量熱法測發(fā)電機(jī)效率在洪屏電站機(jī)組效率試驗(yàn)中的應(yīng)用

李海玲，任紹成，徐 剛

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240）

1 前言

江西洪屏抽水蓄能電站一期工程裝機(jī)容量為1 200 MW，安裝有4臺(tái)30萬kW抽水蓄能機(jī)組，由福伊特水電提供整體設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試。水泵水輪機(jī)采用上拆方式，發(fā)電電動(dòng)機(jī)為懸式機(jī)組，機(jī)組額定水頭為540 m，為高水頭可逆式發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，項(xiàng)目實(shí)施難度較大且非常復(fù)雜。為確定發(fā)電機(jī)組是否滿足制造標(biāo)準(zhǔn)和合同規(guī)定，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)效率是否滿足合同要求，2018年5月在電站現(xiàn)場用量熱法對2號發(fā)電機(jī)進(jìn)行了發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)。

2 量熱法測效率原理介紹[1]

在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的各類損耗最終都將變成熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使冷卻介質(zhì)溫度上升。用測量電機(jī)所產(chǎn)生的熱量來推算電機(jī)損耗的方法，簡稱量熱法。

量熱法的測量原理，就是通過給水輪發(fā)電機(jī)規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)表面，把水輪發(fā)電機(jī)的總損耗分為基準(zhǔn)表面內(nèi)的損耗和基準(zhǔn)表面外的損耗兩部分。水輪發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)表面內(nèi)的損耗，一部分以熱量的形式由冷卻介質(zhì)帶走，可以用量熱法測量；另一部分是以傳導(dǎo)、對流、輻射、滲漏等形式通過基準(zhǔn)表面散發(fā)的損耗，可以通過量熱法測量，也可以用計(jì)算方法求得。而水輪發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)表面外的損耗主要由勵(lì)磁損耗和軸承摩擦損耗組成。

2.1 水輪發(fā)電機(jī)各類損耗的計(jì)算[2]

2.1.1 冷卻介質(zhì)帶走的熱損耗PA的測量和計(jì)算

根據(jù)IEC相關(guān)規(guī)程的規(guī)定，電機(jī)各部分溫升達(dá)到熱穩(wěn)定后，由冷卻介質(zhì)帶走的損耗為：

式中，PA—在基準(zhǔn)表面內(nèi)部，被冷卻介質(zhì)帶走的損耗，kW;

Cp—冷卻介質(zhì)的比熱，kJ/(kg×K)；

Q—冷卻介質(zhì)的流量，m3/s;

Δt—冷卻介質(zhì)溫升，K。

2.1.2 未傳遞給冷卻介質(zhì)的損耗PS的測量和計(jì)算

根據(jù)IEC相關(guān)規(guī)程規(guī)定，傳遞給冷卻介質(zhì)的損耗計(jì)算如下：

式中，PS—未傳遞給冷卻介質(zhì)的損耗，kW；

h—表面散熱系數(shù)，W/(m2×K);

A—散熱表面積，m2;

Δt—電機(jī)外表溫度與環(huán)境溫度之差，K。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行在空轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)（額定轉(zhuǎn)速，不加勵(lì)磁），電機(jī)各部分溫升達(dá)到熱穩(wěn)定后，由冷卻介質(zhì)帶走的熱損PA，未傳遞給冷卻介質(zhì)的損耗PS以及上導(dǎo)（含推力）、下導(dǎo)軸承摩擦損耗（由冷卻介質(zhì)帶走的部分）Pu,三部分損耗之和，即為通風(fēng)損耗。即

2.1.3 集電環(huán)和碳刷損耗

集電環(huán)和碳刷損耗可分為碳刷摩擦損耗和碳刷電損耗。碳刷摩擦損耗為：

式中，V—集電環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，m/s;

A—碳刷總接觸面積，cm2;

μ—集電環(huán)與碳刷摩擦系數(shù)；

P—集電環(huán)與碳刷的接觸壓力，N/cm2。由于集電環(huán)與碳刷的接觸壓力和集電環(huán)與碳刷的摩擦系數(shù)是不好確定的，并且這部分機(jī)械損耗最后是以發(fā)熱的形式散發(fā)到上部的集電環(huán)室內(nèi)，并與上機(jī)架散發(fā)出來的熱量混合在一起，最后通過外殼和上蓋板散發(fā)到空氣中，故這部分機(jī)械損耗可通過測量上蓋板與環(huán)境溫度的溫差與上蓋板附近風(fēng)速來確定。

碳刷的電損耗為：

式中，If—水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，A；

ΔU—碳刷電壓降，V。

由于這部分損耗是由勵(lì)磁功率提供的，因此可將其歸入轉(zhuǎn)子繞組外部的總勵(lì)磁損耗中。

2.1.4 鐵損

發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行狀態(tài)下（額定轉(zhuǎn)速，額定電壓），損耗可以分為鐵損PFe-oc、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組損耗Pf-oc以及通風(fēng)損耗PW，即

式中，PFe-oc—發(fā)電機(jī)額定空載電壓下的鐵損，kW;

Pf-oc—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組損耗，kW;

PW—空載狀態(tài)下的風(fēng)損，kW，可由空轉(zhuǎn)工況下的風(fēng)損換算得到；

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組損耗的計(jì)算公式為：Pf-oc=If2R

式中，If—發(fā)電機(jī)在空載額定電壓下的勵(lì)磁電流，A；

R—?jiǎng)?lì)磁繞組在基準(zhǔn)工作溫度下的直流電阻，Ω；

因此，鐵損為：PFe-oc=Ptotal-Pf-oc-PW

發(fā)電機(jī)在額定工況下的定子鐵損耗為：

式中，Umeas—試驗(yàn)時(shí)的定子電壓，V；

UN—額定定子電壓，V。

2.1.5 負(fù)載損耗

發(fā)電機(jī)在短路狀態(tài)下，定子銅損為：

式中，I1—試驗(yàn)時(shí)測量到的定子繞組的平均電流，A；

Rs—試驗(yàn)時(shí)基準(zhǔn)工作溫度下的定子繞組的電阻，Ω。

因此，發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的銅損為：

式中，IN—額定定子電流，A；

R—定子繞組的電阻，Ω。

短路狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的銅損Pf_sc為：Pf_sc=If2R

式中，If—短路試驗(yàn)時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下的勵(lì)磁電流，A。

在短路模式下，發(fā)電機(jī)的負(fù)載損耗為：

式中，PA—短路模式下，冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

PS—短路模式下，未傳遞給冷卻介質(zhì)的損耗；

PW-F—短路模式下的通風(fēng)損耗；可由空載工況下的通風(fēng)損耗換算得到。

負(fù)載損耗可分為定子銅損和發(fā)電機(jī)的雜散損耗，故雜散損耗為

發(fā)電機(jī)在額定工況下的雜散損耗為：

式中，I1—試驗(yàn)時(shí)的定子電流，A；

IN—額定定子電流，A。

2.1.6 軸承損耗

發(fā)電機(jī)軸承損耗可以通過測量冷卻油的流量及油冷卻器的進(jìn)出口溫差進(jìn)行計(jì)算，即

式中，CP—熱容系數(shù)，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—測量回路內(nèi)的冷卻介質(zhì)的溫差，K。

2.1.7 推力軸承的機(jī)械摩擦損耗

推力軸承摩擦產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)換為熱能后首先傳遞給潤滑油，潤滑油在油冷卻器中將熱量傳遞給油冷卻器中的冷卻水，以及通過油箱外表面散發(fā)給周圍空氣。

推力軸承損耗包括了水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)重量及試驗(yàn)水頭下水推力產(chǎn)生的損耗，因此在測得的損耗中要扣除水輪機(jī)部分重量和當(dāng)時(shí)水頭下水推力產(chǎn)生的損耗，才是水輪發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)部分）的推力軸承損耗。

2.1.8 勵(lì)磁變壓器等輔助設(shè)備損耗

這部分損耗是在基準(zhǔn)表面之外的，勵(lì)磁變壓器的損耗可以根據(jù)勵(lì)磁變壓器的輸入功率Pt和效率進(jìn)行計(jì)算，即

式中，Pt—?jiǎng)?lì)磁變壓器的輸入功率,kW;

η—?jiǎng)?lì)磁變壓器的效率。

由于水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的勵(lì)磁損耗是在基準(zhǔn)表面內(nèi)已經(jīng)通過量熱法測量的，因此應(yīng)從測量得到的勵(lì)磁變的輸入功率中扣除水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的輸入功率才是外部勵(lì)磁部分的損耗。

2.2 效率的計(jì)算

根據(jù)對上述損耗的分析結(jié)算，可得發(fā)電機(jī)總損耗為：

發(fā)電機(jī)的效率為

式中，∑P—發(fā)電機(jī)的總損耗，kW;

P0—發(fā)電機(jī)的輸出功率，kW。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用IEC 60034-2-2《旋轉(zhuǎn)電機(jī)部分2-2：通過試驗(yàn)測定大型電機(jī)各項(xiàng)損耗和效率的標(biāo)準(zhǔn)方法》和GB/T5312-2005《量熱法測定電機(jī)的損耗和效率》。

3.1 儀器的安裝

安裝前對溫度傳感器進(jìn)行了檢定，其測量精度滿足GB/T1029-2005中小于±1℃的要求。流量的測量采用超聲波流量計(jì)。

在發(fā)電機(jī)上導(dǎo)和推力軸承冷卻器出口安裝DN80測量管段（包括軟管、接頭、節(jié)流閥、水管、流量計(jì)、溫度傳感器PT100和壓力），在下導(dǎo)軸承冷卻器出口安裝DN40測量管段，以測量出水溫度和壓力。在冷卻水入水口處安裝溫度傳感器PT100和壓力傳感器可以測量入水的溫度和壓力。回水管路中用于組合軸承的壓力傳感器沒有提供合理的數(shù)據(jù)，所以計(jì)算時(shí)不考慮壓力值。

在上蓋板上放置6個(gè)PT100以測量表面溫度，放置3個(gè)PT100以測量空氣溫度。 對于發(fā)電機(jī)機(jī)坑的下蓋板也同樣。通過電纜將所有的PT100溫度傳感器連接至YokogawaMW100裝置上，用電纜將電壓互器（二次側(cè)，三相）、電流互感器（二次側(cè)，三相）、帶絕緣的電刷（每個(gè)滑環(huán)1個(gè)）和勵(lì)磁分流器，連接到Y(jié)okogawaWT3000功率計(jì)，功率計(jì)與電站廠房的CT連接，電壓測量的是相對地的電壓。勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓可以直接在勵(lì)磁系統(tǒng)分流器和碳刷位置測量。

3.2 試驗(yàn)工況及計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)根據(jù)IEC60034-2-2和GB/T5321-2005進(jìn)行，并根據(jù)GB/T5321-2005中規(guī)定的穩(wěn)定條件，當(dāng)設(shè)備達(dá)到熱穩(wěn)定后1 h內(nèi)，每隔15 min讀取1組溫度、流量、電氣參數(shù)及風(fēng)速等參數(shù)值，共記錄4組數(shù)據(jù)。下表中的數(shù)據(jù)取的是4組數(shù)據(jù)的平均值。

3.2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要采用了以下3種運(yùn)行工況：發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)和發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)，分別測量相應(yīng)工況點(diǎn)空冷器的進(jìn)、出口溫差及冷卻水流量、風(fēng)速、電氣量等參數(shù)以分別求得通風(fēng)損耗PW、鐵損PFe和雜散損耗PSL。下述計(jì)算以發(fā)電機(jī)模式100%額定負(fù)荷為例來說明發(fā)電機(jī)效率的計(jì)算過程。

發(fā)電機(jī)上蓋板面積為66.5 m2，下蓋板面積為4.86 m2。

3.2.2 各試驗(yàn)工況下的分項(xiàng)損耗及總損耗

各試驗(yàn)工況下的測量參數(shù)值見表1~表3。

表1 各試驗(yàn)工況冷卻水及溫度參數(shù)測量值

表3 軸承冷卻水參數(shù)值（額定負(fù)載）

表2 各試驗(yàn)工況（空轉(zhuǎn)、空載、短路）電氣參數(shù)測量值

假設(shè)銅在-234.5℃超導(dǎo)，并且在約120℃的范圍內(nèi)阻抗隨溫度成線性變化，電阻可以從測量溫度下?lián)Q算到參考溫度下，公式如下：

其中θ0＝-235℃，

Rref—基準(zhǔn)工作溫度下繞組的直流電阻，Ω；

θref—基準(zhǔn)工作溫度，℃；

θm—對應(yīng)于Rm測量時(shí)的繞組溫度，℃。

由于定子繞組電阻R124.1℃=3.577 534 mΩ, 轉(zhuǎn)子繞組電阻R212.5℃=58.12 mΩ，則根據(jù)公式（16）計(jì)算得到：在115℃的工作溫度下，定子繞組電阻R1115℃=4.833 mΩ， 轉(zhuǎn)子繞組電阻R2115℃=82.19 mΩ。

根據(jù)各類損耗的計(jì)算公式及上述表格中的參數(shù)可分別得到空轉(zhuǎn)工況下的通風(fēng)損耗為1 098.6 kW,其中通過發(fā)電機(jī)上下蓋板表面積和周圍空氣進(jìn)行熱交換的損耗為2.6 kW，通過冷卻水耗散掉的熱量為1 096 kW。換算至機(jī)組設(shè)計(jì)溫、濕度和頻率下的通風(fēng)損耗為1 050 kW。空載工況下的鐵損耗（換算至額定電壓下）為509.2 kW;短路工況下的負(fù)載損耗（換算至額定電流下）為749.3 kW。

組合軸承為下導(dǎo)軸承和推力軸承的組合，組合軸承損耗可分為下導(dǎo)軸承和推力軸承損耗之和。根據(jù)合同，在組合軸承計(jì)算中，可認(rèn)為715 kW是推力軸承損耗，72 kW為下導(dǎo)軸承損耗。

根據(jù)式（12）及表3可得，

根據(jù)合同，由于PTBcale=715.00 kW,

則換算到額定工況下冷卻油的粘度系數(shù)下下導(dǎo)軸承損耗為：

由于旋轉(zhuǎn)部件的重量：

所以水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承（發(fā)電機(jī)部分）的摩擦損耗為：

根據(jù)式（12），換算到額定工況下冷卻油的粘度系數(shù)下的上導(dǎo)軸承損耗為：

軸承油泵的電流為74 A，電壓為380 V，則泵的損耗為：

勵(lì)磁系統(tǒng)損耗由業(yè)主方直接給出：Pf=48.35 kW。

額定工況下測量的損耗總和為：

額定工況下的效率為：

3.2.3 加權(quán)因子點(diǎn)效率及加權(quán)平均效率

根據(jù)上述計(jì)算過程可知，在上述分項(xiàng)損耗中，轉(zhuǎn)子銅損、定子銅損和雜散損耗是隨著發(fā)電機(jī)定子電流或勵(lì)磁電流的變化而變化的，為可變損耗；通風(fēng)損耗、鐵損、組合軸承損耗、上導(dǎo)軸承損耗、推力軸承損耗、油泵損耗是不隨著定子電流或勵(lì)磁電流的變化而變化的，為不變損耗。

發(fā)電機(jī)工況加權(quán)因子點(diǎn)的效率如表4所示。

表4 發(fā)電機(jī)工況加權(quán)因子點(diǎn)效率

電動(dòng)機(jī)工況加權(quán)因子點(diǎn)的效率如表5所示。

續(xù)表5

表6 發(fā)電電動(dòng)機(jī)效率試驗(yàn)結(jié)果與合同保證值對比表

從表中可以看出，發(fā)電電動(dòng)機(jī)各加權(quán)因子點(diǎn)效率及加權(quán)平均效率滿足合同保證值要求。

4 結(jié)束語

（1）采用量熱法測量抽水蓄能機(jī)組的效率，由計(jì)算結(jié)果可以得知通過冷卻介質(zhì)帶走的熱損耗占總損耗的大部分；在冷卻介質(zhì)帶走的損耗中有95%以上的損耗都是由冷卻水帶走的，因此試驗(yàn)時(shí)要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求布置測點(diǎn)和選用、安裝傳感器，尤其是超聲波流量計(jì)的測試精度要控制在1%。

（2）電站冷卻水管道運(yùn)行多年，管道內(nèi)部銹蝕會(huì)對超聲波流量計(jì)的測量有一定的影響，因此在布置超聲波流量計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇相對新的管道來布置。如無法避免，則應(yīng)將管道內(nèi)部結(jié)垢考慮進(jìn)來，選擇合適的測量方式，并將結(jié)垢設(shè)置為襯里以取得更好的測量精度。