王邦旭，蔡家林，蒙淑平，田繼在，肖志懷

(1.武漢大學(xué)水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430072；2.國家電網(wǎng)江西省柘林水電廠，江西 九江 330317)

0 引 言

江西柘林水電廠A1號機(jī)組由江西電機(jī)廠在20世紀(jì)70年代生產(chǎn)，原水輪機(jī)型號為HL240-LH-410，配套發(fā)電機(jī)型號為TS900/135-56。由于機(jī)組老化難以滿足安全發(fā)電要求，2013年對該機(jī)組進(jìn)行了增容改造。改造后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為東方電機(jī)廠生產(chǎn)的HLD786-LH-410型轉(zhuǎn)輪，其基本參數(shù)如表1。

表1 A1號機(jī)組改造后的水輪機(jī)基本參數(shù)Tab.1 Parameters of unit A1 after transformation

為了實(shí)測出機(jī)組的效率特性，檢驗機(jī)組技術(shù)改造的各項性能指標(biāo)，給電廠其他機(jī)組的更新改造奠定基礎(chǔ)，指導(dǎo)電廠經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行[1]，柘林水電廠聯(lián)合武漢大學(xué)與華中科技大學(xué)，于2017年1月進(jìn)行了A1號機(jī)組絕對效率驗收試驗。試驗同時得到改造后的機(jī)組綜合特性，給單機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、機(jī)組投入電網(wǎng)的最優(yōu)次序、最優(yōu)運(yùn)行工況及機(jī)組間的負(fù)荷分配提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

本次試驗的流量測量采用應(yīng)用廣泛、工藝成熟、精度較高的流速儀法[2]。流速儀法是一種較為古老的方法，實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗成熟，不受電磁、溫度、人為等因素的影響，性能穩(wěn)定。近年來，基于流速儀法的效率測試得到了進(jìn)一步的研究，并被廣泛地應(yīng)用于大型電站、泵站的機(jī)組現(xiàn)場試驗中，如劉老澗泵站通過流速儀法解決泵站單泵流量的測量、原型泵的效率測試等問題[3]。

試驗嚴(yán)格遵循GB/T 20043-2005《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場試驗規(guī)范》以及相關(guān)ISO國際規(guī)程，并采用了武漢大學(xué)自主開發(fā)的“水輪機(jī)流量效率測試系統(tǒng)”進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析與計算。

1 試驗方案

試驗通過測量機(jī)組有功功率、流量和工作水頭，計算得到機(jī)組效率。參數(shù)的具體測量與計算方法如下。

1.1 流量測量

結(jié)合柘林電廠的實(shí)際情況，測流斷面選擇在壓力管道內(nèi)攔污柵下游61 m處，距離下游彎管處12 m，測流直徑(D)為5.8 m。并根據(jù)驗收試驗規(guī)范，設(shè)計了圖1所示的6條測流支臂，共布置43臺LS25-1型旋槳式流速儀，能準(zhǔn)確測量不同工況下各點(diǎn)的流速，得到斷面上的流速分布情況。文獻(xiàn)4指出測流支架與斷面間的傾角、局部流速矢量與流速儀軸線的傾角不得超過±5°，因此試驗中的流速儀和測流支架均嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)施工安裝，將偏差控制在允許范圍內(nèi)。

由于測流支架與流速儀的存在，使過水?dāng)嗝鏈p小、局部流速增大，對流速分布產(chǎn)生影響，實(shí)測流量將會大于實(shí)際流量[5]。支架迎水面積與斷面面積之比為桿件排擠系數(shù)S，計算得本次試驗S值為2.02%，符合GB/T 20043-2005中應(yīng)低于6%的要求。由于排擠效應(yīng)的影響，計算所得流量應(yīng)進(jìn)行修正，試驗的流量修正系數(shù)為0.243%，因此實(shí)際流量需從實(shí)測流量中減少0.243%。

獲得各測點(diǎn)流速后，試驗采用平均流速法計算流量，流量計算公式為式(1)，其中計算平均流速的經(jīng)驗公式為式(2)[5]。

Q=A·U·(1-S)

(1)

(2)

式中：r*n為支臂上第n臺流速儀的相對半徑，為rn與半徑R的比值；un為各支臂上半徑相同處流速的算術(shù)平均值；m為不均勻指數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)，本次試驗取8。

圖1 流速儀分布與支架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Distribution of current meters and structureof bracket

1.2 工作水頭測量

水輪機(jī)的工作水頭為蝸殼進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面的總能量之差，即：

(3)

式中：Z1、Z2為蝸殼進(jìn)口、尾水管出口壓力測量儀表的安裝高程，m，在本次試驗中Z1=Z2；P1，P2為測得的兩斷面壓力，MPa，采用0.1級的壓力變送器測量；速度水頭用兩斷面平均流速(m3/s)V1，V2計算，按照V=Q/F計算，其中Q為水輪機(jī)流量[6]，蝸殼進(jìn)口斷面面積F1= 39.23 m2，尾水管出口斷面面積F2=51.74 m2。

試驗中上下游水位和水頭損失的波動使得工作水頭無法保持穩(wěn)定值。為獲取相同水頭下的效率特性，計算效率前需將各工作水頭取平均值，有功功率Ng及流量Q換算成平均水頭下的相應(yīng)值[7]：

(4)

(5)

式中：Qi、Ngi為實(shí)測的流量和功率值；Q、Ng為換算到平均試驗水頭下的流量和功率值；Hi為實(shí)測的水輪機(jī)工作水頭；H為平均試驗水頭。

1.3 發(fā)電機(jī)有功功率測量

水輪發(fā)電機(jī)組容量大、電壓高，三相有功功率均需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才可以測量。目前電廠普遍應(yīng)用線性度好、精度高的功率變送器測量發(fā)電機(jī)有功功率[8]，本試驗也采用此方法，采用的功率變送器精度為0.2級。功率變送器輸入、輸出、電源三端口相互隔離，輸出端輸出 4～20 mA的直流模擬信號到計算機(jī)中進(jìn)行采樣,計算機(jī)按輸出直流電壓與發(fā)電機(jī)功率的標(biāo)定關(guān)系將其換算成發(fā)電機(jī)功率。

1.4 效率計算

機(jī)組效率計算公式：

(6)

式中：η為機(jī)組效率，%；Ng為發(fā)電機(jī)有功功率，kW；Q為過機(jī)流量，m3/s；H為水輪機(jī)工作水頭，m。

水輪機(jī)效率計算公式：

(7)

1.5 蝸殼流量系數(shù)計算

根據(jù)蝸殼壓差法的測流原理可知，過機(jī)流量與蝸殼壓差存在以下關(guān)系[9]：

(8)

對于同一臺機(jī)組，得到系數(shù)K便獲得流量與蝸殼壓差的數(shù)量關(guān)系，即可以通過蝸殼壓差法測量流量[10]。本次試驗中，采用0.1級的3151型差壓變送器測量蝸殼壓差。

1.6 耗水率計算

耗水率計算公式：

(9)

2 試驗過程

在水電站運(yùn)行過程中，由于機(jī)組的組合運(yùn)行方式不同，下游水位會隨電站泄水量的變化而變化，電站毛水頭和工作水頭也隨之變化。因此本次試驗通過不同的機(jī)組組合運(yùn)行方式，產(chǎn)生三種工作水頭，分別測量了三種水頭狀態(tài)下各工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)。機(jī)組的組合方式如下：①水頭H1：兩臺大機(jī)、三臺小機(jī)發(fā)電；②水頭H2：單一小機(jī)發(fā)電；③水頭H3：一臺大機(jī)、一臺小機(jī)發(fā)電。計算得三個平均工作水頭分別為H1=40.318 m、H2=36.099 m、H3=39.0 m。

試驗過程中，導(dǎo)葉開度由空載開度遞增至額定開度，再遞減到空載開度，均為單方向調(diào)整，以避免機(jī)械死行程對精度的影響[11]。每一水頭下至少測量13個工況，導(dǎo)水葉開度調(diào)整穩(wěn)定7～10 min之后，統(tǒng)一發(fā)令同時對待測參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測定項目包括導(dǎo)葉開度、接力器行程、上游水位、下流水位、流量、蝸殼壓力、尾水管出口壓力、蝸殼壓差、發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率等參數(shù)。

試驗采用武漢大學(xué)研制的“水輪機(jī)流量效率測試系統(tǒng)”進(jìn)行各類參數(shù)的采集、計算和分析。該系統(tǒng)在測試過程中能實(shí)現(xiàn)采集參數(shù)、處理信號、計算數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果等，并可以保存數(shù)據(jù)以便后期的處理與分析。各項參數(shù)均采用相應(yīng)傳感器測量，通過轉(zhuǎn)換裝置將數(shù)據(jù)輸入“水輪機(jī)流量效率測試系統(tǒng)”，并由系統(tǒng)發(fā)出指令進(jìn)行同步采集。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)得到的流量、工作水頭和實(shí)測功率，進(jìn)行機(jī)組效率與水輪機(jī)效率的計算，再計算換算到平均試驗水頭下的流量、耗水率、機(jī)組效率與出力、水輪機(jī)效率與出力，得到試驗成果表。本次試驗測試工況較多，選取水頭H2狀態(tài)下的成果表見表2。

表2 水頭H2狀態(tài)下的成果計算表Tab.2 Calculation results under head H2 state

由試驗成果表可以得到機(jī)組各項參數(shù)之間的關(guān)系，繪制出一系列曲線，如流量與蝸殼壓差關(guān)系曲線，機(jī)組效率與出力關(guān)系曲線，水輪機(jī)效率與出力關(guān)系曲線，耗水率、流量與出力關(guān)系曲線等。選取部分曲線如圖2～4所示。

圖2 蝸殼壓差與流量關(guān)系線Fig.2 The relationship between the volute pressure difference and flow rate

圖3 3種水頭狀態(tài)下機(jī)組效率與出力關(guān)系曲線Fig.3 Curves of unit efficiency and output under three kinds of water head

圖4 3種水頭狀態(tài)下水輪機(jī)效率與出力關(guān)系曲線Fig.4 Curves of the hydro turbine efficiency and output under three kinds of water head

另外，根據(jù)流速儀測得的數(shù)據(jù)繪制出各測流直徑上流速的分布曲線，可以直觀地觀察整個斷面上的流速分布情況，水頭H2狀態(tài)下直徑B1-B2上的分布情況如圖5所示。

3.2 成果分析

(1)在流速儀測流過程中，各臺流速儀均正常工作，所得信號穩(wěn)定，全部數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確。由圖5得，各工況點(diǎn)的流速分布曲線平滑、無交叉，流速分布符合理論規(guī)律。

(2)由本次試驗結(jié)果可得，實(shí)測效率曲線光滑，各工況點(diǎn)無明顯離散，變化趨勢符合理論規(guī)律。當(dāng)水輪機(jī)出力在30～48 MW范圍內(nèi)時，3種水頭狀態(tài)下水輪機(jī)效率高于85%，效率較高，機(jī)組宜在此范圍內(nèi)運(yùn)行。耗水率較低的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷區(qū)為25～46 MW。

(3)由圖3、圖4可得，在高效區(qū)范圍內(nèi)機(jī)組單機(jī)運(yùn)行(H2=36.099 m)時效率高于其他水頭狀態(tài)，最高效率點(diǎn)的水輪機(jī)出力為41.5 MW，水輪機(jī)效率為93.8%，機(jī)組出力為40.5 MW，機(jī)組效率為91.6%。

(4)試驗誤差由流量測量、水頭測量、功率測量三部分的誤差組成，計算得本次效率試驗的總誤差為1.43%，符合規(guī)范 GB/T20043-2005中規(guī)定的精確度范圍(95%置信度下誤差介于±1.0%～±1.5%)，因此試驗所得結(jié)果是可信的、曲線是可用的。

圖5 水頭H2狀態(tài)下B1-B2支臂流速分布曲線Fig.5 Velocity distribution curve of B1-B2 arm under the condition of head H2

(5)經(jīng)過計算與擬合，率定了蝸殼壓差與流量之間的關(guān)系，得到機(jī)組蝸殼流量系數(shù)為K=91.249。本次試驗流量和壓差測試精度高、測試數(shù)據(jù)量充足，因此圖2中的關(guān)系曲線相關(guān)性程度高，測點(diǎn)離散度小，表明了所得蝸殼流量系數(shù)較為準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

(1)柘林水電廠A1號機(jī)組效率試驗采用先進(jìn)的測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動化的數(shù)據(jù)采集與計算、信號處理與分析，在保證實(shí)時測量參數(shù)的同時降低了人為誤差，提高了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。測量設(shè)備精度高，各工況點(diǎn)參數(shù)均多次測量取平均值，且綜合誤差在允許范圍內(nèi)，測試成果準(zhǔn)確、可信。

(2)本次試驗，三個工作水頭均保持穩(wěn)定，偏差在相應(yīng)平均工作水頭的0.385%～1.84%范圍內(nèi)，機(jī)組頻率偏差沒有超過額定值±0.2 Hz，功率因數(shù)始終穩(wěn)定在1左右，均滿足IEC規(guī)程要求。

(3)由試驗結(jié)果可得，柘林電廠A1號機(jī)組更新改造后的效率特性達(dá)到了設(shè)計要求，增容改造是成功的，能夠保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。同時率定的蝸殼流量系數(shù)可用于蝸殼壓差法測量流量，為以后的效率試驗和流量監(jiān)測提供便利。

(4)本次效率試驗的成功，驗證了基于流速儀法的效率試驗方法是準(zhǔn)確的、有效的，結(jié)合水電廠的實(shí)際情況來看，基于流速儀法的效率試驗方法具有較大的應(yīng)用推廣價值。

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