水轮机效率精细化计算分析方法简析

鲁俊，王江淮，李伟，张天侠，路鹏，武晋辉，郜宁

（1.新疆电力科学研究院，乌鲁木齐　830063；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京　100084）

水轮机效率精细化计算分析方法简析

鲁俊1，王江淮2，李伟1，张天侠2，路鹏1，武晋辉2，郜宁1

（1.新疆电力科学研究院，乌鲁木齐830063；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京100084）

介绍了当前水轮机效率公式研究与计算的现状及存在的主要问题，论述了实时在线分析系统中水轮机效率计算过程的精细化问题，重点论述了水轮机效率计算所用公式、输入参数获取方法、输入参数有效判定条件、输出结果误差分析等方面的内容。通过研究，有效解决了效率计算过程实时性与有效性等方面的问题，提供了检测水轮机效率的新思路、新方法。

水轮机；效率计算；计算公式；误差分析

1　问题的提出

长期以来，由于水轮机效率计算过程的复杂性，行业内人员针对不同类型机组展开了各种研究，提出了多种计算分析方法，其目的只有一个，希望快速而又准确地获取水轮机各种运行工况下的转换效率。尽管理论计算模型公式及计算参数获取手段都已经相当先进，但由于水电机组运行工况的多变及仪表测量精确度的影响，想要实时精确获取各种运行工况下的水轮机效率也不是很容易。

本文论述的水轮机效率在线精细化计算分析方法，依托远程实时在线监测分析系统，将实时采集数据与历史存储数据紧密结合，所需数据可覆盖水轮机实际运行过程的各种工况，优化输入参数条件判定和输出结果误差分析，提高了计算过程工况覆盖范围和计算结果输出精度，便于技术人员精确监测、分析水轮机的转换效率。

2　实时在线效率计算实现过程实例分析

2.1查档获取效率计算所需基本数据

机组设备安装高程（h1，h2），其中h1为蜗壳测压处表计安装位置中心高程，h2为尾水测压处表计安装位置中心高程；机组安装位置所处纬度φ；机组蜗壳进口测压处管道断面截面积S1；机组尾水管出口管道测压处断面截面积S2。

2.2设计数据存储历史库获取在线计算所需样本数据

在样本数据获取过程中，以新疆某水电厂#3水轮发电机组为研究对象。该机组为混流式水轮发电机组，额定容量127.6 MW，额定转速214.3r/min，额定流量119.44m3/s，水库最大水头139.17 m，最小水头96.70m，设计工作水头117.00 m。通过北京四方公司CyberControl工业自动化软件平台［1］，利用平台提供的二次开发扩展功能，通过实时库和历史库的访问接口，以扩展插件应用的方式设计振动相关数据自定义关系数表，周期性地将从实时数据库获取的监测点有功功率、机组流量、蜗壳进口压力、尾水出口压力、导叶开度、机组频率、上游水位、下游水位、功率因数、水温等数据信息的原始数据存入自定义数据表中。其中，自定义数据表结构设计如下。

（1）自定义数据表字段结构设计。

第0列：ID字段代表序号，设置为主键自动增加

第1列：TIME字段代表时间；数据类型：long

第2列：ID32字段代表id32；数据类型：int

第3列：VIBRVAL字段代表测点振动值；数据类型：float

第4列：HYDROTBNO字段代表机组号；数据类型：int

第5列：SPEED字段代表转速；数据类型：float

第6列：WTRHEADER代表水头；数据类型：float

第7列：DYPOS字段代表导叶开度；数据类型：float

第8列：PVAL字段代表有功功率；数据类型：float

第9列：QVAL字段代表无功功率；数据类型：float

（2）自定义数据表的命名方式：数据库表以月表的方式建立（格式为hydroturbine_base_yyyy_mm，其中yyyy代表年份，mm代表月份）。

（3）数据表记录存储间隔周期：3 s。

2.3样本参数获取与计算过程

（1）蜗壳、尾水的压力绝对值计算采用公式

式中：p为绝对压力；p1为表测压力；p0为标准大气压；h0为标准大气压下水柱；h1为压力表计安装位置中心高程。

（2）蜗壳处水密度ρ1、尾水处水密度ρ2、平均水密度ρ的计算公式为

式中：pwk，pws分别为蜗壳、尾水出口处绝对压力；ρ0为密度计算基准值；k为密度计算修正系数。其中，ρ0，k查GB/T 20043—2005《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》水温与绝对压力的关系表计算确定。

（3）工作水头获取采用的计算公式［2］为

（4）机组流量参数的获取过程。流量测量采用超声波流量计［3］，针对水轮机进水钢管管径巨大的特点，通常在测量中使用多声道测流方法，采用交叉声路布置方式，在同一高程上的两个声路以相反的倾角安装来提高测量精度。流量计的采集精度直接影响效率计算结果的精度。

（5）机组功率参数的获取过程。发电机输出的有功功率即是水力机组的输出功率，这是水力机组效率计算的重要数据之一，对它测量的准确与否，取决于测量方法和所使用测量仪表的精度。水轮发电机容量大、电压高，进行三相有功测量时，功率表计不能直接接在母线上，而是通过电压互感器和电流互感器进行三相功率的测定。现场有功功率的测量采用0.2级功率变送器。

（6）效率计算采用的公式［4］。水轮机输出功率、机组效率、水轮机效率的计算公式分别为

式中：Pt为水轮机输出功率；ρ为水的密度；为平均重力加速度；ηu为机组效率；Pg为发电机输出功率；ηg为发电机效率。

2.4样本数据有效判定条件

效率计算过程的准确性依赖于样本数据获取过程的有效性，在本文中，首要条件在于判定机组运行工况是否稳定，判定的标准依赖于机组有功功率、机组工作水头、机组转速等3个参数是否出现重大波动，具体判定标准如下。

（1）10 min内机组有功功率变化差值不超过该段时间内机组有功功率平均值的±1.5%，即（有功功率峰峰值/2）/有功功率均值，应保证有功功率变化比值≤±1.5%。

（2）10 min内水力比能变化不应超过平均值的±1.0%，即（机组工作水头-机组平均工作水头）/机组平均工作水头，应保证水力比能变化比值≤±1.0%。

（3）10 min内机组转速变化不应超过平均值的±0.5%，即（机组频率峰峰值/2）/机组频率均值，应保证转速变化比值≤±0.5%。

2.5计算结果误差分析

在水轮机效率计算过程中，需要获取各种样本数据，样本数据包括直接测量数据和间接测量数据，其中间接测量数据是由多个直接测量数据通过一定的函数关系间接求得。由于测量方法和测量仪器、仪表等工具的限制，在水电机组数据采集与监视控制（SCADA）系统获取的直接测量数据一般均存在误差，该误差将反映在间接测量数据上。如果没有给出样本参数获取结果的可靠程度，将不能完全反映测量结果的质量。要表征测量的不确定度，则必须分析各直接测量量的误差，并通过一定的方法得出间接测量量的误差。

本文将通过常见的误差分析方法［5］——函数增量法来分析水轮机效率计算结果的相对误差。显然，由于函数增量法利用了原来的函数关系，用此法计算间接测量量的误差更为方便。函数增量法具体如下。

假定输入参数直接测量量（x1，x2，…，xn）的标准误差为（δx1，δx2，…，δxn），则每个直接测量量的误差引起间接测量量y的误差

取误差绝对值的平均值δxi引起y的标准误差

由于各直接测量量相互独立，间接测量量y总的标准误差

δy即为用函数增量法所得的间接测量量y的标准误差。

2.6计算结果分析

输入参数统计结果见表1，输出参数统计结果见表2。通过对具体输入参数和输出结果的统计分析可以发现，在进行水轮机效率计算的过程中，计算结果能否满足应用的要求，是否具体可信度，可以通过误差指标来进行直接判定，同时也可以提取误差指标满足要求的数据进行后续的应用分析。

表1　输入参数统计结果

表2　输出参数统计结果

项目工况1工况2工况3工况4工况5水轮机出力/MW 126.56148.78141.84145.32139.82机组效率/%78.7470.2277.4678.8385.41水轮机效率/%82.8973.9281.5382.9889.09耗水率/（m3·kW-1）3.443.793.633.553.67标准差0.0450.3460.1570.6490.237是否满足要求满足未满足满足未满足未满足

3　结束语

本文所论述的水轮机效率在线精细化计算分析方法，实时输出了计算效率和计算误差，为水轮机运行效率实时趋势分析和历史趋势分析提供了数据支撑，便于技术人员监测分析机组水轮机在各工况下的运行效率。鉴于水电机组水轮机类型、容量及运行模式的复杂性，单一的计算公式很难完全适应各种类型水电机组，因此，还应当按机组类型分别进行研究，进一步提高水轮机效率计算的精确性。

［1］北京四方继保自动化股份有限公司.CyberControl工业自动化软件平台使用说明书（0SF.492.012_V2.2）［Z］.

［2］孔德铭，郭志，闫宗国.小浪底水电站水轮发电机组原型效率试验［J］.人民黄河，2011，33（12）：103-105.

［3］赵耀，董开松，刘秀良，等.基于超声波法和蜗壳差压法测流的水泵水轮机效率测试软件的开发及现场应用［C］//中国电机工程学会年会.2014年中国电机工程学会年会论文集，2014.

［4］于波，肖惠民.水轮机原理与运行［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［5］于波，吴维金，吴长胜，等.多功能水电机组效率测试仪的研究与开发［J］.中国农村水利水电，2004（7）：91-92.

（本文责编：白银雷）

TV 734

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1674-1951（2016）08-0063-03

2016-04-25；

2016-07-10

鲁俊（1973—），男，甘肃武威人，工程师，工学硕士，从事热能与动力工程技术方面的研究工作。

王江淮（1981—），男，河南内乡人，工程师，从事工业自动化方面的工作（E-mail：：wangjianghuai＠sf-auto.com）。