāo)有小寫字母a.x，電流互感器原邊標(biāo)有大寫字母L，K，副邊標(biāo)有相應(yīng)的小寫字母l，k。

（3）水輪機(jī)效率計算。

首先，相對效率計算。引入指數(shù)流量Q*，Q*=Khn，指數(shù)效率為η*，可得式（2）。

采用相對法，η*max表示全工況的最高指數(shù)效率，相對效率如式（3）所示。

式中：Ng——測量工況點的發(fā)電機(jī)輸入功率；H——測量工況點的水頭；h——測量工況點的蝸殼差壓；Ngmax——相應(yīng)最高指數(shù)效率工況點上的發(fā)電機(jī)輸入功率；Hm——相應(yīng)最高指數(shù)效率工況點上的水頭；hm——相應(yīng)最高指數(shù)效率工況點上的蝸殼差壓；n——指數(shù)，一般取0.5。

由此可知，用差壓值來代替流量測量，試驗工作量大大減少。相對法試驗可以得到與絕對效率特性曲線的形狀完全一樣的相對效率特性曲線，進(jìn)而根據(jù)水輪機(jī)最高相對效率曲線，得到相對效率運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。

其次，絕對效率計算。計算公式如式（4）所示。

式中：ηT——水輪機(jī)效率，%；NT——水輪機(jī)輸出功率，MW；ρ——水的密度（997.5kg/m3，20℃）；g——重力加速度（9.791m/s2）；Q——機(jī)組流量（m3/s）；H——工作水頭，m[1-2]。

3.2 發(fā)電機(jī)效率試驗

發(fā)電機(jī)效率試驗包括通風(fēng)摩擦損耗測量、定子銅損計算或測量、定子鐵芯損耗測量、勵磁損耗計算、發(fā)電機(jī)外殼表面散熱損耗測量、發(fā)電機(jī)電刷摩擦損耗、軸承摩擦損耗計算和壓降電損耗計算、發(fā)電機(jī)效率計算。

3.2.1 通風(fēng)摩擦損耗測量

發(fā)電機(jī)無勵磁空轉(zhuǎn)，保持轉(zhuǎn)速n＝ne±0.05%ne，發(fā)電機(jī)運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風(fēng)量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進(jìn)、出風(fēng)溫。待發(fā)電機(jī)各部溫度在1h 內(nèi)變化不超過2K 為止，然后按照式（5）計算通風(fēng)摩擦損耗。

式中：P——被冷卻介質(zhì)帶走的損耗，kW；Cρ——冷卻介質(zhì)的比熱，KJ/（kg·K）；Q——冷卻介質(zhì)的流量，m3/s；ρ——冷卻介質(zhì)的密度，kg/m3；Δt——冷卻介質(zhì)的溫升，K[3]。

3.2.2 定子鐵芯損耗測量

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持額定ne±0.05%ne，發(fā)電機(jī)空載，定子電壓保持額定值Ue±0.5%Ue。發(fā)電機(jī)運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風(fēng)量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進(jìn)、出風(fēng)溫。待發(fā)電機(jī)各部溫度在1h 內(nèi)變化不超過2K 為止，然后計算通風(fēng)損耗和鐵芯損耗之和，用該值減去通風(fēng)損耗即可求得鐵芯損耗[3]。

3.2.3 定子銅損測量或計算

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持額定ne±0.05%ne，三相短路，分別保持定子電流為70%Ie±0.5%Ie、80%Ie±0.5%Ie、90%Ie±0.5%Ie、100%Ie±0.5%Ie，在每種工況下電機(jī)穩(wěn)定運行2h后分別測量各空氣冷卻器的出風(fēng)量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進(jìn)、出風(fēng)溫。待發(fā)電機(jī)各部溫度在1h內(nèi)變化不超過2K 為止，然后計算通風(fēng)損耗和銅損耗之和，用該值減去通風(fēng)損耗即可求得銅損耗[3]。

3.2.4 勵磁損耗計算

發(fā)電機(jī)勵磁損耗由勵磁變壓器損耗求得。

3.2.5 定子鐵心部分機(jī)械損耗測量

發(fā)電機(jī)在額定有功負(fù)荷、額定功率因數(shù)、額定工況下，運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風(fēng)量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進(jìn)、出風(fēng)溫、定子電壓、定子電流、功率、cosφ、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流、定子繞組溫度、定子鐵芯溫度等，直到發(fā)電機(jī)各部溫度在1h 內(nèi)變化不超過2K 為止。計算定子繞組銅損、轉(zhuǎn)子繞組銅損、定子鐵損、部分機(jī)械損耗、附加損耗之和。

3.2.6 發(fā)電機(jī)機(jī)殼表面散熱損耗測量

發(fā)電機(jī)在100%額定負(fù)荷、額定功率因數(shù)下運行并達(dá)到熱穩(wěn)定后，采用紅外線測溫儀測量發(fā)電機(jī)機(jī)殼表面各部位溫度（不少于20 點），環(huán)境溫度（不少于5點），并計算電機(jī)表面散熱損耗[3]。

3.2.7 發(fā)電機(jī)軸承摩擦損耗計算

發(fā)電機(jī)軸承摩擦損耗取用制造廠計算值。

3.2.8 電刷摩擦損耗和壓降電損耗計算

電刷摩擦損耗計算如式（6）所示。

式中：Pm電——電刷摩擦損耗，kW；μ——電刷摩擦系數(shù)；v——滑環(huán)圓周速度，m/s；Σ（P·A）——施于電刷的總壓力，MPa，以及電刷的總面積，m2。

電刷壓降電損耗計算如式（7）所示。

式中：P壓——電刷壓降電損耗，kW；Ife——轉(zhuǎn)子額定勵磁電流，A；Δu——電刷電阻壓降，V。

3.2.9 發(fā)電機(jī)效率計算

發(fā)電機(jī)不同有功功率下的效率采用式（8）進(jìn)行計算，作出不同有功功率下的效率曲線。

式中：Σp——電機(jī)總損耗，kW；pn——電機(jī)額定功率，kW[4]。

4 機(jī)組效率試驗的效果

效率試驗數(shù)據(jù)表明，該水電站機(jī)組效率試驗項目設(shè)計合理，邏輯清晰，方法正確，所測數(shù)據(jù)與實際發(fā)電工況運行數(shù)據(jù)吻合度高，誤差在0.3%以內(nèi)，為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行提供了科學(xué)的真實數(shù)據(jù)，達(dá)到了試驗?zāi)康模Ч@著[5]。

5 結(jié)語

通過對某新投水電站機(jī)組效率試驗的設(shè)計和實際測試，分析了中型水電站機(jī)組效率試驗的具體項目和試驗方法，獲得了工程實測數(shù)據(jù)，為類似水電站開展機(jī)組效率試驗提供了參考和有益的借鑒。