水輪發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)是水力機(jī)組的關(guān)鍵性能試驗(yàn)，水輪發(fā)電機(jī)的效率特性是機(jī)組的基本動(dòng)力特性，也是評(píng)價(jià)機(jī)組性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一和水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)施的基礎(chǔ)。因此，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的效率進(jìn)行測(cè)試，可指導(dǎo)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在水電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行效率測(cè)試，取得水輪機(jī)在試驗(yàn)水頭下的實(shí)際效率特性曲線，即水輪機(jī)效率與出力、流量與出力、水輪機(jī)出力與耗水率關(guān)系等曲線，把實(shí)測(cè)的效率特性曲線與根據(jù)模型試驗(yàn)換算來(lái)的效率特性曲線進(jìn)行比較，即可驗(yàn)證廠家所提供的效率保證值是否達(dá)到，這也是水輪發(fā)電機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行前驗(yàn)收的關(guān)

鍵項(xiàng)目之一。

本文以巴基斯坦汗華水電站 3 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)效率測(cè)試為例進(jìn)行研究分析，利用超聲波法對(duì)水輪機(jī)效率測(cè)試進(jìn)行了研究，涉及試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量、計(jì)算機(jī)測(cè)試

系統(tǒng)的配置以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析。

 

1 汗華水電站基本參數(shù)

汗華水 電 站 位 于 巴 基 斯 坦 開 伯 爾-普 赫 圖-赫 瓦( KPK) 省的印度河支流汗華河上，距伊斯蘭堡245km。電站設(shè)計(jì)水頭 244m，較大引用流量 30. 10m3 / s，電站裝機(jī) 2 × 34MW + 1 × 4MW，電站總裝機(jī)容量為 72MW。

 

1. 1 水輪機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

 

型號(hào): CJA475-W-146 /2 × 14. 5 ;

額定轉(zhuǎn)速: 428. 60r /min;

設(shè)計(jì)流量: 2. 10m3 / s; 安裝高程: 585. 5m;

額定出力: 4167kW;

飛逸轉(zhuǎn)速: 772 r /min;

設(shè)計(jì)水頭: 226 m;

制造廠家: 東風(fēng)電機(jī)股份有限公司。

 

1. 2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

 

型號(hào): SFW4000-14 /2600;

額定功率: 4MW;

冷卻方式: 空冷;

額定容量: 5000kVA;

額定定子電壓: 11kV;

制造廠家: 東風(fēng)電機(jī)股份有限公司。 

 

2 測(cè)量方法及測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

2. 1 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量方法

2. 1. 1 發(fā)電機(jī)輸出功率測(cè)量

互感器的二次端的發(fā)電機(jī)輸出功率，通過功率變送器 ( 型號(hào): SPWH) 進(jìn)行測(cè)量。電壓互感器變比為KV = 11000 ∶ 110，電流互感器變比 KI = 2500 ∶ 5，則發(fā)電機(jī)輸出功率為

 

N=KVKIW(1)

式中W———功率變送器讀數(shù)。

水輪機(jī)軸功率通過對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率進(jìn)行測(cè)得，由實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)效率，通過間接法求得。

 

2.1.2水輪機(jī)工作水頭測(cè)量

水輪發(fā)電機(jī)的工作水頭計(jì)算方式如下:

H=p1/γ+Z+v12/2g(2)

式中p1———噴針進(jìn)水?dāng)嗝鎵毫�，采用精度�?.2%的壓力傳感器測(cè)得;

γ———水的比重，根據(jù)當(dāng)?shù)丶铀俣榷?

v1———噴針進(jìn)水?dāng)嗝嫠髌骄俣�，m/s;

Z———噴針進(jìn)水?dāng)嗝鎵毫Ρ碛?jì)高程與兩噴針切點(diǎn)高程平均值之差;

g———當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎担鶕?jù)水電站所在的海拔高程及緯度而定。

v1按V=Q/F計(jì)算獲得:流量通過實(shí)測(cè)求得，斷面面積F通過查閱圖紙獲得。 水輪機(jī)效率測(cè)試過程中，由于上游、下游水位的變化以及各個(gè)工況點(diǎn)的不同的流量導(dǎo)致引水管水頭損失有所不同，因此各試驗(yàn)工況點(diǎn)的水頭實(shí)際上是不同的，為計(jì)算、整理出水輪機(jī)特性曲線，從其中選一定水頭，換算出這一水頭下的各工況點(diǎn)的效率、流量的實(shí)測(cè)值。

2.1.3超聲波法測(cè)試流量

可利用時(shí)差式超聲波流量計(jì)得出通過水輪機(jī)的水流量。測(cè)量原理如下:

超聲波流量計(jì)是利用超聲波作為媒介來(lái)測(cè)量流體的流速的儀器，圖1中，TD1、TD2為分別安裝在管道上游、下游的兩個(gè)超聲波換能器，v為水流速度，c為超聲波在靜水中的聲速。

換能器TD1發(fā)射、TD2接收時(shí)，順?biāo)鞣较騻鞑r(shí)間為

通過以上公式可以得知，通過發(fā)生器發(fā)出的超聲波傳到接收器的速度變化與管路內(nèi)的流體流速成正比，據(jù)此管道參數(shù)置入儀器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)變換器變換即得到瞬時(shí)流量，得出累計(jì)流量為:

 

2. 1. 4 效率的計(jì)算

 

2.2計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)由便攜式超聲波流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成，各測(cè)量參數(shù)傳感器使用之前均經(jīng)過具有資質(zhì)的計(jì)量部門檢定合格。數(shù)據(jù)采集采用阿爾斯通創(chuàng)為實(shí)HSJ8000水輪發(fā)電機(jī)組便攜式測(cè)試系統(tǒng)，其A/D轉(zhuǎn)換精度16位，采樣速率1024Hz，系統(tǒng)精度小于1%FS。在測(cè)試過程中，被測(cè)量參數(shù)傳感器輸出4～20mADC，接入HSJ8000水輪發(fā)電機(jī)組便攜式測(cè)試系統(tǒng)，然后輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理軟件系統(tǒng)按照指定的采樣頻率和時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的電流信號(hào)按照各傳感器的標(biāo)定系數(shù)換算成被測(cè)參數(shù)實(shí)際值，求出平均值，數(shù)據(jù)結(jié)果以ASCII形式存儲(chǔ)為Excel數(shù)據(jù)表格，以便測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和曲線繪制使用。

3試驗(yàn)成果分析

3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

試驗(yàn)時(shí)，按照IEC60041-2002和ASMEPTC18-2002要求，選取8個(gè)測(cè)試工況點(diǎn)，為防止噴針回調(diào)造成測(cè)量誤差，采用手動(dòng)同向調(diào)節(jié)噴針開度方式調(diào)整負(fù)荷，并同時(shí)監(jiān)測(cè)電站上、下游水位，計(jì)算出毛水頭，在機(jī)組球閥前面的直管段布置反射式4聲道超聲波流量計(jì)，用于測(cè)試通過水輪發(fā)電機(jī)的水流量，從而計(jì)算出工作水頭，將所有工況點(diǎn)的發(fā)電機(jī)輸出功率實(shí)測(cè)值、水輪機(jī)流量實(shí)測(cè)值換算至各機(jī)組額定水頭226m的值，按照式(4)計(jì)算出各工況點(diǎn)水輪機(jī)效率，見表1。

 

 

測(cè)試過程中，將各個(gè)工況點(diǎn)換算到額定工作水頭H = 226m，擬合測(cè)試時(shí)的水輪機(jī)效率曲線，通過計(jì)算得出: 在 2929kW 的水輪發(fā)電機(jī)出力狀況下，水輪機(jī)

的較高效率為 91. 78% 。

 

3. 2 試驗(yàn)測(cè)量誤差分析

3. 2. 1 系統(tǒng)誤差

 

3. 3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)模型試驗(yàn)換算的水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，選取較靠近較優(yōu)效率工況點(diǎn)的一組工況，迭代計(jì)算出機(jī)組流量，測(cè)出此工況點(diǎn)的蝸殼差壓，得出 K 值，從

而得出機(jī)組的流量方程為

 

根據(jù)表 1 計(jì)算成果、表 3 效率保證值和效率測(cè)試的總誤差，即可繪制出水輪機(jī)效率特性曲線、水輪機(jī)效率保證曲線和誤差曲線 ( 見圖 2) 、水輪機(jī)耗水率特性曲線 ( 見圖 3) :

 

 

從圖 2 可看出，實(shí)際測(cè)量與廠家效率保證的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線變化趨勢(shì)具有一致性，效率保證曲線全部落在誤差曲線之內(nèi)，滿足效率保證的要求，廠家提供的效率保證值合格，實(shí)測(cè)線與保證運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線高效率點(diǎn)基本保持一致。

 

 

從圖 3 可看出，當(dāng)水輪機(jī)輸出功率在 2300kW ～3800kW 之間時(shí)，機(jī)組耗水率較低，該區(qū)域是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū); 當(dāng)水輪機(jī)輸出功率在 2300kW 以下時(shí)，機(jī)組耗水率隨著發(fā)電機(jī)輸出功率的減小而急劇增加，該區(qū)域?yàn)榉墙?jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

 

4 結(jié) 論

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，利用超聲波法進(jìn)行原型機(jī)組效率試驗(yàn)所取得的成果是正確的可信的，效率試驗(yàn)總誤差為 1. 94% ，符合國(guó)際規(guī)程 IEC 規(guī)定的 ( ± 1. 5% ～± 2. 5% ) ( 置信度 95% ) 要求。

結(jié)合電站實(shí)際情況，采用超聲波適時(shí)開展水輪機(jī)效率現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是可行的、必要的，通過水輪機(jī)相對(duì)效率試驗(yàn)，掌握機(jī)組水力特性，為機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、站內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行、梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)，為逐步深化節(jié)能工作奠定基礎(chǔ)。