水輪發(fā)電機效率試驗是水力機組的關(guān)鍵性能試驗，水輪發(fā)電機的效率特性是機組的基本動力特性，也是評價機組性能優(yōu)劣的主要指標之一和水電站經(jīng)濟運行實施的基礎(chǔ)。因此，對水輪發(fā)電機的效率進行測試，可指導(dǎo)水電站經(jīng)濟運行。

在水電站現(xiàn)場進行效率測試，取得水輪機在試驗水頭下的實際效率特性曲線，即水輪機效率與出力、流量與出力、水輪機出力與耗水率關(guān)系等曲線，把實測的效率特性曲線與根據(jù)模型試驗換算來的效率特性曲線進行比較，即可驗證廠家所提供的效率保證值是否達到，這也是水輪發(fā)電機投入商業(yè)運行前驗收的關(guān)

鍵項目之一。

本文以巴基斯坦汗華水電站 3 號水輪發(fā)電機效率測試為例進行研究分析，利用超聲波法對水輪機效率測試進行了研究，涉及試驗參數(shù)的測量、計算機測試

系統(tǒng)的配置以及試驗數(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)計水頭 244m，較大引用流量 30. 10m3 / s，電站裝機 2 × 34MW + 1 × 4MW，電站總裝機容量為 72MW。

 

1. 1 水輪機基本技術(shù)參數(shù)

 

型號: CJA475-W-146 /2 × 14. 5 ;

額定轉(zhuǎn)速: 428. 60r /min;

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

額定出力: 4167kW;

飛逸轉(zhuǎn)速: 772 r /min;

設(shè)計水頭: 226 m;

制造廠家: 東風(fēng)電機股份有限公司。

 

1. 2 發(fā)電機基本參數(shù)

 

型號: 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)電機股份有限公司。 

 

2 測量方法及測量系統(tǒng)構(gòu)成

2. 1 試驗參數(shù)測量方法

2. 1. 1 發(fā)電機輸出功率測量

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

 

N=KVKIW(1)

式中W———功率變送器讀數(shù)。

水輪機軸功率通過對發(fā)電機輸出的有功功率進行測得，由實測的發(fā)電機效率，通過間接法求得。

 

2.1.2水輪機工作水頭測量

水輪發(fā)電機的工作水頭計算方式如下:

H=p1/γ+Z+v12/2g(2)

式中p1———噴針進水斷面壓力，采用精度為0.2%的壓力傳感器測得;

γ———水的比重，根據(jù)當?shù)丶铀俣榷?

v1———噴針進水斷面水流平均速度，m/s;

Z———噴針進水斷面壓力表計高程與兩噴針切點高程平均值之差;

g———當?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計算獲得:流量通過實測求得，斷面面積F通過查閱圖紙獲得。 水輪機效率測試過程中，由于上游、下游水位的變化以及各個工況點的不同的流量導(dǎo)致引水管水頭損失有所不同，因此各試驗工況點的水頭實際上是不同的，為計算、整理出水輪機特性曲線，從其中選一定水頭，換算出這一水頭下的各工況點的效率、流量的實測值。

2.1.3超聲波法測試流量

可利用時差式超聲波流量計得出通過水輪機的水流量。測量原理如下:

超聲波流量計是利用超聲波作為媒介來測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，順水流方向傳播時間為

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流量，得出累計流量為:

 

2. 1. 4 效率的計算

 

2.2計算機測量系統(tǒng)

計算機測量系統(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、數(shù)據(jù)采集器和計算機組成，各測量參數(shù)傳感器使用之前均經(jīng)過具有資質(zhì)的計量部門檢定合格。數(shù)據(jù)采集采用阿爾斯通創(chuàng)為實HSJ8000水輪發(fā)電機組便攜式測試系統(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。在測試過程中，被測量參數(shù)傳感器輸出4～20mADC，接入HSJ8000水輪發(fā)電機組便攜式測試系統(tǒng)，然后輸入計算機。計算機數(shù)據(jù)采集與處理軟件系統(tǒng)按照指定的采樣頻率和時間進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的電流信號按照各傳感器的標定系數(shù)換算成被測參數(shù)實際值，求出平均值，數(shù)據(jù)結(jié)果以ASCII形式存儲為Excel數(shù)據(jù)表格，以便測試結(jié)束后進行數(shù)據(jù)整理和曲線繪制使用。

3試驗成果分析

3.1實驗數(shù)據(jù)整理

試驗時，按照IEC60041-2002和ASMEPTC18-2002要求，選取8個測試工況點，為防止噴針回調(diào)造成測量誤差，采用手動同向調(diào)節(jié)噴針開度方式調(diào)整負荷，并同時監(jiān)測電站上、下游水位，計算出毛水頭，在機組球閥前面的直管段布置反射式4聲道超聲波流量計，用于測試通過水輪發(fā)電機的水流量，從而計算出工作水頭，將所有工況點的發(fā)電機輸出功率實測值、水輪機流量實測值換算至各機組額定水頭226m的值，按照式(4)計算出各工況點水輪機效率，見表1。

 

 

測試過程中，將各個工況點換算到額定工作水頭H = 226m，擬合測試時的水輪機效率曲線，通過計算得出: 在 2929kW 的水輪發(fā)電機出力狀況下，水輪機

的較高效率為 91. 78% 。

 

3. 2 試驗測量誤差分析

3. 2. 1 系統(tǒng)誤差

 

3. 3 試驗測量結(jié)果分析

根據(jù)模型試驗換算的水輪機綜合運轉(zhuǎn)特性曲線，選取較靠近較優(yōu)效率工況點的一組工況，迭代計算出機組流量，測出此工況點的蝸殼差壓，得出 K 值，從

而得出機組的流量方程為

 

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

 

 

從圖 2 可看出，實際測量與廠家效率保證的運轉(zhuǎn)特性曲線變化趨勢具有一致性，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，實測線與保證運轉(zhuǎn)特性曲線高效率點基本保持一致。

 

 

從圖 3 可看出，當水輪機輸出功率在 2300kW ～3800kW 之間時，機組耗水率較低，該區(qū)域是經(jīng)濟運行區(qū); 當水輪機輸出功率在 2300kW 以下時，機組耗水率隨著發(fā)電機輸出功率的減小而急劇增加，該區(qū)域為非經(jīng)濟運行區(qū)。

 

4 結(jié) 論

從試驗結(jié)果來看，利用超聲波法進行原型機組效率試驗所取得的成果是正確的可信的，效率試驗總誤差為 1. 94% ，符合國際規(guī)程 IEC 規(guī)定的 ( ± 1. 5% ～± 2. 5% ) ( 置信度 95% ) 要求。

結(jié)合電站實際情況，采用超聲波適時開展水輪機效率現(xiàn)場試驗是可行的、必要的，通過水輪機相對效率試驗，掌握機組水力特性，為機組經(jīng)濟運行、站內(nèi)優(yōu)化運行、梯級聯(lián)合優(yōu)化運行提供技術(shù)依據(jù)，為逐步深化節(jié)能工作奠定基礎(chǔ)。