盛 杉，楊 明，韓 毅

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

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基于量熱法的發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)

盛 杉，楊 明，韓 毅

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

通常大、中型水輪發(fā)電機(jī)都是采用量熱法測定其效率。以國外某電站水輪發(fā)電機(jī)為例，詳述量熱法測量發(fā)電機(jī)損耗和效率的方法及流程，同時(shí)計(jì)算出發(fā)電機(jī)各項(xiàng)損耗，并對測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐證明，采用量熱法進(jìn)行電機(jī)效率試驗(yàn)，測量精度及可靠性較高。

水輪發(fā)電機(jī)；量熱法；損耗；效率

0 引言

國外某電站水輪發(fā)電機(jī)，裝機(jī)總?cè)萘?×120 MW。為確定發(fā)電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，需對其進(jìn)行效率試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)的效率為：

(1)

式中：η為發(fā)電機(jī)效率，%；Pout為發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；Ploss為發(fā)電機(jī)總損耗，kW。

由式(1)可知，計(jì)算發(fā)電機(jī)效率，需要發(fā)電機(jī)的輸出功率及總損耗。發(fā)電機(jī)的輸出功率可通過功率分析儀準(zhǔn)確地測量，但是發(fā)電機(jī)的總損耗難以準(zhǔn)確地測量，工程中多以經(jīng)驗(yàn)公式估算發(fā)電機(jī)總損耗，這樣精度就難以保證[1]。根據(jù)GB/T 5321—2005要求，利用量熱法對發(fā)電機(jī)的總損耗和效率進(jìn)行測量，即可滿足測量精度，同時(shí)可靠性又高。因此，本文以2005年量熱法國家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合IEC 2010和IEC 2014新標(biāo)準(zhǔn)，測量該發(fā)電機(jī)各部分損耗及計(jì)算效率并加以說明。

1 量熱法工作原理及效率計(jì)算

量熱法一般用于大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)效率試驗(yàn)中。該方法中損耗的測量是通過冷卻介質(zhì)的流量與其溫升，以及周圍介質(zhì)的散熱來確定的。發(fā)電機(jī)的熱損耗由兩部分組成：

1) 參考面內(nèi)部的損耗；

2) 參考面外部的損耗(如外部軸承、勵(lì)磁設(shè)備等)。

其中參考面內(nèi)部的損耗又分為兩部分，主要部分為被冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，可用量熱法進(jìn)行測量。另一部分通過參考面?zhèn)鲗?dǎo)、對流、輻射等產(chǎn)生的損耗占總損耗的比例很小，如圖1所示。

圖1 參考面

傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)效率試驗(yàn)中，對于流量的測量一般采用超聲波流量計(jì)。但I(xiàn)EC2010新標(biāo)準(zhǔn)中更傾向于使用測量精度更高的電磁流量計(jì)進(jìn)行冷卻介質(zhì)的流量測量。

測溫元件方面，新標(biāo)準(zhǔn)也提出：較好的熱量測量設(shè)備都是將鉑電阻溫度探測器直接置于液體冷卻劑中，定位好刻度，通過冷卻劑(例如水)的溫度上升直接讀取溫度值。而傳統(tǒng)的熱電偶可能因?yàn)槭褂貌划?dāng)而導(dǎo)致不確定增大。

對于各種運(yùn)行工況，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗為：

P1=CPQρΔt

(2)

式中：P1為參考面內(nèi)部由冷卻器帶走的損耗；CP為冷卻介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·K)；Q為冷卻介質(zhì)的流量，m3/s；ρ為測量溫度下的冷卻介質(zhì)的密度，kg/m3；Δt為冷卻介質(zhì)的溫升，K。

參考面?zhèn)鲗?dǎo)與輻射的部分損耗：

P2=hAΔt

(3)

式中：A為參考面面積，m2；Δt為參考面平均溫度與環(huán)境溫度的溫差，K；h為與空氣接觸表面產(chǎn)生損耗的熱交換系數(shù)，W/(m2·K)。

2 實(shí)例計(jì)算與分析

發(fā)電機(jī)部分額定參數(shù)如下：

額定功率120 MW；額定電壓16 kV；額定電流4 558 A；額定功率因數(shù)0.95。

2.1 空轉(zhuǎn)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子不加勵(lì)磁空轉(zhuǎn)運(yùn)行，溫度穩(wěn)定后進(jìn)行測量，如表1所示。

表1 比熱與密度選取

由公式(2)可以計(jì)算出空轉(zhuǎn)工況下的冷卻器帶走的損耗，如表2所示。

表2 冷卻器損耗

發(fā)電機(jī)表面散熱產(chǎn)生的損耗可以通過公式(3)進(jìn)行計(jì)算。其中，根據(jù)IEC 60034-2-2(2010)規(guī)定，h=15 W/(m2·K)，如表3所示。

表3 表面散熱產(chǎn)生的損耗

空轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以得出發(fā)電機(jī)通風(fēng)損耗，通風(fēng)損耗為冷卻器帶走的損耗和表面散熱產(chǎn)生的損耗之和。即616.603 4 kW。

2.2 空載試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、輔助勵(lì)磁狀態(tài)下空載運(yùn)行。達(dá)到熱平衡后，測量各參數(shù)如表4所示。

表4 比熱與密度選取

由公式(2)可以計(jì)算出空載工況下的冷卻器帶走的損耗，如表5所示。

表5 冷卻器損耗

發(fā)電機(jī)表面散熱產(chǎn)生的損耗可以通過公式(3)進(jìn)行計(jì)算，如表6所示。

表6 表面散熱產(chǎn)生的損耗

此時(shí)，勵(lì)磁部分的損耗如表7所示。

表7 勵(lì)磁損耗

此時(shí)總損耗為906.277 5 kW，其中通風(fēng)損耗616.603 4 kW，勵(lì)磁損耗132.992 7 kW。通過以上損耗，可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)鐵耗為156.681 4 kW。

2.3 短路試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)短路試驗(yàn)?zāi)康氖乔笕‰s散損耗。試驗(yàn)前做好準(zhǔn)備工作，接短路銅排，改變勵(lì)磁方式等。待發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)小時(shí)，達(dá)到熱平衡后測量，此時(shí)定子電流為4 512.43 A，溫度81.5 ℃，如表8所示。

表8 比熱與密度選取

由公式(2)可以計(jì)算出短路工況下的冷卻器帶走的損耗，如表9所示。

表9 冷卻器損耗

發(fā)電機(jī)表面散熱產(chǎn)生的損耗可以通過公式(3)進(jìn)行計(jì)算，如表10所示。

表10 表面散熱產(chǎn)生的損耗

此時(shí)，勵(lì)磁部分的損耗如表11所示。

表11 勵(lì)磁損耗

此時(shí)總損耗為1 146.587 3 kW，其中通風(fēng)損耗616.603 4 kW，勵(lì)磁損耗90.847 6 kW。通過以上損耗，可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)銅耗與雜散損耗之和為439.132 7 kW，如表12所示。

表12 銅耗計(jì)算

由上表可求得該工況下雜散損耗為36.453 3 kW。

(4)

雜散損耗與電流的平方成正比，由公式4可求得不同輸出的雜散損耗，如表13所示。

表13 雜散損耗計(jì)算

2.4 負(fù)載試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)以額定工況運(yùn)行數(shù)小時(shí)后，待發(fā)電機(jī)達(dá)到熱平衡后，測得軸承冷卻液進(jìn)出水口溫度如下。求得發(fā)電機(jī)軸承損耗。

上導(dǎo)軸承損耗如表14、表15所示。

表14 比熱與密度選取

表15 上導(dǎo)軸承損耗

推力及下導(dǎo)軸承損耗如表16、表17所示。

表16 比熱與密度選取

表17 推力及下導(dǎo)軸承損耗

(5)

由公式5可以計(jì)算出推力及下導(dǎo)軸承損耗(發(fā)電機(jī)部分)，如表18、表19所示。

表18 推力軸承損耗(發(fā)電機(jī)部分)

表19 軸承損耗

2.5 其他損耗測量與計(jì)算

電站現(xiàn)場測得定子環(huán)境溫度34 ℃時(shí)的直流電阻為0.005 603 Ω，轉(zhuǎn)換成115 ℃時(shí)電阻為0.007 290 Ω，定子損耗如表20所示。

表20 定子損耗

計(jì)算轉(zhuǎn)子損耗時(shí)，需測得各工況下的勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁電流如表21所示。

表21 勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁電流

環(huán)境溫度為32 ℃時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻為0.148 46 Ω，轉(zhuǎn)換成115 ℃時(shí)電阻為0.194 6 Ω，轉(zhuǎn)子損耗如表22所示。

表22 轉(zhuǎn)子損耗

勵(lì)磁變與整流柜的損耗如表23、表24所示。

表23 勵(lì)磁變損耗

表24 整流柜損耗 kW

3 試驗(yàn)結(jié)果

測量及計(jì)算結(jié)果，各部分損耗及效率見表25。

表25 試驗(yàn)結(jié)果

由上表可見，發(fā)電機(jī)額定工況效率試驗(yàn)值為98.55%，發(fā)電機(jī)額定效率設(shè)計(jì)值為98.48%，滿足設(shè)計(jì)要求，見表26。同時(shí)驗(yàn)證了，采用量熱法測量發(fā)電機(jī)各部分損耗及效率的可行性及可靠性。發(fā)電機(jī)加權(quán)效率計(jì)算如下：

η=0.3ηA+0.4ηB+0.3ηC

(6)

表26 加權(quán)效率計(jì)算

[1]李發(fā)海，朱東起. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京：科技出版社，2001.

盛杉，1983年生，男，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事發(fā)電機(jī)試驗(yàn)及相關(guān)研究工作，工程師。