基于紅外熱成像技術(shù)的水力發(fā)電機效率的測定方法

(華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205)

1 概 述

發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率的實際測定對于制造廠家和電力公司來說都是至關(guān)重要的，所測定的發(fā)電機效率是設(shè)計優(yōu)化和驗收測試的重要指標(biāo)[1]。此外，發(fā)電機效率也說明了能源轉(zhuǎn)換的過程，可以作為指導(dǎo)發(fā)電機運維的良好閾值[2]。

任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率都是該系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關(guān)系。這一基本概念構(gòu)成了直接效率測試方法的基礎(chǔ)，即測量輸入和輸出功率并相互關(guān)聯(lián)。輸入功率和輸出功率之間的差異會導(dǎo)致能量損耗，這是任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)固有的。能量損耗的確定是間接能量測試方法的核心[3-4]。只要由輸入功率可以得到輸出功率與功率損失的總和,效率η是可以計算得出的。對于水力發(fā)電廠的同步電機，由于輸入功率是機械性質(zhì)的，因此，輸出功率的測量比輸入功率要簡單[5-6]。

采用直接方法測量大型水力發(fā)電機組的輸入功率和輸出功率，由于水力發(fā)電機組的輸入、輸出功率值較大，將會出現(xiàn)不可避免的測量誤差，導(dǎo)致結(jié)果的高度不準(zhǔn)確性[7]。

由于直接測量水力發(fā)電機效率存在較大困難，因此采用間接法測量水力發(fā)電機效率的方法得到大力發(fā)展。間接方法的優(yōu)點是只測量一個較大的輸出功率和一個相對較小的損耗功率。只要損失測定中所涉及的誤差按比例減少，最終得到的功率測量的總體不確定性就會降低[8-9]。

水力發(fā)電機組的熱損耗主要有冷卻液吸收的熱損耗、機組表面損失的熱量。其中從水力發(fā)電機組表面?zhèn)鞯酵獠凯h(huán)境的熱輻射、從機組傳到混凝土外殼的熱對流以及從傳動軸熱傳導(dǎo)損失的熱量占到總體熱量損耗的約10%[10]。這部分熱量測量目前主要通過接觸式溫度傳感器測定。此外通過傳動軸熱傳導(dǎo)損失的熱量由于測量難度大，目前，被大部分現(xiàn)場效率測定程序所忽略[11]。

文獻(xiàn)[12]通過應(yīng)用量熱法測定小型電機的損耗量的試驗，開發(fā)出同步電機的一些損耗理論模型，試驗結(jié)果與測試結(jié)果一致。然而之前的量熱法研究都基于大量的溫度傳感器實現(xiàn)對水力發(fā)電機的熱量損耗監(jiān)測，這種方法存在系統(tǒng)造價高、高度依賴溫度傳感器、運行可靠性低等問題。此外在現(xiàn)場測定水力發(fā)電機效率由于需要設(shè)置大量溫度傳感器，需要耗費大量人工，測量效率較低。

基于上述考慮，本文在應(yīng)用量熱法來確定現(xiàn)場水力發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，引入紅外熱成像技術(shù)用于測定熱量損耗。該測量方法通過非接觸式熱成像儀測量機器表面溫度，通過傳熱系數(shù)的計算獲得發(fā)電機組的熱量損耗。該方法還能夠?qū)Πl(fā)電機傳動軸的導(dǎo)熱損失進(jìn)行測定，提高了發(fā)電效率的測量精度。

2 量熱法原理

量熱法理論的依據(jù)是所有的機器損耗都轉(zhuǎn)化為熱能[13]。因此，如果可以建立涉及發(fā)電機組的熱量損耗模型，就可以通過觀察到的熱量交換來確定所有的熱能損耗。

圖1描述了水力發(fā)電機組的冷卻劑流體(如空氣、水)和冷卻油與外部環(huán)境的熱交換，以及它們的輸入溫度和輸出溫度。輻射對流的熱量流失也在圖1中標(biāo)識出來。如果這樣的控制量真的可以在機器周圍構(gòu)建，更適合于小尺寸的，那么這個想法是可行的。

圖1 水力發(fā)電機組的熱量交換示意圖

對于大型水力發(fā)電機組來說，如果對每個機組熱能損耗分別計算傳熱，則會更容易得出熱量損耗值。損耗與用于發(fā)電機組內(nèi)部零件的冷卻劑流體(例如空氣和水)以及軸承的油溫升高成比例。通過機器表面流向混凝土和環(huán)境的熱量也應(yīng)該被考慮進(jìn)去[14-15]。下面基于主要途徑的熱能損耗進(jìn)行詳細(xì)計算。

2.1 冷卻液吸收的熱損耗

這部分熱損耗涉及冷卻的機器，包括它們的部件，其中移動的介質(zhì)在一個封閉的系統(tǒng)中循環(huán)。冷卻液吸收機組熱損耗的計算公式為

Plosses=cρQΔθ

(1)

式中Plosses——計算吸收損耗，kW；

c——熱容量，kJ/(kg·K);

ρ——密度,kg/m3;

Q——體積流量,m3/s；

Δθ——升溫,K。

與具體冷卻液相關(guān)，表1列出了最常見的冷卻液的典型值。

表1 典型的計算參數(shù)值(在300K)

一般來說，對于空氣或水冷機器，用這種技術(shù)測定的損耗是內(nèi)部損耗，包括機器導(dǎo)體的焦耳效應(yīng)，機芯上的磁滯和渦流損耗，雜散負(fù)載損耗、摩擦和風(fēng)壓損失。對于分離的油冷卻軸承，也可以使用相同的方法和相關(guān)的常數(shù)來確定任何導(dǎo)向軸承的損失。

冷卻液體積流量可以通過多種方式獲得。非浸入式超聲波流量計由于其精度高并且易于使用而被廣泛應(yīng)用，能夠滿足量熱法測量精度要求。

2.2 輻射、對流和傳導(dǎo)釋放的熱損失

由于水力機組暴露在外部環(huán)境中的大面積表面的溫度明顯高于環(huán)境溫度，因此，會通過輻射、對流和傳導(dǎo)方式流失大量熱量。

這些熱量損耗包括從水力發(fā)電機組表面到環(huán)境的熱量傳遞、傳遞到混凝土外殼以及通過機器軸傳遞的熱量。輻射和對流損失的一般方程為

Plosses=hAΔθ

(2)

式中h——傳熱系數(shù),W/(m2·K)；

A——輻射表面的面積,m2；

Δθ——表面和環(huán)境之間的溫差,K。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指定一個取決于冷卻劑流體速度的傳熱系數(shù)：

h=11+3v

(3)

h=5+3v

(4)

式(3)和式(4)分別用于外表面和內(nèi)表面，其中v是冷卻劑流體速度(m/s)。

3 傳熱系數(shù)的計算方法

盡管已經(jīng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了傳熱系數(shù)測定的方法，但是已有的研究表明存在更適合的方法來確定其值，并能夠提高所得測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，紅外熱像儀表面溫度測量新技術(shù)為量熱法應(yīng)用和表面損失測定提供了新方法，這種測量技術(shù)也需要更加精確的傳熱系數(shù)計算方法。

傳熱系數(shù)取決于幾個物理特性，如表面幾何形狀、流體黏度、流速和熱性能，因此本文提出的傳熱系數(shù)計算方法如下：

(5)

式中k——流體導(dǎo)熱系數(shù)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.0271W/(m·K)；

L——與外界接觸的表面周長的等效長度,m;

Nu——努塞爾數(shù)。

努塞爾數(shù)是對流的熱傳導(dǎo)系數(shù)比，并且它是格拉斯霍夫數(shù)Gr和普朗特數(shù)Pr乘積的函數(shù)：

Nu=α(GrPr)b

(6)

系數(shù)a和b的值取決于所研究的物體表面的等效長度以及Gr和Pr之間的乘積值。表2總結(jié)出了典型的目標(biāo)物體的計算系數(shù)值。

表2 a和b的典型系數(shù)值

Pr在空氣中保持在0.7～0.8的范圍內(nèi)，Gr由下式給出:

(7)

式中g(shù)——重力加速度,m/s2；

v——流體運動黏度，空氣的運動黏度是19.96×10-6m2/s；

Δθ——發(fā)電機表面溫度和環(huán)境溫度之間的差值；

θ——發(fā)電機表面溫度和環(huán)境溫度的平均值,K。

假定水力發(fā)電機表面溫度為46℃，環(huán)境溫度為32℃，將這些方程應(yīng)用于水平軸渦輪水力發(fā)電機(假定為直徑為3m、長度為8m的圓柱體)，計算得出傳熱系數(shù)為 12.79W/(m2·K)。對于直徑為13.8m的水輪發(fā)電機，則計算出的傳熱系數(shù)為14.12W/(m2·K)。這些數(shù)值與IEEE std-115的數(shù)值非常接近，說明傳熱系數(shù)的計算方法可行。

4 溫度測量

發(fā)電機表面溫度和冷卻劑的流體溫度與水力發(fā)電機的負(fù)載和功率相關(guān)，這兩個溫度值的測定是確定發(fā)電機效率的關(guān)鍵問題。

如果使用溫度傳感器(如RTDs或熱電偶)進(jìn)行測量，溫度讀數(shù)是傳感器所在的局部溫度。冷卻劑流體溫度可從安裝在適當(dāng)?shù)目字械膫鞲衅鳙@得，而發(fā)電機罩表面上的溫度信息是從多個離散分布的溫度傳感器讀數(shù)中計算得出的。

由于發(fā)電機表面的溫度梯度引起的溫度值變化可能導(dǎo)致溫度傳感器讀數(shù)準(zhǔn)確度降低，因此本文提出使用紅外熱像儀進(jìn)行水力發(fā)電機表面溫度的測量。

在絕對零度以上的每一個物體都因原子和分子的攪動而產(chǎn)生電磁輻射。攪動程度越高，其溫度越高。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，一個物體的總發(fā)射輻射增長為其絕對溫度的四次方：

M=εσT4

(8)

式中M——電磁輻射，W/m2；

T——絕對溫度，K；

ε——物體表面輻射；

σ——斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值等于5.6704×10-8W/(m2·K4)。

紅外熱像儀利用這一物理原理，通過檢測加熱體發(fā)射的電磁輻射來測量溫度。紅外熱像儀的焦平面陣列(FPA)是一種由m×n個光學(xué)傳感器組成的矩陣，用于將發(fā)射的輻射轉(zhuǎn)換為溫度映射。采用這種技術(shù)，能以非常高的精度測量溫度，分辨率低于0.1℃。使用紅外熱像儀測得的水力發(fā)電廠同步發(fā)電機熱成像圖如圖2所示。

4.1 熱成像的視場跨度

熱成像儀由一個熱成像相機和相關(guān)的信號處理、顯示系統(tǒng)組成。相機的視場(FOV)由相機鏡頭的光圈角決定，該鏡頭將物體圖像投影到焦平面上。由圖3可知，由兩個笛卡兒方向的FOV值和從相機到目標(biāo)物體表面的正交距離，可以確定熱圖像覆蓋的物體區(qū)域：

(9)

(10)

式中d——由熱成像儀到由H和V尺寸(m)定義的表面的正交距離;

FOVx、FOVy——視野在x和y方向的視場,(°)。

在FOV跨度范圍內(nèi)的損失是通過計算得到的:

Plosses=hHVΔθ

(11)

式中 Δθ——平均表面溫度上升超過環(huán)境溫度值，K。

考慮到與平面表面正交的視線，式(11)是有效的。然而從數(shù)學(xué)角度可以證明，對于典型視場角小于30°的情況，結(jié)果對于正交角度低于20°的視角偏差仍然有效。

圖3 熱成像儀相機FOV和覆蓋區(qū)域

4.2 等溫線圖

溫度測量的另一種方案以及相關(guān)區(qū)域的確定是等溫線中整個熱表面的分割。

等溫線技術(shù)包括建立一個溫度范圍，并將原始熱圖像中的所有像素映射到指定范圍內(nèi)的溫度。

圖4顯示了一個水力發(fā)電機的表面熱成像和等溫線。

圖4 發(fā)電機覆蓋表面的紅外熱像和等溫線

圖4(a)顯示了水力發(fā)電機表面的熱圖像，而圖4(b)顯示了36.2℃附近溫度的相關(guān)等溫線。等溫線表面積可以通過多種方式確定。一致的方法在于將滿足溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)的像素的數(shù)量乘以由每個像素覆蓋的基本區(qū)域。這個區(qū)域涉及瞬時視場(IFOV)，定義了熱成像儀的最小可檢測目標(biāo)。熱成像儀的最小可檢測目標(biāo)取決于相機的FOV和FPA分辨率?？紤]到m×n的FPA分辨率，式2可以被重寫為

(12)

式中，I表示所考慮的等溫線集合。對于第i個等溫線，Ni、hi和Δθi分別是像素的數(shù)量、傳熱系數(shù)(W/m2K)和環(huán)境溫度(K)。

5 發(fā)電機軸上的損耗

目前，發(fā)電機效率測定標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常忽略的損失是發(fā)電機傳動軸中的傳導(dǎo)和對流損失。這部分軸與軸承摩擦產(chǎn)生的熱量不是由冷卻油提取的，而是通過傳動軸傳導(dǎo)并作為對流損失釋放到環(huán)境中。

由于使用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器來測量軸的溫度梯度幾乎是不可能的，因此軸損耗的能量值被經(jīng)常性忽略。

紅外熱像儀的出現(xiàn)為測量此前被忽略的損耗帶來了新的可能性，圖5顯示水力發(fā)電機軸的溫度梯度超過10℃。

圖5 發(fā)電機軸的紅外熱像

雖然軸損失機制遵循式(2)和式(5)所述的理論，但仍然需要采用不同的方法來確定旋轉(zhuǎn)傳動軸的努塞爾數(shù)：

(13)

式中ω——角速度,rad/s；

D——軸直徑，m。

6 案例分析

將本文所提出的發(fā)電機效率測定技術(shù)應(yīng)用于江蘇省宜興抽水蓄能電站的額定功率為55.5MVA的單臺機組，將通過比較采用本文方法測定出的效率值與制造廠家采用的標(biāo)準(zhǔn)方法獲得的效率值來完成對所提技術(shù)的可行性驗證。

該水電站發(fā)電機組的水和空氣回路釋放了冷卻液吸收的熱能損失。該發(fā)電機組散熱系統(tǒng)由六個結(jié)構(gòu)相同風(fēng)管組成(其中一個風(fēng)管的截面和風(fēng)速如圖6所示)。使用經(jīng)過校準(zhǔn)的熱式溫度計和速度計進(jìn)行溫度和風(fēng)速測量。

圖6 通風(fēng)管上的風(fēng)速和面積分布

六個管道的總風(fēng)量為42.5m3/s; 通風(fēng)管道輸入和輸出的平均空氣溫度分別為49.9℃和66.6℃。因此，由式(2)計算出吸收損失為771.6kW。水回路計算出相同的損失。使用超聲波流量計測量的水流量為176.1m3/s。輸入和輸出溫度分別為27.9℃和31.8℃。計算出的冷卻液所吸收熱量損失為789.7kW。

圖7 機油冷卻軸承的紅外熱像

如圖7所示，通過測量冷卻水流量和溫差來確定合并軸承和上軸承的水分吸收損失(軸承熱損耗測量結(jié)果如表3所示)。

表3 軸承熱損耗測量結(jié)果

使用紅外熱成像技術(shù)獲得水力發(fā)電機組外表面的熱量損耗。由于FOV的限制，整個區(qū)域被分成四個象限,如圖8(a)所示。等溫線圖技術(shù)被用來確定溫度范圍的區(qū)域,如圖8(b)所示。所得結(jié)果列于表4中。

圖8 發(fā)電機覆蓋表面的紅外熱像和等溫線

區(qū)域溫度區(qū)間/℃θ/℃A/m2140.6～43.542.10.9443.6～46.044.81.6546.1～48.547.36.3748.6～50.549.611.9250.6～52.851.63.22240.6～43.542.10.8243.6～46.044.81.7746.1～48.547.36.2148.6～50.549.610.7150.6～52.851.64.59

續(xù)表

試驗環(huán)境溫度為34.8℃。為了便于比較，傳熱系數(shù)為15W/(m2·K)。測得在發(fā)電機表面范圍內(nèi)的泄漏熱量損失為20.2kW。采用相同的技術(shù)，在勵磁機和發(fā)電機井中測得熱量損失共為24.05kW。

基于水回路和空氣回路計算的水力發(fā)電機組的總損耗值分別為862.9kW和844.9kW。

表5列出了所計算的效率以及從制造廠家獲得的效率值。通過比較，可知所計算出的效率值與制造廠家的標(biāo)準(zhǔn)效率值具有非常好的一致性。

表5 發(fā)電效率值對比

7 結(jié) 論

本文提出了一種將基于紅外熱成像的量熱法應(yīng)用于水力同步電機效率測定的方法。該方法利用紅外熱成像法可快速測得連續(xù)范圍內(nèi)水力發(fā)電機表面的熱損耗，提高了量熱法的測量速度、測量精度，同時避免了在水力發(fā)電機表面布設(shè)大量接觸式溫度傳感器，降低了效率測定的成本。案例分析表明，該方法所測的的效率值與標(biāo)準(zhǔn)值具有較強的一致性，具有推廣使用的價值。

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