尚 欣， 程遠(yuǎn)楚， 安 浩， 郭欣然

(1.水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

效率是評(píng)價(jià)水電機(jī)組性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[1]，隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造水平的提高，其最高效率可達(dá)95%以上。水輪機(jī)投入運(yùn)行后，由于運(yùn)行條件的變化，將導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行偏離高效區(qū)；且隨著時(shí)間的推移，在同樣的工況下機(jī)組效率也可能降低。若水輪機(jī)長(zhǎng)期在低效區(qū)運(yùn)行，會(huì)造成嚴(yán)重的振動(dòng)和空蝕破壞，從而導(dǎo)致水輪機(jī)性能變差，致使任何工況效率均降低；此外，若在同一工況下水輪機(jī)效率降低，則表明水輪機(jī)的性能已劣化，可能需采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)及處理措施。因此，開展水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)與評(píng)估具有重要的價(jià)值。一方面，水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)可以了解機(jī)組的運(yùn)行狀況，為檢查水輪機(jī)工作性能以及狀態(tài)檢修提供一定的指導(dǎo)[2]，對(duì)水電廠的安全運(yùn)行具有重要意義。另一方面，水電機(jī)組效率在線監(jiān)測(cè)可以給水電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與調(diào)度提供重要的參考依據(jù)[3]。

水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)有多種不同的實(shí)現(xiàn)方法，但無論何種方法，均需實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)有功功率、水輪機(jī)工作水頭、水輪機(jī)流量[4,5]。其中，發(fā)電機(jī)有功功率大多采用高精度的功率變送器測(cè)量。水輪機(jī)工作水頭是先通過測(cè)量相關(guān)的參數(shù)，然后根據(jù)伯努利方程計(jì)算得到，包括勢(shì)頭、壓頭和速頭三部分。勢(shì)頭的測(cè)量取在水輪機(jī)進(jìn)口處的壓力表或者壓力傳感器的中心高程，壓頭的測(cè)量取水輪機(jī)進(jìn)口處壓力表或者壓力傳感器的讀數(shù)并把此讀數(shù)換算成以“kPa”為單位的壓頭值，這兩部分測(cè)量均為成熟的技術(shù)與方法，而速頭的測(cè)量需要通過測(cè)量斷面的流量除以該斷面的面積得到該斷面的平均流速，再與相應(yīng)地速度分布不均勻系數(shù)計(jì)算得到，此時(shí)需知道水輪機(jī)的流量大小[6]。水輪機(jī)流量的測(cè)量目前主要有超聲波測(cè)流法和蝸殼差壓法。其中，超聲波測(cè)流法設(shè)備投資較高，技術(shù)比較復(fù)雜，使用要求相當(dāng)嚴(yán)格[7]；蝸殼差壓法的蝸殼流量系數(shù)不易確定，且必須在原型效率試驗(yàn)中確定[6]。在許多實(shí)際系統(tǒng)中，受條件限制，這些測(cè)流條件達(dá)不到，導(dǎo)致流量無法準(zhǔn)確測(cè)量。本文擬分析水輪機(jī)流量與水輪機(jī)相關(guān)特征參數(shù)的關(guān)系，建立水輪機(jī)流量與特征參數(shù)的關(guān)系模型；探討一種通過測(cè)量與流量相關(guān)的特征參數(shù)的水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法。

1 水輪機(jī)流量模型與效率監(jiān)測(cè)

在水力發(fā)電過程中，水輪機(jī)出力為：

Pt=9.81QHηt

(1)

發(fā)電機(jī)出力為：

PG=PtηG

(2)

由式(1)、式(2)可得：

PG=9.81QHηtηG=9.81QHη

(3)

式中：Pt為水輪機(jī)出力；PG為發(fā)電機(jī)有功功率；ηt為水輪機(jī)效率；ηG為發(fā)電機(jī)效率；η為水電機(jī)組效率；Q為水輪機(jī)流量；H為水輪機(jī)工作水頭。

由式(1)、(2)、(3)可定義能量模型E為η=E(PG，Q，H)。根據(jù)能量模型，水電機(jī)組效率η可通過測(cè)量發(fā)電機(jī)有功功率、水輪機(jī)工作水頭以及水輪機(jī)流量求得。其中發(fā)電機(jī)有功功率以及水輪機(jī)靜水頭(不包含速度水頭的工作水頭H1)可由引言中所提方法測(cè)得。當(dāng)水輪機(jī)流量測(cè)量受條件限制無法采用超聲波測(cè)流、蝸殼差壓等方法時(shí)，本文提出一種流量模型F來計(jì)算流量。

在正常條件下，水輪機(jī)靜水頭以及開度一定時(shí)，通過水輪機(jī)的流量是確定的，記為Q=F(H1，Y)。通過分析水輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中所得的歷史數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可建立流量與靜水頭和開度的函數(shù)關(guān)系。由此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水電機(jī)組靜水頭與導(dǎo)葉開度，可以計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行工況下水輪機(jī)的流量，并由式(3)計(jì)算出水電機(jī)組效率。

水輪機(jī)流量效率監(jiān)測(cè)過程如圖1所示。由當(dāng)前實(shí)測(cè)靜水頭和導(dǎo)葉開度，根據(jù)流量模型F計(jì)算出流過水輪機(jī)的流量，然后利用伯努利方程G計(jì)算得到水輪機(jī)工作水頭，再結(jié)合已測(cè)得的發(fā)電機(jī)有功功率，通過能量模型E得出機(jī)組效率，進(jìn)而得到當(dāng)前水輪機(jī)相對(duì)效率ηt。為了便于對(duì)效率變化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)將ηt和對(duì)應(yīng)的H、Y存入歷史數(shù)據(jù)庫，這樣可以通過同一水頭、同一開度下的ηt的比較，評(píng)估水電機(jī)組的運(yùn)行狀況。

圖1 流量效率監(jiān)測(cè)過程Fig.1 Flow and efficiency monitoring process

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)基于流量模型的水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)方法，設(shè)計(jì)了水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、參數(shù)設(shè)定模塊、流量與效率計(jì)算模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、關(guān)系曲線模塊、狀態(tài)評(píng)估與報(bào)警模塊等模塊構(gòu)成。

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊。效率試驗(yàn)需要采集大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括水輪機(jī)進(jìn)口處壓力P1、尾水管出口壓力P2、導(dǎo)葉開度Y、發(fā)電機(jī)有功功率PG。

(3)流量與效率計(jì)算模塊。本模塊的主要功能是計(jì)算分析現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)已經(jīng)確定的水電機(jī)組的特定參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過流量效率監(jiān)測(cè)過程的程序模塊計(jì)算分析，得到水輪機(jī)不同工況下的流量與相對(duì)效率。

(4)歷史數(shù)據(jù)庫模塊。建立與水輪機(jī)效率相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)庫，儲(chǔ)存水輪機(jī)不同開度、不同水頭以及對(duì)應(yīng)的流量、相對(duì)效率。

(5)關(guān)系曲線模塊。提取歷史數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，繪制效率監(jiān)測(cè)曲線，包括24h的相對(duì)效率實(shí)時(shí)變化曲線、不同開度下相對(duì)效率隨水頭變化曲線、不同水頭下相對(duì)效率隨開度變化曲線。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of system module

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)過程如圖3所示。

圖3 水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)流程Fig.3 Efficiency monitoring process of hydropower unit

具體步驟如下：

Step1：分別測(cè)量P1、P2、Y、PG；

Step2：由P1、P2、Z1、Z2分別計(jì)算水輪機(jī)進(jìn)出口的壓頭和勢(shì)頭，可以得到水輪機(jī)靜水頭H1；

Step3：根據(jù)Q=F(H1，Y)的關(guān)系，由Step1、 Step2得到的Y、H1計(jì)算得出水輪機(jī)流量Q；

Step4：根據(jù)Step3得到的Q，再結(jié)合引言中所提速頭的計(jì)算方法得到水輪機(jī)進(jìn)出口的速頭；

Step5：由Step2 和Step4得到的水輪機(jī)進(jìn)出口壓頭、勢(shì)頭和速頭，利用伯努利方程計(jì)算水輪機(jī)工作水頭H；

Step6：根據(jù)Step3和Step5得到的Q、H，由PG=9.81QHη可以計(jì)算出水電機(jī)組效率η，再由η=ηtηG計(jì)算得出水輪機(jī)相對(duì)效率ηt，并將ηt、Q以及對(duì)應(yīng)的H、Y存入歷史數(shù)據(jù)庫；

Step7：通過不同的H、Y在歷史數(shù)據(jù)庫查找任意工況下水輪機(jī)相對(duì)效率ηt，并繪制效率監(jiān)測(cè)曲線；

Step8：通過效率監(jiān)測(cè)曲線的變化趨勢(shì)評(píng)估水輪機(jī)的運(yùn)行狀況。

圖4給出了某電站機(jī)組在不同開度與水頭下的效率監(jiān)測(cè)曲線。

圖4 效率監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Efficiency monitoring curve

圖4中曲線分別為前一時(shí)段H等于73、84、96、113 m時(shí)水輪機(jī)相對(duì)效率隨著開度變化的關(guān)系曲線。紅色圓圈代表H=73 m,a=50%時(shí)的當(dāng)前相對(duì)效率。從圖中可以看出當(dāng)前運(yùn)行得到的相對(duì)效率略低于前一時(shí)段效率關(guān)系曲線中該點(diǎn)的相對(duì)效率。

3 結(jié) 語

本文建立了水輪機(jī)的流量模型，并基于流量模型設(shè)計(jì)了水電機(jī)組效率監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，為水輪機(jī)流量效率監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供了一種新的途徑。利用該系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的相對(duì)效率，并可通過與相同工況下歷史數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)的評(píng)估，為水電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行與安全運(yùn)行提供了參考與指導(dǎo)。

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