某新投水電站機組效率試驗項目及方法

鄧小華

（中電建水電開發集團有限公司，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 臺單機容量62MW 的混流式水輪發電機組，總裝機248MW。

2 機組效率試驗目的

水輪機效率試驗是水輪發電機組的基本試驗，其效率特性是機組的基本動力特性。通過試驗測定水輪機的效率特性，提供基礎技術資料，鑒定水輪機的其他特性。通過測試水輪機效率，可以得到并調整水輪發電機組的效率特性，確保機組在高效率區運行，為水電站經濟運行提供依據，從而獲得最佳經濟效益。

發電機效率是直接關系整機發電效率的一個主要部分，通過對發電機各主要損耗功率的測試來反應發電機的效率，發電機效率的提升可以直接提升水輪發電機組的總效率。

3 案例水電站機組效率試驗的項目及方法

該水電站機組效率試驗分為水輪機效率試驗和發電機效率試驗，水輪機效率試驗3 項，發電機效率試驗9 項。

3.1 水輪機效率試驗

水輪機效率試驗按照國家有關效率試驗標準或合同方同意的類似規程進行，相應的測量元件及安裝等應滿足相關技術標準及要求。包括流程測試、壓力測試、有功功率測試。

3.1.1 流量測試

水輪機流量采用蝸殼差壓以及現場超聲波兩種方法。

（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1 和2，外測點為1 點，與圓周切線夾角為a1，流速為v1，距水輪機旋轉中心軸線距離為r1，；內測點為2 點，與圓周切線夾角為a2，速度為v2，距水輪機旋轉中心軸線距離為r2。假定a1=a2，設蝸殼中水流沒有損失，根據水流等速度矩規律，則v1r1=v2r2=const。當橫斷面通過流量Q 時兩點之間的壓差為：h=p1/r-p2/r=v22/2g-v12/2g，當橫斷面通過流量Q′時兩點之間的壓差為：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平方根成正比。相同蝸殼的測壓管，測量狀態相同，K 是常數。相同蝸殼不同測量孔或者不同的蝸殼，K 不是常數。

（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發射，T2接收，順水流的傳播時間T12=。

T2發射，T1接收，逆水流的傳播時間T21=。

根據T12和T21兩個傳播時間，得到流速。

由此可得，超聲波的速度變化與蝸殼內水的流速成正比。將參數置入儀器，變換器再將采集到的數據進行變換得到瞬時流量，進而得到累計流量Q[1-2]。

3.1.2 壓力測試

（1）水輪機工作水頭計算如式（1）所示。

式中：ΔP——蝸殼進口與尾水管出口的壓差；γ——水的密度；V2——蝸殼進口平均流速；V3——尾水管出口平均流速（V2、V3可按V=Q/F 計算，Q 為流量，F 為斷面面積）；a2——蝸殼進口流速不均勻系數；a3——尾水管出口流速不均勻系數（a2=a3=1）；g——重力加速度。

（2）水頭換算。各工況點實際水頭在試驗時是不一致的，計算水頭一般采用平均水頭，當平均水頭與額定水頭接近時，以額定水頭作為計算水頭，然后再用計算水頭進行換算[1-2]。

3.1.3 有功功率測試

發電機的輸出功率是效率測試的重要數據，必須進行精確測量。

（1）測量條件及測量方法。①測量發電機有功功率，要與水輪機試驗同步進行、同時讀數。②在效率試驗全過程中多個工況點上，發電機要保持額定電壓、額定轉速。③整個試驗過程中，發電機的功率因數要保持同一值（其偏差不得超過0.01），有條件下最好使功率因數cosφ=1，若條件不允許則功率因數要保持穩定值。④使用0.2 級功率變送器，按照現場所接的電壓、電流互感器變比，及其比差、角差的校驗修正系數進行修正，計算得出各工況的有功功率。⑤采用HSJ2010 水力機械綜合測試系統進行測試記錄，對各工況點的功率進行連續采樣，以減小功率擺動帶來的影響。

（2）施測要點。①試驗前首先要確認水輪發電機中性線是否引出，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。電壓互感器原邊標有大寫字母A.X，副邊相應的標有小寫字母a.x，電流互感器原邊標有大寫字母L，K，副邊標有相應的小寫字母l，k。

（3）水輪機效率計算。

首先，相對效率計算。引入指數流量Q*，Q*=Khn，指數效率為η*，可得式（2）。

采用相對法，η*max表示全工況的最高指數效率，相對效率如式（3）所示。

式中：Ng——測量工況點的發電機輸入功率；H——測量工況點的水頭；h——測量工況點的蝸殼差壓；Ngmax——相應最高指數效率工況點上的發電機輸入功率；Hm——相應最高指數效率工況點上的水頭；hm——相應最高指數效率工況點上的蝸殼差壓；n——指數，一般取0.5。

由此可知，用差壓值來代替流量測量，試驗工作量大大減少。相對法試驗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，進而根據水輪機最高相對效率曲線，得到相對效率運轉綜合特性曲線。

其次，絕對效率計算。計算公式如式（4）所示。

式中：ηT——水輪機效率，%；NT——水輪機輸出功率，MW；ρ——水的密度（997.5kg/m3，20℃）；g——重力加速度（9.791m/s2）；Q——機組流量（m3/s）；H——工作水頭，m[1-2]。

3.2 發電機效率試驗

發電機效率試驗包括通風摩擦損耗測量、定子銅損計算或測量、定子鐵芯損耗測量、勵磁損耗計算、發電機外殼表面散熱損耗測量、發電機電刷摩擦損耗、軸承摩擦損耗計算和壓降電損耗計算、發電機效率計算。

3.2.1 通風摩擦損耗測量

發電機無勵磁空轉，保持轉速n＝ne±0.05%ne，發電機運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進、出風溫。待發電機各部溫度在1h 內變化不超過2K 為止，然后按照式（5）計算通風摩擦損耗。

式中：P——被冷卻介質帶走的損耗，kW；Cρ——冷卻介質的比熱，KJ/（kg·K）；Q——冷卻介質的流量，m3/s；ρ——冷卻介質的密度，kg/m3；Δt——冷卻介質的溫升，K[3]。

3.2.2 定子鐵芯損耗測量

發電機轉速保持額定ne±0.05%ne，發電機空載，定子電壓保持額定值Ue±0.5%Ue。發電機運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進、出風溫。待發電機各部溫度在1h 內變化不超過2K 為止，然后計算通風損耗和鐵芯損耗之和，用該值減去通風損耗即可求得鐵芯損耗[3]。

3.2.3 定子銅損測量或計算

發電機轉速保持額定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，在每種工況下電機穩定運行2h后分別測量各空氣冷卻器的出風量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進、出風溫。待發電機各部溫度在1h內變化不超過2K 為止，然后計算通風損耗和銅損耗之和，用該值減去通風損耗即可求得銅損耗[3]。

3.2.4 勵磁損耗計算

發電機勵磁損耗由勵磁變壓器損耗求得。

3.2.5 定子鐵心部分機械損耗測量

發電機在額定有功負荷、額定功率因數、額定工況下，運行2h 后，分別測量各空氣冷卻器的出風量，每隔20min 測量一次空氣冷卻器的進、出風溫、定子電壓、定子電流、功率、cosφ、轉子電壓、轉子電流、定子繞組溫度、定子鐵芯溫度等，直到發電機各部溫度在1h 內變化不超過2K 為止。計算定子繞組銅損、轉子繞組銅損、定子鐵損、部分機械損耗、附加損耗之和。

3.2.6 發電機機殼表面散熱損耗測量

發電機在100%額定負荷、額定功率因數下運行并達到熱穩定后，采用紅外線測溫儀測量發電機機殼表面各部位溫度（不少于20 點），環境溫度（不少于5點），并計算電機表面散熱損耗[3]。

3.2.7 發電機軸承摩擦損耗計算

發電機軸承摩擦損耗取用制造廠計算值。

3.2.8 電刷摩擦損耗和壓降電損耗計算

電刷摩擦損耗計算如式（6）所示。

式中：Pm電——電刷摩擦損耗，kW；μ——電刷摩擦系數；v——滑環圓周速度，m/s；Σ（P·A）——施于電刷的總壓力，MPa，以及電刷的總面積，m2。

電刷壓降電損耗計算如式（7）所示。

式中：P壓——電刷壓降電損耗，kW；Ife——轉子額定勵磁電流，A；Δu——電刷電阻壓降，V。

3.2.9 發電機效率計算

發電機不同有功功率下的效率采用式（8）進行計算，作出不同有功功率下的效率曲線。

式中：Σp——電機總損耗，kW；pn——電機額定功率，kW[4]。

4 機組效率試驗的效果

效率試驗數據表明，該水電站機組效率試驗項目設計合理，邏輯清晰，方法正確，所測數據與實際發電工況運行數據吻合度高，誤差在0.3%以內，為機組經濟運行提供了科學的真實數據，達到了試驗目的，效果顯著[5]。

5 結語

通過對某新投水電站機組效率試驗的設計和實際測試，分析了中型水電站機組效率試驗的具體項目和試驗方法，獲得了工程實測數據，為類似水電站開展機組效率試驗提供了參考和有益的借鑒。