基于流速儀法的柘林水電廠A1號機組效率試驗研究

王邦旭，蔡家林，蒙淑平，田繼在，肖志懷

(1.武漢大學水力機械過渡過程教育部重點實驗室，武漢 430072；2.國家電網江西省柘林水電廠，江西 九江 330317)

0 引 言

江西柘林水電廠A1號機組由江西電機廠在20世紀70年代生產，原水輪機型號為HL240-LH-410，配套發電機型號為TS900/135-56。由于機組老化難以滿足安全發電要求，2013年對該機組進行了增容改造。改造后的水輪機轉輪為東方電機廠生產的HLD786-LH-410型轉輪，其基本參數如表1。

表1 A1號機組改造后的水輪機基本參數Tab.1 Parameters of unit A1 after transformation

為了實測出機組的效率特性，檢驗機組技術改造的各項性能指標，給電廠其他機組的更新改造奠定基礎，指導電廠經濟穩定運行[1]，柘林水電廠聯合武漢大學與華中科技大學，于2017年1月進行了A1號機組絕對效率驗收試驗。試驗同時得到改造后的機組綜合特性，給單機經濟運行、機組投入電網的最優次序、最優運行工況及機組間的負荷分配提供可靠的技術依據。

本次試驗的流量測量采用應用廣泛、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，實際應用經驗成熟，不受電磁、溫度、人為等因素的影響，性能穩定。近年來，基于流速儀法的效率測試得到了進一步的研究，并被廣泛地應用于大型電站、泵站的機組現場試驗中，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]。

試驗嚴格遵循GB/T 20043-2005《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現場試驗規范》以及相關ISO國際規程，并采用了武漢大學自主開發的“水輪機流量效率測試系統”進行數據的采集、分析與計算。

1 試驗方案

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

1.1 流量測量

結合柘林電廠的實際情況，測流斷面選擇在壓力管道內攔污柵下游61 m處，距離下游彎管處12 m，測流直徑(D)為5.8 m。并根據驗收試驗規范，設計了圖1所示的6條測流支臂，共布置43臺LS25-1型旋槳式流速儀，能準確測量不同工況下各點的流速，得到斷面上的流速分布情況。文獻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格按照標準施工安裝，將偏差控制在允許范圍內。

由于測流支架與流速儀的存在，使過水斷面減小、局部流速增大，對流速分布產生影響，實測流量將會大于實際流量[5]。支架迎水面積與斷面面積之比為桿件排擠系數S，計算得本次試驗S值為2.02%，符合GB/T 20043-2005中應低于6%的要求。由于排擠效應的影響，計算所得流量應進行修正，試驗的流量修正系數為0.243%，因此實際流量需從實測流量中減少0.243%。

獲得各測點流速后，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平均值；m為不均勻指數，與雷諾數有關，本次試驗取8。

圖1 流速儀分布與支架結構圖Fig.1 Distribution of current meters and structureof bracket

1.2 工作水頭測量

水輪機的工作水頭為蝸殼進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為水輪機流量[6]，蝸殼進口斷面面積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值[7]：

(4)

(5)

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

1.3 發電機有功功率測量

水輪發電機組容量大、電壓高，三相有功功率均需要經過轉換后才可以測量。目前電廠普遍應用線性度好、精度高的功率變送器測量發電機有功功率[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中進行采樣,計算機按輸出直流電壓與發電機功率的標定關系將其換算成發電機功率。

1.4 效率計算

機組效率計算公式：

(6)

式中：η為機組效率，%；Ng為發電機有功功率，kW；Q為過機流量，m3/s；H為水輪機工作水頭，m。

水輪機效率計算公式：

(7)

1.5 蝸殼流量系數計算

根據蝸殼壓差法的測流原理可知，過機流量與蝸殼壓差存在以下關系[9]：

(8)

對于同一臺機組，得到系數K便獲得流量與蝸殼壓差的數量關系，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

在水電站運行過程中，由于機組的組合運行方式不同，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組組合運行方式，產生三種工作水頭，分別測量了三種水頭狀態下各工況點的數據。機組的組合方式如下：①水頭H1：兩臺大機、三臺小機發電；②水頭H2：單一小機發電；③水頭H3：一臺大機、一臺小機發電。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，均為單方向調整，以避免機械死行程對精度的影響[11]。每一水頭下至少測量13個工況，導水葉開度調整穩定7～10 min之后，統一發令同時對待測參數進行數據采集。測定項目包括導葉開度、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、發電機有功功率、無功功率等參數。

試驗采用武漢大學研制的“水輪機流量效率測試系統”進行各類參數的采集、計算和分析。該系統在測試過程中能實現采集參數、處理信號、計算數據和顯示結果等，并可以保存數據以便后期的處理與分析。各項參數均采用相應傳感器測量，通過轉換裝置將數據輸入“水輪機流量效率測試系統”，并由系統發出指令進行同步采集。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

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

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

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

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

圖3 3種水頭狀態下機組效率與出力關系曲線Fig.3 Curves of unit efficiency and output under three kinds of water head

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

另外，根據流速儀測得的數據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，所得信號穩定，全部數據真實、準確。由圖5得，各工況點的流速分布曲線平滑、無交叉，流速分布符合理論規律。

(2)由本次試驗結果可得，實測效率曲線光滑，各工況點無明顯離散，變化趨勢符合理論規律。當水輪機出力在30～48 MW范圍內時，3種水頭狀態下水輪機效率高于85%，效率較高，機組宜在此范圍內運行。耗水率較低的經濟運行負荷區為25～46 MW。

(3)由圖3、圖4可得，在高效區范圍內機組單機運行(H2=36.099 m)時效率高于其他水頭狀態，最高效率點的水輪機出力為41.5 MW，水輪機效率為93.8%，機組出力為40.5 MW，機組效率為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%，符合規范 GB/T20043-2005中規定的精確度范圍(95%置信度下誤差介于±1.0%～±1.5%)，因此試驗所得結果是可信的、曲線是可用的。

圖5 水頭H2狀態下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)經過計算與擬合，率定了蝸殼壓差與流量之間的關系，得到機組蝸殼流量系數為K=91.249。本次試驗流量和壓差測試精度高、測試數據量充足，因此圖2中的關系曲線相關性程度高，測點離散度小，表明了所得蝸殼流量系數較為準確。

4 結 論

(1)柘林水電廠A1號機組效率試驗采用先進的測試系統，實現了自動化的數據采集與計算、信號處理與分析，在保證實時測量參數的同時降低了人為誤差，提高了試驗結果的準確性。測量設備精度高，各工況點參數均多次測量取平均值，且綜合誤差在允許范圍內，測試成果準確、可信。

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

(3)由試驗結果可得，柘林電廠A1號機組更新改造后的效率特性達到了設計要求，增容改造是成功的，能夠保證機組經濟、穩定運行。同時率定的蝸殼流量系數可用于蝸殼壓差法測量流量，為以后的效率試驗和流量監測提供便利。

(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確的、有效的，結合水電廠的實際情況來看，基于流速儀法的效率試驗方法具有較大的應用推廣價值。

□

[1] 向文平, 姚 云, 王雪輝,等. 水輪發電機組效率試驗[J].四川電力技術, 2005,28(2):7.

[2] 袁世娟. 計算機技術在流速儀法測流中的應用[J]. 電網與清潔能源, 2004,20(3):13-15.

[3] 孫宜保. 流速儀法在大型軸流泵現場效率試驗中的應用[J].江蘇水利, 2000,(11).

[4] 李建斌, 熊文彬, 王 煒,等.丹江口水電廠3號機組絕對效率試驗[J].水電站機電技術, 2004, 27(5):36-37.

[5] GB/T 20043-2005，水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現場試驗規范[S].

[6] 郭 江, 劉萬景, 孫鴻秉,等.巖灘機組水輪機效率試驗[J].水電站機電技術, 1996,(S1):98-104.

[7] 張恩博. 豐滿發電廠4號水輪機效率測試研究[J].東北電力技術, 1999,(11):10-14.

[8] 李福蘭. 基于流速儀法的水輪機效率測試儀[D]. 武漢：華中科技大學, 2012.

[9] 閻宗國, 周凌九, 孔德銘,等. 小浪底水電站1號機組效率試驗研究[J].水力發電學報, 2007,26(2):124-128.

[10] 吳 彬. 獅子灘電站水輪發電機組改造增容的效率試驗[J].四川水力發電, 1997,(a12):44-45.

[11] 趙克儉, 李光哲, 王慰然. 蓮花電站1號水輪機效率試驗技術報告[J].大電機技術, 2000,(b02):28-37.