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(tái)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(yàn)?zāi)康?/h2>

水輪機(jī)效率試驗(yàn)是水輪發(fā)電機(jī)組的基本試驗(yàn)，其效率特性是機(jī)組的基本動(dòng)力特性。通過試驗(yàn)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(yùn)行，為水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(gè)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(yàn)的項(xiàng)目及方法

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

3.1 水輪機(jī)效率試驗(yàn)

水輪機(jī)效率試驗(yàn)按照國家有關(guān)效率試驗(yàn)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(diǎn)1 和2，外測點(diǎn)為1 點(diǎn)，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(diǎn)為2 點(diǎn)，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(shí)兩點(diǎn)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(shí)兩點(diǎn)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(gè)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(shí)間T12=。

T2發(fā)射，T1接收，逆水流的傳播時(shí)間T21=。

根據(jù)T12和T21兩個(gè)傳播時(shí)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(shí)流量，進(jìn)而得到累計(jì)流量Q[1-2]。

3.1.2 壓力測試

（1）水輪機(jī)工作水頭計(jì)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(jì)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(diǎn)實(shí)際水頭在試驗(yàn)時(shí)是不一致的，計(jì)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(shí)，以額定水頭作為計(jì)算水頭，然后再用計(jì)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(yàn)同步進(jìn)行、同時(shí)讀數(shù)。②在效率試驗(yàn)全過程中多個(gè)工況點(diǎn)上，發(fā)電機(jī)要保持額定電壓、額定轉(zhuǎn)速。③整個(gè)試驗(yàn)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(yàn)修正系數(shù)進(jìn)行修正，計(jì)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(diǎn)的功率進(jìn)行連續(xù)采樣，以減小功率擺動(dòng)帶來的影響。

（2）施測要點(diǎn)。①試驗(yàn)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(jì)算。

首先，相對效率計(jì)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(diǎn)的發(fā)電機(jī)輸入功率；H——測量工況點(diǎn)的水頭；h——測量工況點(diǎn)的蝸殼差壓；Ngmax——相應(yīng)最高指數(shù)效率工況點(diǎn)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(diǎn)上的水頭；hm——相應(yīng)最高指數(shù)效率工況點(diǎn)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(yàn)工作量大大減少。相對法試驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。

其次，絕對效率計(jì)算。計(jì)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(yàn)

發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)包括通風(fēng)摩擦損耗測量、定子銅損計(jì)算或測量、定子鐵芯損耗測量、勵(lì)磁損耗計(jì)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(jì)算和壓降電損耗計(jì)算、發(fā)電機(jī)效率計(jì)算。

3.2.1 通風(fēng)摩擦損耗測量

發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁空轉(zhuǎn)，保持轉(zhuǎn)速n＝ne±0.05%ne，發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jì)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(yùn)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(jì)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(jì)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(yùn)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(jì)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(lì)磁損耗計(jì)算

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁損耗由勵(lì)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(yùn)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(jì)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(yùn)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(diǎn)），環(huán)境溫度（不少于5點(diǎn)），并計(jì)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(jì)算

發(fā)電機(jī)軸承摩擦損耗取用制造廠計(jì)算值。

3.2.8 電刷摩擦損耗和壓降電損耗計(jì)算

電刷摩擦損耗計(jì)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(jì)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(lì)磁電流，A；Δu——電刷電阻壓降，V。

3.2.9 發(fā)電機(jī)效率計(jì)算

發(fā)電機(jī)不同有功功率下的效率采用式（8）進(jìn)行計(jì)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(yàn)的效果

效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該水電站機(jī)組效率試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)合理，邏輯清晰，方法正確，所測數(shù)據(jù)與實(shí)際發(fā)電工況運(yùn)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(yùn)行提供了科學(xué)的真實(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到了試驗(yàn)?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(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)際測試，分析了中型水電站機(jī)組效率試驗(yàn)的具體項(xiàng)目和試驗(yàn)方法，獲得了工程實(shí)測數(shù)據(jù)，為類似水電站開展機(jī)組效率試驗(yàn)提供了參考和有益的借鑒。