利用超声波法测试水轮发电机效率的研究

(中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司，四川 成都 610213)

水轮发电机效率试验是水力机组的关键性能试验，水轮发电机的效率特性是机组的基本动力特性，也是评价机组性能优劣的主要指标之一和水电站经济运行实施的基础。因此，对水轮发电机的效率进行测试，可指导水电站经济运行。

在水电站现场进行效率测试，取得水轮机在试验水头下的实际效率特性曲线，即水轮机效率与出力、流量与出力、水轮机出力与耗水率关系等曲线，把实测的效率特性曲线与根据模型试验换算来的效率特性曲线进行比较，即可验证厂家所提供的效率保证值是否达到，这也是水轮发电机投入商业运行前验收的关键项目之一。

本文以巴基斯坦汗华水电站3号水轮发电机效率测试为例进行研究分析，利用超声波法对水轮机效率测试进行了研究，涉及试验参数的测量、计算机测试系统的配置以及试验数据的整理与分析。

1 汗华水电站基本参数

汗华水电站位于巴基斯坦开伯尔-普赫图-赫瓦(KPK)省的印度河支流汗华河上，距伊斯兰堡245km。电站设计水头244m，最大引用流量30.10m3/s，电站装机2×34MW+1×4MW，电站总装机容量为72MW。

1.1 水轮机基本技术参数

型号：CJA475-W-146/2×14.5 ；

额定转速：428.60r/min；

设计流量：2.10m3/s；

安装高程：585.5m；

额定出力：4167kW；

飞逸转速：772 r/min；

设计水头：226 m；

制造厂家：东风电机股份有限公司。

1.2 发电机基本参数

型号：SFW4000-14/2600；

额定功率：4MW；

冷却方式：空冷；

额定容量：5000kVA；

额定定子电压：11kV；

制造厂家：东风电机股份有限公司。

2 测量方法及测量系统构成

2.1 试验参数测量方法

2.1.1 发电机输出功率测量

互感器的二次端的发电机输出功率，通过功率变送器(型号：SPWH)进行测量。电压互感器变比为KV=11000 ∶110，电流互感器变比KI=2500 ∶5，则发电机输出功率为

N=KVKIW

(1)

式中W——功率变送器读数。

水轮机轴功率通过对发电机输出的有功功率进行测得，由实测的发电机效率，通过间接法求得。

2.1.2 水轮机工作水头测量

水轮发电机的工作水头计算方式如下：

H=p1/γ+Z+v12/2g

(2)

式中p1——喷针进水断面压力，采用精度为0.2%的压力传感器测得;

γ——水的比重，根据当地加速度而定;

v1——喷针进水断面水流平均速度,m/s;

Z——喷针进水断面压力表计高程与两喷针切点高程平均值之差;

g——当地的重力加速度值，根据水电站所在的海拔高程及纬度而定。

v1按V=Q/F计算获得：流量通过实测求得，断面面积F通过查阅图纸获得。

水轮机效率测试过程中，由于上游、下游水位的变化以及各个工况点的不同的流量导致引水管水头损失有所不同，因此各试验工况点的水头实际上是不同的，为计算、整理出水轮机特性曲线，从其中选一定水头，换算出这一水头下的各工况点的效率、流量的实测值。

2.1.3 超声波法测试流量

可利用时差式超声波流量计得出通过水轮机的水流量。测量原理如下：

超声波流量计是利用超声波作为媒介来测量流体的流速的仪器，图1中，TD1、TD2为分别安装在管道上游、下游的两个超声波换能器，v为水流速度，c为超声波在静水中的声速。

换能器TD1发射、TD2接收时，顺水流方向传播时间为

换能器TD2发射、TD1接收，逆水流方向传播时间为

图1 流速测量原理示意图

于是根据T12和T21两个传播时间，可以得到流速为

通过以上公式可以得知，通过发生器发出的超声波传到接收器的速度变化与管路内的流体流速成正比，据此管道参数置入仪器采集的数据经变换器变换即得到瞬时流量，得出累计流量为：

Q=∑vA

(3)

2.1.4 效率的计算

根据式(1)、式(2)、式(3)， 测量出机组输出功率、流量和水头，即可计算出水轮机的效率， 具体计算公式为：

(4)

式中ηT——水轮机效率，%；

NT——水轮机输出功率，kW；

ρ——水的密度 (997.5kg/m3,20℃);

g——当地重力加速度 (9.795m/s2);

Q——机组流量,m3/s;

H——机组工作水头,m。

2.2 计算机测量系统

计算机测量系统包括硬件系统和软件系统两部分，其中硬件系统由便携式超声波流量计、数据采集器和计算机组成，各测量参数传感器使用之前均经过具有资质的计量部门检定合格。数据采集采用阿尔斯通创为实HSJ8000水轮发电机组便携式测试系统，其A/D转换精度16位，采样速率1024Hz，系统精度小于1%FS。在测试过程中，被测量参数传感器输出4～20mA DC，接入HSJ8000水轮发电机组便携式测试系统，然后输入计算机。计算机数据采集与处理软件系统按照指定的采样频率和时间进行数据采集，将采集到的电流信号按照各传感器的标定系数换算成被测参数实际值，求出平均值，数据结果以ASCII形式存储为Excel数据表格，以便测试结束后进行数据整理和曲线绘制使用。

3 试验成果分析

3.1 实验数据整理

试验时，按照IEC 60041-2002和ASME PTC 18-2002要求，选取8个测试工况点，为防止喷针回调造成测量误差，采用手动同向调节喷针开度方式调整负荷，并同时监测电站上、下游水位，计算出毛水头，在机组球阀前面的直管段布置反射式4声道超声波流量计，用于测试通过水轮发电机的水流量，从而计算出工作水头，将所有工况点的发电机输出功率实测值、水轮机流量实测值换算至各机组额定水头226m的值，按照式(4)计算出各工况点水轮机效率，见表1。

表1 水轮发电机效率计算数据

续表

测试过程中，将各个工况点换算到额定工作水头H=226m，拟合测试时的水轮机效率曲线，通过计算得出：在2929kW的水轮发电机出力状况下，水轮机的最高效率为91.78%。

3.2 试验测量误差分析

3.2.1 系统误差

综合考虑互感器和功率变送器的误差，发电机输出功率的测量误差为

由IEC 60041—2002分析可知，两个测压断面的有关高程测量误差、进出口断面测量面积误差对水头的测量误差均可忽略不计，因此水头的测量误差仅由压力测量误差fp、水位测量误差fh组成，即：

超声波流量计测试的精度，取决于超声波流量计的率定精度和测流测量精度。根据流量计厂家提供的资料并结合现场情况，可知：

EQ=±1.5%

因此，效率测试的系统误差为发电机输出功率误差、水头误差和流量误差的合成，即：

3.2.2 效率随机误差

根据IEC规程推荐，采用斯图登特(Student)t分布计算效率测试的随机误差Er，计算公式为

(5)

(6)

(7)

式中t——置信度为95%的斯图登特统计值，t=2.262s；

ηi——每次测量的效率值；

N——测量次数，N=10。

本试验中，对水轮发电机出力在34.86MW的工况点重复测量了10次(测量结果见表2)，效率随机误差的计算如下:

Er=±0.056%

表2 效率测试数据

3.2.3 效率试验总误差

效率测试总误差为系统误差、随机误差的组合，即

3.3 试验测量结果分析

根据模型试验换算的水轮机综合运转特性曲线，选取最靠近最优效率工况点的一组工况，迭代计算出机组流量，测出此工况点的蜗壳差压，得出K值，从而得出机组的流量方程为

其中K=12.336。把蜗壳差压信号送入监控系统，通过流量方程，可以即时检测机组流量。

根据厂家相关技术资料，查得水轮机在额定水头244m下的效率保证值见表3。

表3 厂家水轮机效率保证值

根据表1计算成果、表3效率保证值和效率测试的总误差，即可绘制出水轮机效率特性曲线、水轮机效率保证曲线和误差曲线(见图2)、水轮机耗水率特性曲线(见图3)：

图2 水轮机效率特性曲线

图3 水轮机耗水率特性曲线

从图2可看出，实际测量与厂家效率保证的运转特性曲线变化趋势具有一致性，效率保证曲线全部落在误差曲线之内，满足效率保证的要求，厂家提供的效率保证值合格，实测线与保证运转特性曲线高效率点基本保持一致。

从图3可看出，当水轮机输出功率在2300kW～3800kW之间时，机组耗水率较低，该区域是经济运行区；当水轮机输出功率在2300kW以下时，机组耗水率随着发电机输出功率的减小而急剧增加，该区域为非经济运行区。

4 结 论

从试验结果来看，利用超声波法进行原型机组效率试验所取得的成果是正确的可信的, 效率试验总误差为1.94%, 符合国际规程IEC规定的(±1.5%～±2.5%) ( 置信度95%) 要求。

结合电站实际情况，采用超声波适时开展水轮机效率现场试验是可行的、必要的，通过水轮机相对效率试验，掌握机组水力特性，为机组经济运行、站内优化运行、梯级联合优化运行提供技术依据，为逐步深化节能工作奠定基础。