基于量熱法的水電機組發(fā)電機效率試驗研究

周 葉，李 科，潘羅平，曹登峰

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 410004）

1 研究背景

近年來我國水電企業(yè)參與了大量海外水電工程的設(shè)計和建設(shè)，部分工程已經(jīng)到了移交驗收和試運行階段，而在驗收前的最后一個環(huán)節(jié)——開展機組性能試驗，以驗證發(fā)電機組是否滿足發(fā)電效率要求，是否需要巨額罰款和賠付，經(jīng)常成為建設(shè)方的難題。該試驗不僅需要中立的性能測試機構(gòu)和專業(yè)的測試技能，還需要嚴(yán)格的現(xiàn)場測試和安裝條件，另外量熱法對不同負(fù)荷工況下熱穩(wěn)定測試時間的要求過長，也給試驗增加了難度。

本文針對這些難點，首先簡要介紹了基于量熱法的發(fā)電機效率測試原理，結(jié)合發(fā)電機效率試驗中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，如冷卻管路的改造是否滿足流量測量要求、分項損耗的計算與總體熱損耗的校核與驗證，以及試驗過程和時間的計劃組織等難點，提出了優(yōu)化和解決方案。最后，通過我國承建的西非科特迪瓦蘇布雷電站的一次測試實施實例，證明優(yōu)化設(shè)計方法具有良好的操作性和有效性，可為其他海外水電工程的發(fā)電機效率測試提供實施參考和技術(shù)依據(jù)。

2 量熱法測量原理

在發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生的各種損耗，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，因此可用測量電機所產(chǎn)生的熱量來推算電機的損耗，從而計算電機的效率，這種方法稱為量熱法［1］。為了對總損耗進行分類，我們給電機規(guī)定了一個基準(zhǔn)表面，這是一個將電機全部包在里面的基準(zhǔn)表面，這個表面內(nèi)產(chǎn)生的所有損耗，都通過該表面散發(fā)出去。圖1給出了標(biāo)準(zhǔn)的立式和臥式發(fā)電機的基準(zhǔn)表面示意圖。通過基準(zhǔn)表面的劃分，把熱量產(chǎn)生的損耗分為基準(zhǔn)面內(nèi)部的損耗Pi和外部損耗Pe。

內(nèi)部損耗Pi主要包括兩部分，一部分是通過冷卻回路帶出參考表面的能量損耗，這部分在損耗中占主要比例，通常有空冷器冷卻水帶走的熱量、上導(dǎo)軸承冷卻器帶走的熱量、推導(dǎo)軸承冷卻器帶走的熱量等；另一部分是未傳遞給冷卻介質(zhì)，而是通過基準(zhǔn)表面以對流、輻射等方式散發(fā)的能量損耗，如發(fā)電機上蓋板、四周外圍墻、下蓋板與空氣的散熱等。

圖1 立式和臥式機組發(fā)電機基準(zhǔn)表面示意（粗框線為基準(zhǔn)表面）

對冷卻介質(zhì)帶走的損耗，可由下式計算：

式中：P1為被冷卻介質(zhì)帶走的損耗；CP為冷卻介質(zhì)比熱；ρ為冷卻介質(zhì)密度；Δt為冷卻介質(zhì)溫升；Q為冷即介質(zhì)流量。由于水的物理特性相對比較穩(wěn)定，冷卻介質(zhì)大多選擇循環(huán)冷卻水。以空冷器為例，要計算其冷卻水帶走的損耗，只需要測量其冷卻管路的水流量和進出口管路溫差即可。

而基準(zhǔn)表面與空氣的熱交換損耗，可采用下式計算得到：

式中：P2為外表面散出的損耗；h為表面散熱系數(shù)；A為該基準(zhǔn)面的散熱面積；Δt為外表面溫度與外部環(huán)境溫度之差。以發(fā)電機上蓋板為例，其輻射和對流產(chǎn)生的熱量，只需要測量蓋板表面溫度和環(huán)境溫度以及蓋板面積尺寸即可。

外部損耗Pe指在參考表面之外，但參與了機組運行發(fā)電的設(shè)備產(chǎn)生的損耗，主要為勵磁變損耗，通常采用設(shè)計值或由廠家提供的資料計算得出。

得到發(fā)電機所有散熱損耗后，發(fā)電機效率ηgen可由下式得出：

式中：∑P為發(fā)電機的總損耗；Po為發(fā)電機的輸出功率。

3 試驗關(guān)鍵技術(shù)

3.1 損耗測量與設(shè)備安裝 根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，流量測量需要選擇不同類型的流量計。要得到冷卻水流量，可在空冷器及導(dǎo)軸承冷卻器的冷卻水進口管路上安裝電磁流量計。根據(jù)規(guī)程要求，以水為冷卻介質(zhì)時，流量測量相對誤差需小于1%，因此，試驗通常選用精度等級0.5%的電磁流量計。

流量計的安裝有兩個必要條件，一個是對前后管徑直管段的要求，按照IEC附錄說明［1-3］，需要前10倍管徑、后5倍管徑的直管段，以保證水流的穩(wěn)定性；另一個條件是水流必須從低往高流動，保證流量計內(nèi)水流滿管，從而得到正確的流量。而水電站現(xiàn)場通常很難具備這兩個必要條件，因此很難得到準(zhǔn)確的流量測量結(jié)果，甚至可能出現(xiàn)因水流未滿管錯誤計算流量，導(dǎo)致發(fā)電機效率大幅下降的錯誤結(jié)果。

這里以西非科特迪瓦蘇布雷電站為例，現(xiàn)場管道連接狀態(tài)如圖2所示，可看到原可拆除管段占用的長度很短，且水流為從上往下流動方向，在此管路上直接安裝流量計，無法滿足流量測量的基本要求。因此，經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化，這里提出了一種通用性強的管路改造方案，即通過變徑的方式解決流量計前后直管段要求，同時引入垂直方向的回折管段，使流量計安裝于水流上升方向，以保證流量計滿足水流滿管要求。改造方案設(shè)計如圖3所示。

圖2 原冷卻水管路安裝條件

圖3 管路改造示意圖

通過對空冷器和推導(dǎo)軸承冷卻水管路進行改造，使其嚴(yán)格滿足規(guī)程對測流的要求，且無需改動或切割原有管路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場實施照片見圖4所示。

冷卻介質(zhì)進出口溫差，在冷卻管路的進出口管道上打孔安裝高精度測溫電阻（RTD）得出，現(xiàn)場通常采用1/3 B級精度（0.1K）的傳感器進行測量，安裝圖片見圖5。

圖4 改造后管路照片

圖5 測溫電阻安裝圖

參考表面的輻射和對流散熱損耗，可根據(jù)機型幾何特征，在不同表面均布沿表面溫度和環(huán)境溫度傳感器，并通過式（2）計算得出。以圖1中立式機組的參考表面為例，可得到總共需要布置的表面?zhèn)鞲衅骱铜h(huán)境溫度傳感器數(shù)量，如表1所示。表面溫度和環(huán)境溫度傳感器的布置示意圖如圖6所示。

表1 表面溫度和環(huán)境溫度傳感器的布置數(shù)目（共30個）

3.2 分項損耗測定 《IEC60034-2-2》中提出，采用量熱法確定發(fā)電機效率可采用兩種方式開展［1］，一種為帶負(fù)荷的總體損耗法，一種是分項損耗法?？傮w損耗法即直接在不同負(fù)荷工況下，通過溫差、流量等參數(shù)確定基準(zhǔn)面內(nèi)部的損耗和外部損耗，其效率測量的原理基于機組運行損耗被帶走的方式。

而分項損耗法則基于機組運行時損耗產(chǎn)生的來源［4-6］，將機組的損耗分為風(fēng)磨損耗Pw、軸承損耗Pgb、碳刷損耗Pb、轉(zhuǎn)子銅損Pr、定子銅損Ps、定子鐵損PFe、雜散損耗PLL和勵磁變損耗Pex。

風(fēng)磨損耗為不變損耗，可在機組空轉(zhuǎn)時測得。軸承損耗采用總體損耗法測量導(dǎo)軸承的冷卻介質(zhì)散熱和表面散熱得到，由于其近似為常量，在測量不便時也可采用設(shè)計值代替；碳刷損耗分為碳刷電損耗和碳刷機械損耗，可由轉(zhuǎn)速、碳刷壓降和勵磁電流等參數(shù)計算得出。

圖6 表面環(huán)境測溫傳感器布置（主視圖和俯視圖）

定子鐵損主要由磁滯損耗和渦流損耗產(chǎn)生，其與機端電壓的平方成正比，可在機組空載工況下測得定子鐵損后，其他工況按機端電壓比例得出。

定子銅損Ps與發(fā)電機機端電流有關(guān)，可在發(fā)電機三相穩(wěn)態(tài)短路工況下，用下式計算：

式中：Ia為短路工況下的定子電流測量值；Ra為短路工況下的單相定子繞組換算到基準(zhǔn)溫度下的電阻值。

轉(zhuǎn)子銅損Pr通過測量發(fā)電機運行時的轉(zhuǎn)子繞組電流得到：

式中：If為運行工況下的勵磁電流；Rf為轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)溫度下的轉(zhuǎn)子繞組電阻。

雜散損耗［7-8］與機組機端電流的平方近似成正比，可通過短路工況測得其他分項損耗得到對應(yīng)機端電流的雜散損耗，進而得到所有工況下的雜散損耗值。

3.3 試驗過程校核 按照量熱法開展發(fā)電機效率測試，其本質(zhì)是機組運行的熱穩(wěn)定測試，即機組在不同運行工況下，機組各部件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，測量其總體損耗或分項損耗算出其效率［9］。按照量熱法的發(fā)電機效率計算和測量方法不同，試驗也可采用如下兩種過程。

（1）如果機組考核指標(biāo)不需要提供分項損耗，則可以根據(jù)量熱法的第一種計算方法—總體損耗法［10］，直接在需要考核的機組負(fù)載工況下，測量冷卻介質(zhì)和表面輻射對流帶走的熱量計算總體損耗，再結(jié)合有功輸出，得到該工況下的發(fā)電效率，即任何工況下機組總損耗為：

（2）如果試驗需要提供分項損耗，則必須通過空轉(zhuǎn)、空載和短路三個額外工況，來分別得到機組的風(fēng)磨損耗、定子鐵損和雜散損耗。其他任何工況下分項損耗，可通過該工況下機組的功率輸出、機端電壓、機端電流、勵磁電壓和勵磁電流換算得出。此時機組損耗采用下式計算：

每個工況的熱穩(wěn)定時間較長，通常需要4～8 h甚至更久［11］，如在不同功率因數(shù)下測量多個負(fù)荷工況的發(fā)電機效率，以運轉(zhuǎn)4 h機組達(dá)到熱穩(wěn)定為例，一臺機組的試驗過程將長達(dá)44 h（0.85和1.0兩種功率因數(shù)下各4個負(fù)荷工況，包括空轉(zhuǎn)、空載、短路共11個工況）。因此，本文提出一種結(jié)合了總體損耗法和分項損耗法優(yōu)點的機組效率試驗過程，其能滿足任何工況下都能得到其分項損耗，且能大大減少總體損耗法所需的漫長熱穩(wěn)定時長。

該方法的核心為驗證總體損耗法與分項損耗法的計算結(jié)果一致性，再通過分項損耗法的推算，直接得到所有工況的效率結(jié)果，其基本步驟如下：

（1）開展空轉(zhuǎn)、空載和短路試驗，得到分項損耗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別為風(fēng)磨損耗、定子鐵損和雜散損耗。

（2）開展額定負(fù)荷工況下機組熱穩(wěn)定試驗，采用總體損耗法和分項損耗法分別計算，將得到的效率結(jié)果進行比較和校核，如果數(shù)據(jù)結(jié)果相同，則驗證了量熱法兩種計算方法的一致性和可靠性。

（3）如只需對額定負(fù)載下的效率值進行考核，則無需試驗，直接采用分項損耗法推導(dǎo)發(fā)電機效率，因為在第（2）步中已經(jīng)驗證了分項損耗法與總體損耗法的一致性，因此，可用分項損耗的推導(dǎo)方式得到發(fā)電機效率。

（4）如需要不同負(fù)載下的發(fā)電機效率，那么讓機組做一個升負(fù)荷過程，記錄不同負(fù)荷下機組機端電流、機端電壓、勵磁電流、勵磁電壓和功率輸出的數(shù)據(jù)曲線，最后采用分項損耗推導(dǎo)法得到不同負(fù)載下的發(fā)電機效率。

4 現(xiàn)場測試與計算案例

這里以作者在科特迪瓦蘇布雷水電站開展的一次法方監(jiān)理、非洲業(yè)主參與并認(rèn)可的發(fā)電機效率試驗為例，通過總體損耗法，共開展4個工況的效率測試，計算得到發(fā)電機的效率結(jié)果見表2。根據(jù)記錄的機組電壓和電流等電氣參數(shù)，采用分項損耗法得到發(fā)電機的效率結(jié)果見表3。

表2 總體損耗法計算結(jié)果

表3 分項損耗法計算結(jié)果

4個試驗工況下兩種計算方法得到的發(fā)電機效率結(jié)果分別為98.279%和98.290%，相差0.011%，可認(rèn)為兩種計算方法具有良好的一致性。

因此，結(jié)合表3的分項損耗計算結(jié)果，根據(jù)設(shè)計額定負(fù)荷下機組的電氣參數(shù)，推算設(shè)計額定負(fù)荷下的機組分項和總體損耗，得到發(fā)電機效率為98.211%，滿足合同保證值98%的要求。

對其他負(fù)荷工況，發(fā)電機損耗的組成中，風(fēng)磨損耗、軸承損耗為定值，定子銅損和轉(zhuǎn)子銅損均可通過繞組電流與繞組電阻計算得出，定子鐵損與定子電壓的平方成正比，雜散損耗與定子電流的平方成正比，均可采用升負(fù)荷過程的電氣參數(shù)換算得到，經(jīng)計算驗證，與總體損耗法的計算誤差均在0.05%以內(nèi)，滿足試驗測量的精度要求。

5 結(jié)語

為了解決在國際水電工程中開展發(fā)電機效率試驗遇到的困難，本文結(jié)合IEC國際規(guī)程，描述了水電機組發(fā)電機效率試驗的基本原理和試驗要求，給出了優(yōu)化的管路改造方案，避免了冷卻循環(huán)管路的切割或焊接工作；為了優(yōu)化試驗過程，在單個負(fù)荷工況下采用總體損耗法和分項損耗法分別計算，驗證兩種方法效率計算結(jié)果的一致性，進而直接采用分項損耗法得到各個工況的發(fā)電機效率，大大縮短了試驗時間，為機組的驗收通過和盡早移交提供支持。