基于超聲波測流法的HLA855a-LJ-310型水輪機(jī)效率試驗(yàn)

馮雁敏， 常洪軍， 張恩博

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

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基于超聲波測流法的HLA855a-LJ-310型水輪機(jī)效率試驗(yàn)

馮雁敏， 常洪軍， 張恩博

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

水輪機(jī)效率特性是評價(jià)水輪機(jī)性能的一個重要指標(biāo)，是進(jìn)行機(jī)組間負(fù)荷優(yōu)化分配的依據(jù)，故對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行原型水輪機(jī)效率特性試驗(yàn)具有十分重要的意義。在試驗(yàn)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行前,應(yīng)用超聲波測流法對HLA855a-LJ-310型水輪機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場效率試驗(yàn)。介紹了試驗(yàn)設(shè)備和計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的配置，闡述了工況參數(shù)的計(jì)算方法，根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果計(jì)算出試驗(yàn)水頭下水輪機(jī)的效率特性及其耗水率特性，分析了引水水頭損失與流量平方之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算和分析結(jié)果修正了水輪機(jī)生產(chǎn)廠家給定的蝸殼壓差流量系數(shù)。在對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，超聲波測流法的實(shí)時(shí)性好，操作簡單。分析和計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)水頭下水輪機(jī)效率和最大出力可以滿足技術(shù)協(xié)議保證值的要求，但其他水頭下的特性曲線還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。

水輪機(jī)；效率試驗(yàn)；超聲波法；出力特性

水輪機(jī)作為一種將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換原動裝置，它的轉(zhuǎn)換效率是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)[1-2]。水輪機(jī)效率特性因機(jī)型的不同和在設(shè)計(jì)方法、制造加工、安裝質(zhì)量各環(huán)節(jié)存在的差異而不同。對于已經(jīng)投入運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)組，因?yàn)樵O(shè)計(jì)選型不合理或制造安裝質(zhì)量存在缺陷，使得水輪機(jī)效率偏低，有的機(jī)組長期在低效率區(qū)運(yùn)行，這將影響機(jī)組效率的發(fā)揮，同時(shí)會使機(jī)組的振動擺度增大,汽蝕破壞加劇，嚴(yán)重威脅機(jī)組乃至整個水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供的由模型機(jī)試驗(yàn)結(jié)果換算來的綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線不能反映真機(jī)的實(shí)際特性。因此，在新機(jī)組投產(chǎn)時(shí)或老機(jī)組更新改造前后需進(jìn)行水輪機(jī)原型效率試驗(yàn)。通過水輪機(jī)原型效率試驗(yàn)，鑒定試驗(yàn)水頭下的水輪機(jī)效率特性、耗水率特性、流量特性、流道損失特性，以便為水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。

水輪機(jī)原型效率試驗(yàn)中測點(diǎn)較多、測試難度最大的是對水輪機(jī)流量的測量。除了熱力學(xué)法直接測得效率外，不同的流量測試方法直接決定了效率試驗(yàn)的性質(zhì)。目前常用的測流方法有：超聲波法、蝸殼差壓法、流速儀法、畢托管法、示蹤法、水錘法及堰測法等。各測試方法的使用條件及優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，要根據(jù)水電站引水系統(tǒng)狀況、水頭的高低、水輪機(jī)的形式以及其他實(shí)際情況選擇使用。熱力學(xué)法對溫度測量傳感器有很高的精度要求，流速儀法適用于管徑較小的機(jī)組，而超聲波法具有測試相對簡單、測試數(shù)據(jù)的精度高等優(yōu)點(diǎn)[3-9]。文中結(jié)合試驗(yàn)機(jī)組實(shí)際情況選擇超聲波測流法進(jìn)行水輪機(jī)效率試驗(yàn)，檢驗(yàn)水輪機(jī)制造廠家提供的效率保證是否達(dá)到要求。

1　試驗(yàn)機(jī)組基本參數(shù)

1.1水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)：型號為HLA855a-LJ-310，額定流量為85.3 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為272.7 r/min，設(shè)計(jì)水頭為135 m，最大水頭為155 m，最小水頭為117 m。

1.2發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)：型號為SF103-22/6730，額定功率為103 MW，額定容量為117.7 MV·A，額定電壓為13 800 V，額定電流為4 924.8 A。

2　超聲波測流法的水輪機(jī)效率試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)測點(diǎn)及測試設(shè)備

水輪機(jī)效率試驗(yàn)的主要測點(diǎn)有：上游水位、下游水位、水輪機(jī)流量、導(dǎo)葉開度、發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率、蝸殼壓差、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水出口壓力等。電站的上、下游水位數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)讀出，其他測點(diǎn)參數(shù)的測量均采用相應(yīng)傳感器通過轉(zhuǎn)換裝置輸入GMH 550水輪發(fā)電機(jī)組綜合試驗(yàn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備見表1。

表1　試驗(yàn)設(shè)備

2.2流量測量

采用UF-911多路超聲波流量計(jì)測量水輪機(jī)流量。UF-911超聲波流量計(jì)由換能器、電纜組、擴(kuò)展槽及上位機(jī)組成，并含有打印機(jī)接口和串行通訊接口及模擬量輸出接口。試驗(yàn)機(jī)組壓力鋼管平直管段長度為26 m，鋼管內(nèi)徑為4.2 m.測流斷面選在鋼管人孔門上游側(cè)8 m處，安裝的換能器按65°聲路角、交叉8聲路布置。

2.3試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式

水輪機(jī)效率試驗(yàn)工況指標(biāo)包括水輪機(jī)工作水頭、發(fā)電機(jī)輸出功率、水頭損失、引水系統(tǒng)水頭損失、水輪機(jī)效率、機(jī)組效率、耗水率等，工況指標(biāo)按文獻(xiàn)[1-2]的相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算。

2.3.1水輪機(jī)工作水頭

水輪機(jī)工作水頭定義為水輪機(jī)的蝸殼進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面的總能頭之差，表示為:

(1)

式中:Ht為水輪機(jī)工作水頭，m；Z1和Z2分別為蝸殼進(jìn)口和尾水管出口壓力傳感器的安裝高程，m；P1和P2分別為蝸殼進(jìn)口和尾水管出口壓力值，Pa；V1和V2分別為蝸殼進(jìn)口和尾水管出口斷面水流的平均流速，m/s；α1和α2分別為蝸殼進(jìn)口和尾水管出口斷面流速分布不均勻系數(shù)，取α1≈1.0、α2≈1.0；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?經(jīng)計(jì)算，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹?.797 3 m/s2)；γ為當(dāng)?shù)厮娜葜?溫度4 ℃時(shí)，對應(yīng)γ=9 797.3 N/m3)。

2.3.2發(fā)電機(jī)輸出功率

應(yīng)用功率傳感器在互感器的二次端測量發(fā)電機(jī)的輸出功率。電壓互感器的變比為KV，電流互感器的變比為KI，發(fā)電機(jī)的輸出功率N為：

N=KVKIW。

(2)

式中W為功率變送器讀數(shù)。

2.3.3水頭損失和引水系統(tǒng)水頭損失

水頭損失Hl定義為電站水頭與水輪機(jī)工作水頭之差，則

Hl=Zu-Zd-Ht。

(3)

式中Zu、Zd分別為電站的上、下游水位,m。

引水系統(tǒng)水頭損失Hd定義為電站上游水位與蝸殼進(jìn)口斷面的總能頭之差，m。則

(4)

2.3.4效率

水輪機(jī)效率ηt表示為:

(5)

機(jī)組效率ηu表示為:

(6)

式中:ηt為水輪機(jī)效率，%；ηu為機(jī)組效率，%；Ng為發(fā)電機(jī)有功功率，MW；ηg為發(fā)電機(jī)效率，%，發(fā)電機(jī)效率特性曲線由現(xiàn)場提供；Q為水輪機(jī)流量，m3/s。

各工況實(shí)測的有功功率Ngi、水輪機(jī)流量Qi均要換算到所有工況實(shí)測水輪機(jī)工作水頭下的算術(shù)平均值對應(yīng)的換算值[1-2]，換算公式為：

(7)

(8)

2.3.5耗水率

耗水率計(jì)算公式為：

(9)

式中ε為耗水率，m3/(kW·h)。

2.4試驗(yàn)工況及調(diào)整要求

按照文獻(xiàn)[1]的要求，手動調(diào)整導(dǎo)葉開度來改變試驗(yàn)工況，工況開度定為空載開度和20%、30%、35%、40%、45%、50%、52.5%、55%、57.5%、60%、62.5%、65%、67.5%、70%、72.5%、75%、80%導(dǎo)葉開度，先依次遞增，再依次遞減，導(dǎo)葉開度按單方向調(diào)整，避免超調(diào)后再回調(diào)。試驗(yàn)過程中，功率的變化不應(yīng)超過功率平均值的±1.5%，轉(zhuǎn)速的變化不應(yīng)超過轉(zhuǎn)速平均值的±0.5%，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)盡量保持為0.99，試驗(yàn)過程中水頭保持穩(wěn)定，其偏差不超過平均水頭的±1.0%[1-2].每次調(diào)整試驗(yàn)工況時(shí)，要求該工況穩(wěn)定5 min后再進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

3　試驗(yàn)成果分析

3.1水輪機(jī)效率計(jì)算結(jié)果及分析

水輪機(jī)效率試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表2，水輪機(jī)特性曲線如圖1所示，水輪機(jī)特性曲線擬合方程見表3。

表2　水輪機(jī)效率試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

圖1　水輪機(jī)效率試驗(yàn)特性曲線

表3　水輪機(jī)效率試驗(yàn)特性擬合方程

由表2、表3及圖1可以看出，在試驗(yàn)水頭下，實(shí)測水輪機(jī)最高效率為92.90%，由水輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線求得試驗(yàn)水頭下對應(yīng)的最高效率為90.70%，可以滿足要求?？紤]到誤差影響(誤差為±1.84%)，按正誤差計(jì)算，換算到水輪機(jī)最高效率為94.74%；在最大導(dǎo)葉開度下(81.30%)，發(fā)電機(jī)最大輸出功率為110.46 MW；全部試驗(yàn)工況中，最小耗水率為2.73 m3/(kW·h)，平均耗水率為3.16 m3/(kW·h)，水輪機(jī)過水流道最大水頭損失為2.98 m；當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組出力為87～110 MW時(shí)為高效率區(qū)域，水輪機(jī)效率均在90%以上。因此在試驗(yàn)水頭下水輪機(jī)宜在此負(fù)荷范圍運(yùn)行。

3.2蝸殼流量系數(shù)的率定

水輪機(jī)原型效率試驗(yàn)的重要成果之一是率定蝸殼流量計(jì)系數(shù)K值，為以后利用蝸殼壓差法測試流量提供依據(jù)。當(dāng)蝸殼橫斷面通過流量Q時(shí),蝸殼內(nèi)外緣兩點(diǎn)產(chǎn)生壓力差h，根據(jù)伯努利方程，可推導(dǎo)出流量與蝸殼壓力差平方根的關(guān)系為

(10)

對于同一臺機(jī)組的同兩根測壓管，只要測點(diǎn)位置及狀態(tài)不變，K值便是既定常數(shù)。由表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出K=20.81。試驗(yàn)機(jī)組水輪機(jī)流量與蝸殼壓力差平方根的線性關(guān)系如圖2所示。

圖2　蝸殼的流量特性曲線

4　試驗(yàn)誤差分析

水輪機(jī)效率試驗(yàn)誤差由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差組成。系統(tǒng)誤差是指方向、大小一定的誤差，反映測量的正確度；隨機(jī)誤差是指方向、大小可變的誤差，隨觀測次數(shù)的增加呈正態(tài)分布規(guī)律，反映了測量的精密度，具有相互抵償性。

4.1系統(tǒng)誤差

水輪機(jī)效率的系統(tǒng)誤差由相關(guān)測試設(shè)備的精度決定。

4.1.1流量誤差

水輪機(jī)流量采用超聲波流量儀測量，其精度為1.5%，所以流量測量誤差fQ=1.5%。

4.1.2水頭誤差

蝸殼進(jìn)口壓力采用0.2級壓力傳感器測量，使用在4/5量程，蝸殼進(jìn)口壓力測量誤差為:

(11)

尾水出口壓力采用0.2級壓力傳感器測量，使用在1/3量程，尾水出口壓力測量誤差為:

(12)

故水頭測量誤差為：

(13)

4.1.3功率誤差

發(fā)電機(jī)功率采用功率變送器測量，測量精度為0.2%，取其測量誤差fP=0.2%。

4.1.4試驗(yàn)設(shè)備誤差

中元瑞訊GMH550綜合測試儀測量精度為0.5%，取其測量誤差fs=0.5%。

4.1.5系統(tǒng)誤差

由上得出水輪機(jī)效率的系統(tǒng)誤差為

(14)

4.2隨機(jī)誤差

在同一條件下的重復(fù)測量列的標(biāo)準(zhǔn)差Sy按貝塞爾法確定.超聲波測流法求得的水輪機(jī)效率特性曲線擬合方程為：

(15)

其標(biāo)準(zhǔn)差Sy按下式計(jì)算，

(16)

式中:η0i為對應(yīng)自變量擬合曲線上的值；ηi為對應(yīng)自變量的實(shí)測值；n為觀測次數(shù)，取33；m為多項(xiàng)式的階數(shù)，取2。

計(jì)算得：Sy=2.242%。

隨機(jī)誤差為：

(17)

4.3水輪機(jī)效率的總誤差

水輪機(jī)效率的試驗(yàn)綜合誤差為:

(18)

本次試驗(yàn)，水輪機(jī)效率誤差在允許的范圍內(nèi)[±(1.5%～2.5%)]，滿足文獻(xiàn)[2]的要求，故試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果可靠。

5　結(jié)　語

1)應(yīng)用超聲波測流法對試驗(yàn)機(jī)組進(jìn)行水輪機(jī)效率試驗(yàn)，每個工況點(diǎn)的功率變化沒有超過該工況平均功率值的±1.5%，試驗(yàn)過程中水頭基本保持穩(wěn)定，其偏差沒有超過平均水頭的±1.0%，頻率的變化也未超出平均頻率值的±0.5%，水輪機(jī)效率總誤差為±1.84%，滿足文獻(xiàn)[2]中±1.5%～±2.5%(置信度95%)的要求，且實(shí)測的效率特性曲線光滑，各工況點(diǎn)沒有明顯的離散，因此取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算成果是可信的。

2)在試驗(yàn)水頭下，實(shí)測水輪機(jī)最高效率為92.90%，大于根據(jù)水輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線求得的試驗(yàn)水頭下的最高效率(90.70%)；在最大導(dǎo)葉開度下(81.30%)，發(fā)電機(jī)最大輸出功率為110.46 MW；當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組出力為87～110 MW時(shí)為高效率區(qū)域，因此在試驗(yàn)水頭下水輪機(jī)宜在此負(fù)荷范圍運(yùn)行。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，水輪機(jī)效率和最大出力可以滿足技術(shù)協(xié)議保證值的要求。

3)建議在其他特征水頭下再次進(jìn)行水輪機(jī)效率試驗(yàn)，以獲得完整的水電機(jī)組動力特性曲線，為水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程：GB/T 20043—2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

[2]International Electrotechnical Commission.Field Acceptance Tests to Determine the Hydraulic Performance of Hydraulic Turbines,Storage Pumps and Pump-turbines:IEC 60041—1991.0[S].Genneva,Switzerland:IEC,1991.

[3]張?zhí)m金,陳德新,任巖，等．冷卻塔用微型混流式水輪機(jī)水力損失分析[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(1)：1-3．

[4]屈紅崗．龍頭石電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)與現(xiàn)場測試[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(2)：69-72．

[5]趙祎,劉琳,白家驄，等．IPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在水輪機(jī)效率試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25(4)：29-30, 34．

[6]劉小亭,李維藩．水力機(jī)組現(xiàn)場測試手冊[M]．北京：水利水電出版社，1993：18-25．

[7]劉鑫,Karney B,Radulj D,et al．熱力學(xué)法在泵性能測試中的應(yīng)用及與傳統(tǒng)方法的比較[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51(10)：189-196．

[8]閻宗國,周凌九,孔德銘，等．小浪底水電站1號機(jī)組效率試驗(yàn)研究[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007，26(2)：124-128．

[9]邵國輝,趙越,趙英男．卡倫Ⅲ水電站2號機(jī)組效率試驗(yàn)研究[J]．中國農(nóng)村水利水電，2014(4)：151-154．

(責(zé)任編輯：杜明俠)

The Efficiency Test of HLA855a-LJ-310 Type Hydraulic Turbine Based on Ultrasonic Wave Method

FENG Yanmin, CHANG Hongjun, ZHANG Enbo

(Electric Power Research Institute of Liaoning Electric Power Co., Ltd. of State Grid, Shenyang 110006, China)

The efficiency is an important aspect to evaluate the performance of hydraulic turbine, and it is basic data for the optimization of the load distribution. It has a very important significance to test the turbine efficiency of prototype hydraulic turbine unit. The filed efficiency test of HLA855a-LJ-310 type turbine which based on ultrasonic wave method was carried out before the test unit was put into commercial operation. The configurations of test instrument and computer test system were introduced in this paper, the calculation method of the parameters tested was explained. The efficiency and water consumption characteristics of the hydraulic turbine at the test head were calculated, and the relationship between the head loss of diversion system and the square of flow was analyzed. The volute pressure difference coefficient provided by the hydraulic turbine manufacturer was amended. Through the test data analysis, the flow measurement by ultrasonic had a simple operation and a good real-time performance, the efficiency and the maximum output of the unit at the test head met the requirements of the technical agreement. In order to compare the curves of other heads, further demonstration was needed.

hydraulic turbine; efficiency test; ultrasonic wave method; output characteristics

2015-09-05

馮雁敏(1984—),男,河北邢臺人,高級工程師,碩士,主要從事水電機(jī)組調(diào)試及性能試驗(yàn)方面的研究。E-mail:neprifengyanmin@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.015

TV734.1;TK733+.1

A

1002-5634(2016)01-0078-06