馮雁敏， 常洪軍， 張恩博

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

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基于超聲波測流法的HLA855a-LJ-310型水輪機效率試驗

馮雁敏， 常洪軍， 張恩博

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

水輪機效率特性是評價水輪機性能的一個重要指標，是進行機組間負荷優(yōu)化分配的依據(jù)，故對水輪發(fā)電機組進行原型水輪機效率特性試驗具有十分重要的意義。在試驗機組投入商業(yè)運行前,應(yīng)用超聲波測流法對HLA855a-LJ-310型水輪機進行了現(xiàn)場效率試驗。介紹了試驗設(shè)備和計算機測試系統(tǒng)的配置，闡述了工況參數(shù)的計算方法，根據(jù)試驗測試結(jié)果計算出試驗水頭下水輪機的效率特性及其耗水率特性，分析了引水水頭損失與流量平方之間的關(guān)系，根據(jù)計算和分析結(jié)果修正了水輪機生產(chǎn)廠家給定的蝸殼壓差流量系數(shù)。在對試驗數(shù)據(jù)的分析計算中發(fā)現(xiàn)，超聲波測流法的實時性好，操作簡單。分析和計算結(jié)果表明，試驗水頭下水輪機效率和最大出力可以滿足技術(shù)協(xié)議保證值的要求，但其他水頭下的特性曲線還有待進一步的試驗分析。

水輪機；效率試驗；超聲波法；出力特性

水輪機作為一種將水能轉(zhuǎn)化為機械能的能量轉(zhuǎn)換原動裝置，它的轉(zhuǎn)換效率是評價其性能的重要指標[1-2]。水輪機效率特性因機型的不同和在設(shè)計方法、制造加工、安裝質(zhì)量各環(huán)節(jié)存在的差異而不同。對于已經(jīng)投入運行的水輪發(fā)電機組，因為設(shè)計選型不合理或制造安裝質(zhì)量存在缺陷，使得水輪機效率偏低，有的機組長期在低效率區(qū)運行，這將影響機組效率的發(fā)揮，同時會使機組的振動擺度增大,汽蝕破壞加劇，嚴重威脅機組乃至整個水電站的安全穩(wěn)定運行。水輪機生產(chǎn)廠家提供的由模型機試驗結(jié)果換算來的綜合運轉(zhuǎn)特性曲線不能反映真機的實際特性。因此，在新機組投產(chǎn)時或老機組更新改造前后需進行水輪機原型效率試驗。通過水輪機原型效率試驗，鑒定試驗水頭下的水輪機效率特性、耗水率特性、流量特性、流道損失特性，以便為水電站的經(jīng)濟運行提供依據(jù)。

水輪機原型效率試驗中測點較多、測試難度最大的是對水輪機流量的測量。除了熱力學(xué)法直接測得效率外，不同的流量測試方法直接決定了效率試驗的性質(zhì)。目前常用的測流方法有：超聲波法、蝸殼差壓法、流速儀法、畢托管法、示蹤法、水錘法及堰測法等。各測試方法的使用條件及優(yōu)缺點各不相同，要根據(jù)水電站引水系統(tǒng)狀況、水頭的高低、水輪機的形式以及其他實際情況選擇使用。熱力學(xué)法對溫度測量傳感器有很高的精度要求，流速儀法適用于管徑較小的機組，而超聲波法具有測試相對簡單、測試數(shù)據(jù)的精度高等優(yōu)點[3-9]。文中結(jié)合試驗機組實際情況選擇超聲波測流法進行水輪機效率試驗，檢驗水輪機制造廠家提供的效率保證是否達到要求。

1　試驗機組基本參數(shù)

1.1水輪機技術(shù)參數(shù)

水輪機技術(shù)參數(shù)：型號為HLA855a-LJ-310，額定流量為85.3 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為272.7 r/min，設(shè)計水頭為135 m，最大水頭為155 m，最小水頭為117 m。

1.2發(fā)電機技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機技術(shù)參數(shù)：型號為SF103-22/6730，額定功率為103 MW，額定容量為117.7 MV·A，額定電壓為13 800 V，額定電流為4 924.8 A。

2　超聲波測流法的水輪機效率試驗

2.1試驗測點及測試設(shè)備

水輪機效率試驗的主要測點有：上游水位、下游水位、水輪機流量、導(dǎo)葉開度、發(fā)電機的有功功率和無功功率、蝸殼壓差、蝸殼進口壓力、尾水出口壓力等。電站的上、下游水位數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場計算機監(jiān)控系統(tǒng)讀出，其他測點參數(shù)的測量均采用相應(yīng)傳感器通過轉(zhuǎn)換裝置輸入GMH 550水輪發(fā)電機組綜合試驗系統(tǒng)來實現(xiàn)，相關(guān)試驗設(shè)備見表1。

表1　試驗設(shè)備

2.2流量測量

采用UF-911多路超聲波流量計測量水輪機流量。UF-911超聲波流量計由換能器、電纜組、擴展槽及上位機組成，并含有打印機接口和串行通訊接口及模擬量輸出接口。試驗機組壓力鋼管平直管段長度為26 m，鋼管內(nèi)徑為4.2 m.測流斷面選在鋼管人孔門上游側(cè)8 m處，安裝的換能器按65°聲路角、交叉8聲路布置。

2.3試驗指標的計算公式

水輪機效率試驗工況指標包括水輪機工作水頭、發(fā)電機輸出功率、水頭損失、引水系統(tǒng)水頭損失、水輪機效率、機組效率、耗水率等，工況指標按文獻[1-2]的相關(guān)要求進行計算。

2.3.1水輪機工作水頭

水輪機工作水頭定義為水輪機的蝸殼進口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差，表示為:

(1)

式中:Ht為水輪機工作水頭，m；Z1和Z2分別為蝸殼進口和尾水管出口壓力傳感器的安裝高程，m；P1和P2分別為蝸殼進口和尾水管出口壓力值，Pa；V1和V2分別為蝸殼進口和尾水管出口斷面水流的平均流速，m/s；α1和α2分別為蝸殼進口和尾水管出口斷面流速分布不均勻系數(shù)，取α1≈1.0、α2≈1.0；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?經(jīng)計算，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.797 3 m/s2)；γ為當(dāng)?shù)厮娜葜?溫度4 ℃時，對應(yīng)γ=9 797.3 N/m3)。

2.3.2發(fā)電機輸出功率

應(yīng)用功率傳感器在互感器的二次端測量發(fā)電機的輸出功率。電壓互感器的變比為KV，電流互感器的變比為KI，發(fā)電機的輸出功率N為：

N=KVKIW。

(2)

式中W為功率變送器讀數(shù)。

2.3.3水頭損失和引水系統(tǒng)水頭損失

水頭損失Hl定義為電站水頭與水輪機工作水頭之差，則

Hl=Zu-Zd-Ht。

(3)

式中Zu、Zd分別為電站的上、下游水位,m。

引水系統(tǒng)水頭損失Hd定義為電站上游水位與蝸殼進口斷面的總能頭之差，m。則

(4)

2.3.4效率

水輪機效率ηt表示為:

(5)

機組效率ηu表示為:

(6)

式中:ηt為水輪機效率，%；ηu為機組效率，%；Ng為發(fā)電機有功功率，MW；ηg為發(fā)電機效率，%，發(fā)電機效率特性曲線由現(xiàn)場提供；Q為水輪機流量，m3/s。

各工況實測的有功功率Ngi、水輪機流量Qi均要換算到所有工況實測水輪機工作水頭下的算術(shù)平均值對應(yīng)的換算值[1-2]，換算公式為：

(7)

(8)

2.3.5耗水率

耗水率計算公式為：

(9)

式中ε為耗水率，m3/(kW·h)。

2.4試驗工況及調(diào)整要求

按照文獻[1]的要求，手動調(diào)整導(dǎo)葉開度來改變試驗工況，工況開度定為空載開度和20%、30%、35%、40%、45%、50%、52.5%、55%、57.5%、60%、62.5%、65%、67.5%、70%、72.5%、75%、80%導(dǎo)葉開度，先依次遞增，再依次遞減，導(dǎo)葉開度按單方向調(diào)整，避免超調(diào)后再回調(diào)。試驗過程中，功率的變化不應(yīng)超過功率平均值的±1.5%，轉(zhuǎn)速的變化不應(yīng)超過轉(zhuǎn)速平均值的±0.5%，發(fā)電機的功率因數(shù)盡量保持為0.99，試驗過程中水頭保持穩(wěn)定，其偏差不超過平均水頭的±1.0%[1-2].每次調(diào)整試驗工況時，要求該工況穩(wěn)定5 min后再進行試驗數(shù)據(jù)采集。

3　試驗成果分析

3.1水輪機效率計算結(jié)果及分析

水輪機效率試驗測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表2，水輪機特性曲線如圖1所示，水輪機特性曲線擬合方程見表3。

表2　水輪機效率試驗計算結(jié)果

圖1　水輪機效率試驗特性曲線

表3　水輪機效率試驗特性擬合方程

由表2、表3及圖1可以看出，在試驗水頭下，實測水輪機最高效率為92.90%，由水輪機生產(chǎn)廠家提供的運轉(zhuǎn)特性曲線求得試驗水頭下對應(yīng)的最高效率為90.70%，可以滿足要求?？紤]到誤差影響(誤差為±1.84%)，按正誤差計算，換算到水輪機最高效率為94.74%；在最大導(dǎo)葉開度下(81.30%)，發(fā)電機最大輸出功率為110.46 MW；全部試驗工況中，最小耗水率為2.73 m3/(kW·h)，平均耗水率為3.16 m3/(kW·h)，水輪機過水流道最大水頭損失為2.98 m；當(dāng)水輪發(fā)電機組出力為87～110 MW時為高效率區(qū)域，水輪機效率均在90%以上。因此在試驗水頭下水輪機宜在此負荷范圍運行。

3.2蝸殼流量系數(shù)的率定

水輪機原型效率試驗的重要成果之一是率定蝸殼流量計系數(shù)K值，為以后利用蝸殼壓差法測試流量提供依據(jù)。當(dāng)蝸殼橫斷面通過流量Q時,蝸殼內(nèi)外緣兩點產(chǎn)生壓力差h，根據(jù)伯努利方程，可推導(dǎo)出流量與蝸殼壓力差平方根的關(guān)系為

(10)

對于同一臺機組的同兩根測壓管，只要測點位置及狀態(tài)不變，K值便是既定常數(shù)。由表3中的試驗數(shù)據(jù)可以計算出K=20.81。試驗機組水輪機流量與蝸殼壓力差平方根的線性關(guān)系如圖2所示。

圖2　蝸殼的流量特性曲線

4　試驗誤差分析

水輪機效率試驗誤差由系統(tǒng)誤差和隨機誤差組成。系統(tǒng)誤差是指方向、大小一定的誤差，反映測量的正確度；隨機誤差是指方向、大小可變的誤差，隨觀測次數(shù)的增加呈正態(tài)分布規(guī)律，反映了測量的精密度，具有相互抵償性。

4.1系統(tǒng)誤差

水輪機效率的系統(tǒng)誤差由相關(guān)測試設(shè)備的精度決定。

4.1.1流量誤差

水輪機流量采用超聲波流量儀測量，其精度為1.5%，所以流量測量誤差fQ=1.5%。

4.1.2水頭誤差

蝸殼進口壓力采用0.2級壓力傳感器測量，使用在4/5量程，蝸殼進口壓力測量誤差為:

(11)

尾水出口壓力采用0.2級壓力傳感器測量，使用在1/3量程，尾水出口壓力測量誤差為:

(12)

故水頭測量誤差為：

(13)

4.1.3功率誤差

發(fā)電機功率采用功率變送器測量，測量精度為0.2%，取其測量誤差fP=0.2%。

4.1.4試驗設(shè)備誤差

中元瑞訊GMH550綜合測試儀測量精度為0.5%，取其測量誤差fs=0.5%。

4.1.5系統(tǒng)誤差

由上得出水輪機效率的系統(tǒng)誤差為

(14)

4.2隨機誤差

在同一條件下的重復(fù)測量列的標準差Sy按貝塞爾法確定.超聲波測流法求得的水輪機效率特性曲線擬合方程為：

(15)

其標準差Sy按下式計算，

(16)

式中:η0i為對應(yīng)自變量擬合曲線上的值；ηi為對應(yīng)自變量的實測值；n為觀測次數(shù)，取33；m為多項式的階數(shù)，取2。

計算得：Sy=2.242%。

隨機誤差為：

(17)

4.3水輪機效率的總誤差

水輪機效率的試驗綜合誤差為:

(18)

本次試驗，水輪機效率誤差在允許的范圍內(nèi)[±(1.5%～2.5%)]，滿足文獻[2]的要求，故試驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果可靠。

5　結(jié)　語

1)應(yīng)用超聲波測流法對試驗機組進行水輪機效率試驗，每個工況點的功率變化沒有超過該工況平均功率值的±1.5%，試驗過程中水頭基本保持穩(wěn)定，其偏差沒有超過平均水頭的±1.0%，頻率的變化也未超出平均頻率值的±0.5%，水輪機效率總誤差為±1.84%，滿足文獻[2]中±1.5%～±2.5%(置信度95%)的要求，且實測的效率特性曲線光滑，各工況點沒有明顯的離散，因此取得的試驗數(shù)據(jù)及計算成果是可信的。

2)在試驗水頭下，實測水輪機最高效率為92.90%，大于根據(jù)水輪機生產(chǎn)廠家提供的運轉(zhuǎn)特性曲線求得的試驗水頭下的最高效率(90.70%)；在最大導(dǎo)葉開度下(81.30%)，發(fā)電機最大輸出功率為110.46 MW；當(dāng)水輪發(fā)電機組出力為87～110 MW時為高效率區(qū)域，因此在試驗水頭下水輪機宜在此負荷范圍運行。通過試驗數(shù)據(jù)分析，水輪機效率和最大出力可以滿足技術(shù)協(xié)議保證值的要求。

3)建議在其他特征水頭下再次進行水輪機效率試驗，以獲得完整的水電機組動力特性曲線，為水電站的經(jīng)濟運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程：GB/T 20043—2005[S].北京：中國標準出版社，2005．

[2]International Electrotechnical Commission.Field Acceptance Tests to Determine the Hydraulic Performance of Hydraulic Turbines,Storage Pumps and Pump-turbines:IEC 60041—1991.0[S].Genneva,Switzerland:IEC,1991.

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

The Efficiency Test of HLA855a-LJ-310 Type Hydraulic Turbine Based on Ultrasonic Wave Method

FENG Yanmin, CHANG Hongjun, ZHANG Enbo

(Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Co., Ltd. of State Grid, Shenyang 110006, China)

The efficiency is an important aspect to evaluate the performance of hydraulic turbine, and it is basic data for the optimization of the load distribution. It has a very important significance to test the turbine efficiency of prototype hydraulic turbine unit. The filed efficiency test of HLA855a-LJ-310 type turbine which based on ultrasonic wave method was carried out before the test unit was put into commercial operation. The configurations of test instrument and computer test system were introduced in this paper, the calculation method of the parameters tested was explained. The efficiency and water consumption characteristics of the hydraulic turbine at the test head were calculated, and the relationship between the head loss of diversion system and the square of flow was analyzed. The volute pressure difference coefficient provided by the hydraulic turbine manufacturer was amended. Through the test data analysis, the flow measurement by ultrasonic had a simple operation and a good real-time performance, the efficiency and the maximum output of the unit at the test head met the requirements of the technical agreement. In order to compare the curves of other heads, further demonstration was needed.

hydraulic turbine; efficiency test; ultrasonic wave method; output characteristics

2015-09-05

馮雁敏(1984—),男,河北邢臺人,高級工程師,碩士,主要從事水電機組調(diào)試及性能試驗方面的研究。E-mail:neprifengyanmin@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.015

TV734.1;TK733+.1

A

1002-5634(2016)01-0078-06