水輪發電機效率試驗是水力機組的關鍵性能試驗，水輪發電機的效率特性是機組的基本動力特性，也是評價機組性能優劣的主要指標之一和水電站經濟運行實施的基礎。因此，對水輪發電機的效率進行測試，可指導水電站經濟運行。

在水電站現場進行效率測試，取得水輪機在試驗水頭下的實際效率特性曲線，即水輪機效率與出力、流量與出力、水輪機出力與耗水率關係等曲線，把實測的效率特性曲線與根據模型試驗換算來的效率特性曲線進行比較，即可驗證廠家所提供的效率保證值是否達到，這也是水輪發電機投入商業運行前驗收的關

鍵項目之一。

本文以巴基斯坦汗華水電站 3 號水輪發電機效率測試為例進行研究分析，利用超聲波法對水輪機效率測試進行了研究，涉及試驗參數的測量、計算機測試

係統的配置以及試驗數據的整理與分析。

 

1 汗華水電站基本參數

汗華水 電 站 位 於 巴 基 斯 坦 開 伯 爾-普 赫 圖-赫 瓦( KPK) 省的印度河支流汗華河上，距伊斯蘭堡245km。電站設計水頭 244m，較大引用流量 30. 10m3 / s，電站裝機 2 × 34MW + 1 × 4MW，電站總裝機容量為 72MW。

 

1. 1 水輪機基本技術參數

 

型號: CJA475-W-146 /2 × 14. 5 ;

額定轉速: 428. 60r /min;

設計流量: 2. 10m3 / s; 安裝高程: 585. 5m;

額定出力: 4167kW;

飛逸轉速: 772 r /min;

設計水頭: 226 m;

製造廠家: 東風電機股份有限公司。

 

1. 2 發電機基本參數

 

型號: SFW4000-14 /2600;

額定功率: 4MW;

冷卻方式: 空冷;

額定容量: 5000kVA;

額定定子電壓: 11kV;

製造廠家: 東風電機股份有限公司。 

 

2 測量方法及測量係統構成

2. 1 試驗參數測量方法

2. 1. 1 發電機輸出功率測量

互感器的二次端的發電機輸出功率，通過功率變送器 ( 型號: SPWH) 進行測量。電壓互感器變比為KV = 11000 ∶ 110，電流互感器變比 KI = 2500 ∶ 5，則發電機輸出功率為

 

N=KVKIW(1)

式中W———功率變送器讀數。

水輪機軸功率通過對發電機輸出的有功功率進行測得，由實測的發電機效率，通過間接法求得。

 

2.1.2水輪機工作水頭測量

水輪發電機的工作水頭計算方式如下:

H=p1/γ+Z+v12/2g(2)

式中p1———噴針進水斷麵壓力，采用精度為0.2%的壓力傳感器測得;

γ———水的比重，根據當地加速度而定;

v1———噴針進水斷麵水流平均速度，m/s;

Z———噴針進水斷麵壓力表計高程與兩噴針切點高程平均值之差;

g———當地的重力加速度值，根據水電站所在的海拔高程及緯度而定。

v1按V=Q/F計算獲得:流量通過實測求得，斷麵麵積F通過查閱圖紙獲得。 水輪機效率測試過程中，由於上遊、下遊水位的變化以及各個工況點的不同的流量導致引水管水頭損失有所不同，因此各試驗工況點的水頭實際上是不同的，為計算、整理出水輪機特性曲線，從其中選一定水頭，換算出這一水頭下的各工況點的效率、流量的實測值。

2.1.3超聲波法測試流量

可利用時差式超聲波流量計得出通過水輪機的水流量。測量原理如下:

超聲波流量計是利用超聲波作為媒介來測量流體的流速的儀器，圖1中，TD1、TD2為分別安裝在管道上遊、下遊的兩個超聲波換能器，v為水流速度，c為超聲波在靜水中的聲速。

換能器TD1發射、TD2接收時，順水流方向傳播時間為

通過以上公式可以得知，通過發生器發出的超聲波傳到接收器的速度變化與管路內的流體流速成正比，據此管道參數置入儀器采集的數據經變換器變換即得到瞬時流量，得出累計流量為:

 

2. 1. 4 效率的計算

 

2.2計算機測量係統

計算機測量係統包括硬件係統和軟件係統兩部分，其中硬件係統由便攜式超聲波流量計、數據采集器和計算機組成，各測量參數傳感器使用之前均經過具有資質的計量部門檢定合格。數據采集采用阿爾斯通創為實HSJ8000水輪發電機組便攜式測試係統，其A/D轉換精度16位，采樣速率1024Hz，係統精度小於1%FS。在測試過程中，被測量參數傳感器輸出4～20mADC，接入HSJ8000水輪發電機組便攜式測試係統，然後輸入計算機。計算機數據采集與處理軟件係統按照指定的采樣頻率和時間進行數據采集，將采集到的電流信號按照各傳感器的標定係數換算成被測參數實際值，求出平均值，數據結果以ASCII形式存儲為Excel數據表格，以便測試結束後進行數據整理和曲線繪製使用。

3試驗成果分析

3.1實驗數據整理

試驗時，按照IEC60041-2002和ASMEPTC18-2002要求，選取8個測試工況點，為防止噴針回調造成測量誤差，采用手動同向調節噴針開度方式調整負荷，並同時監測電站上、下遊水位，計算出毛水頭，在機組球閥前麵的直管段布置反射式4聲道超聲波流量計，用於測試通過水輪發電機的水流量，從而計算出工作水頭，將所有工況點的發電機輸出功率實測值、水輪機流量實測值換算至各機組額定水頭226m的值，按照式(4)計算出各工況點水輪機效率，見表1。

 

 

測試過程中，將各個工況點換算到額定工作水頭H = 226m，擬合測試時的水輪機效率曲線，通過計算得出: 在 2929kW 的水輪發電機出力狀況下，水輪機

的較高效率為 91. 78% 。

 

3. 2 試驗測量誤差分析

3. 2. 1 係統誤差

 

3. 3 試驗測量結果分析

根據模型試驗換算的水輪機綜合運轉特性曲線，選取較靠近較優效率工況點的一組工況，迭代計算出機組流量，測出此工況點的蝸殼差壓，得出 K 值，從

而得出機組的流量方程為

 

根據表 1 計算成果、表 3 效率保證值和效率測試的總誤差，即可繪製出水輪機效率特性曲線、水輪機效率保證曲線和誤差曲線 ( 見圖 2) 、水輪機耗水率特性曲線 ( 見圖 3) :

 

 

從圖 2 可看出，實際測量與廠家效率保證的運轉特性曲線變化趨勢具有一致性，效率保證曲線全部落在誤差曲線之內，滿足效率保證的要求，廠家提供的效率保證值合格，實測線與保證運轉特性曲線高效率點基本保持一致。

 

 

從圖 3 可看出，當水輪機輸出功率在 2300kW ～3800kW 之間時，機組耗水率較低，該區域是經濟運行區; 當水輪機輸出功率在 2300kW 以下時，機組耗水率隨著發電機輸出功率的減小而急劇增加，該區域為非經濟運行區。

 

4 結 論

從試驗結果來看，利用超聲波法進行原型機組效率試驗所取得的成果是正確的可信的，效率試驗總誤差為 1. 94% ，符合國際規程 IEC 規定的 ( ± 1. 5% ～± 2. 5% ) ( 置信度 95% ) 要求。

結合電站實際情況，采用超聲波適時開展水輪機效率現場試驗是可行的、必要的，通過水輪機相對效率試驗，掌握機組水力特性，為機組經濟運行、站內優化運行、梯級聯合優化運行提供技術依據，為逐步深化節能工作奠定基礎。