张波
中国水利水电第十一工程局有限公司安装分局 河南郑州 450001
摘要：通过卡里巴水轮机的效率试验，介绍了效率试验的方法、数据采集、计算分析、不确定性分析，并生成简单直观的图表形式，验证水轮机的效率是否满足合同保证值的要求，为同类型水轮机效率试验提供借鉴。
关键词：效率；保证值；流量；水头；误差分析
一、概况
赞比亚卡里巴水电站修建在南部非洲第一大河赞比西河上，50年代修建的地下厂房安装有4台150MW机组，2008年由中国水电以EPC合同形式承建的2台180MW新机组于2014年发电。卡里巴水电站水轮发电机机组由哈尔滨电机厂有限责任公司（HEC）生产制造，为复核和校验水轮机是否满足合同文件和保证值中关于水轮机效率的有关规定，由中国水电和HEC组成的联合团队针对卡里巴水电站机组进行了水轮发电机组的效率试验，本文介绍水轮机效率试验。
二、试验方法及各参数测量
1.试验及计算方法
进行水轮机真机效率试验，实际上是测定水轮发电机组的效率，然后求得水轮机的效率。水轮机效率试验采用超声波法测量水轮机流量，效率计算及各参数测量均按照IEC60041-1991《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验》的有关规定进行。水轮机的效率通过下式计算：
三、试验参数测量
2.1水轮机水头H的测量
水轮机水头的测量方法根据IEC60041(第三版)1991《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验》关于 “单位水能的确定”方法。水轮机水头的计算公式如下：
量断面进行计算得出，高压侧、低压侧的测量断面面积可由设计图纸得出。
2.2水轮机流量Q的测量
超声波法测量流量实际上是以超声波的传播速度和水流速度进行矢量叠加为基础的。超声波脉冲向上游传播时比向下游传播的绝对速度稍低。通过测量超声波脉冲在上下游两个方向的传播时间，便可确定脉冲区声道上液流的平均轴向流速，进而即可计算出流量。卡里巴机组引水洞直径D为6.5m，安装有内装式换能器的超声波流量计供机组流量测量和效率试验用，此超声波流量计是8声道测量系统，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，其测量精度满足水轮机效率试验要求。
2.3机组出力P的测量
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，在试验中需作精确的测量，对它测量的准确与否，取决于测量方法和使用测量仪表的精度。卡里巴机组出力由双瓦特表的方法进行测量。根据IEC60041的规定双瓦特表法测量所用的 PT和CT的精度应为0.2级，电机的出力按照下式进行计算：
（属于发电机性能试验内容本文不作详细介绍）。
四、试验及数据分析处理
1.试验过程数据采集
分别在发电机功率为60%、70%、80%、90%、100%、最大出力、100%、90%、80%、70%、60%进行测量和数据采集，每个测量点机组需稳定运行并尽量调整无功功率趋于零使得机组功率因数为1；分别通过压力传感器记录水轮机压力水头H、超声波流量计测量记录流量Q、瓦特表读取机组有功P、记录功率因数cosφ。按预先安排好的工况点，手动调整导水叶开度值，逐个工况点进行测试；每次调整导水叶开度后10~15分钟机组运行稳定后方能开始读数记录。为保证试验数据的准确性，每个工况点读数共5次，每次读数间隔时间不少于一分钟，然后计算平均值做记录，各工况点试验记录数据见表二。
2.数据分析计算
为92.89% ；同样方法可得各测点水轮机效率值，工作水头及效率计算详细结果见表三。
3.误差分析
测量误差是任何试验的测量工作中所不可避免的，问题在于测量是否在允许的精度范围内。水轮机效率总的误差是由系统误差和随机误差构成，各测量参数水头H、流量Q、功率P均存在系统误差和随机误差。按照IEC60041-1991《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验》对误差分析的规定，计算水轮机效率总的不确定性（误差）。
4.试验结果
通过数据计算和误差分析最终得出机组效率试验结果见表三
一对卡里巴水轮机效率试验结果和EPC合同保证值进行比对，合同要求的效率保证值点落在了所绘图误差带的内部，说明卡里巴水轮机的实际效率值满足合同保证值的要求（额定水头89m下，出力为180MW效率为93%）。
特别说明的是，卡里巴水电站合同规定的水轮机技术条件中只给出额定水头下的最高效率值，评判这个最高效率值很容易。但是，制造厂家只提供额定水头的最高效率值这样一个点的效率保证值，不能保证水轮机在拟定的运行区域中获得最大的经济效益。因为这样单点的效率值既没有对某个既定水头下高效率区宽广的情况提供保证，又没有对其他水头下的效率提供保证。总之，一句话单点效率保证值没有对水轮机效率特性提供必要的保证。国外有些水电站EPC合同往往会规定在典型运行水头下（设计水头、最大水头、最小水头下）的最高效率，额定负荷下的效率，几个部分负荷下的效率提供保证，有的还提供一组效率保证曲线（包括几个典型水头下），这样效率保证的评判工作必须按合同规定进行，有的采用算术平均效率来评判，有的采用面积平均效率来评判，还可以采用其他加权方式来评判。
五、结语
通过对赞比亚卡里巴水电站6#水轮发电机组进行水轮机效率试验，验证了哈尔滨电机厂有限责任公司（HEC）设计、制造的卡里巴水轮机满足EPC合同的要求，也获得了水轮机的绝对效率参数为机组后期的经济、稳定运行提供参考，并可为同类型水轮机的效率试验提供借鉴。
图一 水轮机出力与效率关系曲线
参考文献：
[1]IEC60041-1991《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》.
[2]孔凡瑞、王洪斌《卡里巴水轮机技术条件及说明书》哈尔滨电机厂有限责任公司.
[3]郑源、陈德新《水轮机》中国水利水电出版社.
论文作者:张波
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/9/29
标签：水轮机论文; 效率论文; 卡里论文; 水头论文; 测量论文; 机组论文; 误差论文; 《基层建设》2016年13期论文;