CN111458641A - 一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，考虑在三个特殊工况下，同时开展总体损耗法和分项损耗法试验，利用总体损耗法得到分项损耗法中部分分项损耗的基准值；然后在某负荷工况下再次开展两种方法的试验，验证分项损耗法推算效率与总体损耗法计算结果是否一致；最后可以根据现场实际情况，采用快速升降负荷或者理论推算，直接得到发电机任何条件下的效率。本发明可以快速获得任意工况下发电机分项损耗及效率的，在厂家提供了V型曲线和四个热稳定试验的基础上，可以理论推算出任意工况下的发电机效率。

Description

一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法

技术领域

本发明属于水电站发电机测试技术领域，具体涉及一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法。

背景技术

近年来在我国水电企业参与了大量海外水电工程的设计和建设，部分工程已经到了移交验收和试运行阶段，其中发电机效率的测试和校核成为影响验收的关键环节。但在水电工程现场，发电机效率试验通常受到现场安装条件的限制和测试时间的要求，很难有效和及时的实施。

根据GB/T 5321和IEC60034-2-2的描述，在发电机内部产生的各种损耗，最终都将变成热量，传递给冷却介质，使冷却介质温度上升，因此可用测量电机所产生的热量来推算电机的损耗，从而计算电机的效率，这种方法称为量热法。

现有技术一，李文金，量热法测量水轮发电机效率，水电与新能源，2016年第3期，该方法遵照GB/T 5321规程要求，进行了水轮发电机组在额定工况下的量热法试验，即通过测定空气冷却器、推力轴承和上导轴承冷却水流量和进出口温度，以及机组电压、电流、有功和无功功率等参数，计算得到发电机在额定工况下的效率。

但该案例仅开展了额定工况下的机组效率测试，未开展机组在空转、空载和短路三种工况下的特殊试验，不能得到基准的风磨损耗、铁芯损耗和杂散损耗值，也无法换算得到到任意工况下的发电机效率，对于国际水电工程大多采用多个工况下的发电机效率点进行加权，最终针对加权效率点比较和罚款的要求，该方法需要重复开展多次试验，耗时耗力，且无法验证其精度和有效性，论文最终结果也证明了该方法具有较大的误差。

现有技术二，对铁门一级水电站现代化改造后的水轮发电机进行两种不同方法的效率测量，国外大电机，2007年第4期，该方法对水轮发电机的发电机部分以量热法进行效率测定，但其采用的两种方法主要考虑到机组产生的热量首先由初级冷却介质空气带走，然后热空气由次级冷却介质--空冷器中的冷却水带走，故采用了两种冷却热量带走的方式进行测量和比对。

该方法并未涉及试验步骤和试验方法的优化或改进，只是选取了初级和次级冷却介质进行了测量和对比，实际上IEC或GB/T规程规定两种冷却介质都可以作为计算和测量的条件，该论文只是证明了两种介质都可以使用。

现有技术三，闫迎，郝建波，基于量热法的大型水轮发电机损耗测量与效率计算，湖南电力，2014年第6期。

该方法选择了空转、空载和短路三种工况，但在各个要求的负荷下，该方法仍然要求机组调至要求的负荷，并维持此工况稳定运行，待发电机各部分温升稳定后，测取发电机的各个参量。这样对于70％、80％、90％、100％四个工况下，每个工况达到热稳定需要4-12小时，包括之前空转空载和短路3个工况，共需7个工况至少五六十个小时的机组热稳定试验时间。

如果试验要求做更多带负荷的工况点测试，则还需要增加更多热稳定试验时间，本质上还是通过热稳定试验得到发电机效率。

发明内容

针对上述常规的发电机效率试验步骤繁琐、工作量大、试验时间长，且只能获得有限工况下的效率值的问题，本发明提供一种一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，快速获得不同工况下水电机组发电机效率和分项损耗，解决了发电机能量特性的测量复杂、数据完备性困难的特点。

具体的技术方案为：

一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，包括三个步骤：

(1)确定分项损耗基准参考值；

(2)验证总体损耗法与分项损耗法的一致性；

(3)采用快速升降负荷或V型曲线推算任意工况效率。

具体的步骤为：

(1)确定分项损耗基准参考值

机组长期热稳定运行时，按照其热量被带走的方式，其发电机总体损耗P_L1用下式计算：

P_L1＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)+P_ex (1)

式中，C_p为冷却介质比热，Q为冷却介质流量，ρ为冷却介质密度，Δt₁为冷却介质温升，h为表面散热系数，A为表面散热面积，Δt₂为外表面温度与外部环境温度之差，P_ex为外部损耗，通常为励磁变损耗；

而发电机在任意工况下，按照其损耗产生的机理，发电机总体损耗P_L2用下式计算：

P_L2＝P_w+P_r+P_gb+P_b+P_s+P_Fe+P_LL+P_ex (2)

式中，P_w为风磨损耗，P_r为转子铜损，P_gb为轴承损耗，P_b为碳刷损耗，P_s为定子铜损，P_Fe为铁损，P_LL为杂散损耗；

通过发电机运行在空转、空载和短路三种工况下，机组通过长时间热稳定运行，得到发电机的风损、轴承损耗、铁损和杂散损耗的基准值；

按照量热法原理，对参考表面而言，其分项损耗之和P_L2应该与总体损耗法散发的热量和P_L1基本相同，因为前者是损耗产生的原因，后者是损耗被带走的方式，因此认为P_L2＝P_L1，即：

P_w+P_r+P_gb+P_b+P_s+P_Fe+P_LL+P_ex＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)+P_ex (3)

其中，风损P_w、轴承损耗P_gb为不变损耗，在机组空转时结合总体损耗法测得，即空转工况时式(3)中的分项损耗，此时P_s、P_Fe、P_LL、P_r均为0，代入式(3)中得风损P_w和轴承损耗P_gb为：

P_w+P_gb＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b (4)

铁损P_Fe跟定子电压的平方成正比，在机组空载时结合总体损耗法得出，即空载工况时式(3)中P_s、P_LL为0，P_w+P_gb为常量，由式(4)得出；

此时：

P_Fe＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b-P_w-P_gb-P_r (5)

杂散损耗P_LL跟定子电流的平方成正比，在机组短路时结合总体损耗法测得，短路工况下，式(5)中铁损P_Fe为0，故得到杂散损耗P_LL：

P_LL＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b-P_w-P_gb-P_r-P_s (6)

转子铜损P_r、碳刷损耗P_b、定子铜损P_s根据损耗计算公式，以及定转子绕组电阻和电流计算得到；

(2)验证总体损耗法与分项损耗法的一致性

按照发电机损耗产生机理和损耗热量被带走的方式，可以近似推断出两种方式计算得到的发电机效率应该一致，但由于发电机类型、结构、散热方式均有不同，因此，为了验证分项损耗法推导效率的可行性，需要在某一负荷下，采用总体损耗法测量和分项损耗法推算两种方式得到发电机效率值，如果两者一致，则认为推算方法可靠，然后可在任意工况下，结合当前机组运行的机端电压电流、转子电压电流来推算发电机损耗；

(3)推算任意工况效率

在获得了发电机损耗和效率所需基础数据的基础上，包括风损P_w、轴承损耗P_gb、铁损P_Fe和杂散损耗P_LL，从而在任意工况下获得其发电机总损耗，继而得到其效率。

进一步的，所述的快速升降负荷推算任意工况的效率，包括以下步骤：

对其他任一工况，采用的是电气参量直接计算分项损耗，直接将机组运行到该负荷下，记录其电气量参数即可；

如果需要某一功率因数下的多个发电机效率计算加权值，则直接做一个机组在某功率因数下的升负荷或降过程，记录下不同负荷下机组机端电流、机端电压、励磁电流、励磁电压和功率输出的数据曲线，最后采用分项损耗推导法得到不同负载下的发电机效率。

或者，所述的V型曲线推算任意工况的效率，包括以下步骤：

要推算机组任意工况下的效率，根据分项损耗法所需的参数，直接通过发电机出厂参数及V型曲线换算得到。

本发明具有的特点为：

(1)让发电机运行在空转、空载和短路三个工况，采用总体损耗法测量冷却介质流量和温差，获取发电机风磨损耗、铁芯损耗和杂散损耗的基准值；解决了推算所需的基准值问题。

(2)选择带负荷工况进行总体损耗法和分项损耗法的试验结果验证，确认结果是否一致；解决了两种方法结果是否一致，推算法能否采用的问题。

(3)在结果一致的基础上，采用快速升降负荷或调至某负荷的暂态过程，记录电气量数据，通过分项损耗法，直接得到发电机效率，无需漫长机组热稳定过程；解决了试验过程漫长，无法得到任意工况效率的问题。

(4)可以结合机组设计电气参量与损耗基准值，理论推算直接得到机组任意工况效率结果。在厂家提供了V型曲线的基础上，只需(1)和(2)步，得到任意工况的发电机效率。

与现有技术相比，本发明具有的技术优势为：

(1)基于量热法和IEC国际标准要求，设计了一种快速获得任意工况下发电机分项损耗及效率的方法；

(2)仅需四个工况的热稳定试验，可以通过机组运行的暂态过程试验，直接得到任意工况的发电机效率；

(3)在厂家提供了V型曲线和四个热稳定试验的基础上，可以理论推算出任意工况下的发电机效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2a功率因数0.85下的机组升负荷过程；

图2b功率因数1.0下的机组升负荷过程；

图3为通过分项损耗推算发电机效率的过程示意图；

图4为实施例发电机V型曲线示例；

图5为实施例理论推算和试验计算效率比较。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

考虑到发电机效率试验中，影响效率的各项损耗在不同条件下有一定的规律可以遵循，本优化试验方法考虑在三个特殊工况下，同时开展总体损耗法和分项损耗法试验，利用总体损耗法得到分项损耗法中部分分项损耗的基准值；然后在某负荷工况下再次开展两种方法的试验，验证分项损耗法推算效率与总体损耗法计算结果是否一致；最后可以根据现场实际情况，采用快速升降负荷或者理论推算，直接得到发电机任何条件下的效率。

如图1所示，该方法包括三个步骤，分别是确定分项损耗基准值、验证总体/分项损耗法的一致性、推算任意工况效率(快速升降负荷过程推算、或理论推算)。具体的：

实施例1

本实施例以在科特迪瓦苏布雷水电站开展的一次法方监理、非洲业主参与并认可的发电机效率试验为例，通过总体损耗法，共开展4个工况的效率测试，计算得到发电机的效率结果见表1。

表1量热法效率计算结果列表

而根据记录的机组电压和电流等电气参数，采用分项损耗法得到发电机的效率结果见表2。

表2分项损耗计算结果列表

根据四个试验工况下两种计算方法得到的发电机效率结果，分别为98.279％和98.290％，相差0.011％，可认为两种计算方法具有良好的一致性。

这样完整的效率及损耗试验包括空转工况、空载工况、短路工况、带负荷验证工况共4个工况，总时间控制在40～60小时，相比起之前的200～300小时试验时间，大大缩短，并获得了发电机损耗和效率所需的基础数据—风损、轴承损耗、铁损和杂散损耗，从而可在任意工况下获得其发电机总损耗，继而得到其效率。

对其他任一工况，由于采用的是电气参量直接计算分项损耗，因此无需漫长的机组热稳定过程，直接将机组运行到该负荷下，记录其电气量参数即可。如图2a和图2b分别为功率因数0.85和1.0下的机组升负荷过程。

如果需要某一功率因数下的多个发电机效率计算加权值，则直接做一个机组在某功率因数下的升负荷或降过程，记录下不同负荷下机组机端电流、机端电压、励磁电流、励磁电压和功率输出的数据曲线，最后采用分项损耗推导法得到不同负载下的发电机效率。该过程如图3所示。

实施例2

步骤(3)采用理论推算任意工况的效率。

要推算机组任意工况下的效率，根据分项损耗法所需的参数，可以直接通过发电机出厂参数换算得到，具体如下：

可以看到，要确定发电机分项损耗最终需要的关键数据是励磁电流，因为其涉及到转子铜损的计算，可以通过主机厂提供的发电机V型曲线获取，如图4。

图5尼泊尔某电站采用理论推算值和试验值两种方法的验证结果，其中四个菱形点是采用纯理论和V型曲线推算的效率，可以看到，与试验发电机效率曲线完全重合，具有非常高的精度和一致性。

Claims (4)

1.一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，其特征在于，包括三个步骤：

(1)确定分项损耗基准参考值；

(2)验证总体损耗法与分项损耗法的一致性；

(3)采用快速升降负荷或V型曲线推算任意工况效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，其特征在于，具体的步骤为：

(1)确定分项损耗基准参考值

机组长期热稳定运行时，按照其热量被带走的方式，其发电机总体损耗P_L1用下式计算：

P_L1＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)+P_ex (1)

式中，C_p为冷却介质比热，Q为冷却介质流量，ρ为冷却介质密度，Δt₁为冷却介质温升，h为表面散热系数，A为表面散热面积，Δt₂为外表面温度与外部环境温度之差，P_ex为外部损耗，通常为励磁变损耗；

而发电机在任意工况下，按照其损耗产生的机理，发电机总体损耗P_L2用下式计算：

P_L2＝P_w+P_r+P_gb+P_b+P_s+P_Fe+P_LL+P_ex (2)

式中，P_w为风磨损耗，P_r为转子铜损，P_gb为轴承损耗，P_b为碳刷损耗，P_s为定子铜损，P_Fe为铁损，P_LL为杂散损耗；

通过发电机运行在空转、空载和短路三种工况下，机组通过长时间热稳定运行，得到发电机的风损、轴承损耗、铁损和杂散损耗的基准值；

按照量热法原理，对参考表面而言，其分项损耗之和P_L2应该与总体损耗法散发的热量和P_L1基本相同，因为前者是损耗产生的原因，后者是损耗被带走的方式，因此认为P_L2＝P_L1，即：

P_w+P_r+P_gb+P_b+P_s+P_Fe+P_LL+P_ex＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)+P_ex (3)

其中，风损P_w、轴承损耗P_gb为不变损耗，在机组空转时结合总体损耗法测得，即空转工况时式(3)中的分项损耗，此时P_s、P_Fe、P_LL、P_r均为0，代入式(3)中得风损P_w和轴承损耗P_gb为：

P_w+P_gb＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b (4)

铁损P_Fe跟定子电压的平方成正比，在机组空载时结合总体损耗法得出，即空载工况时式(3)中P_s、P_LL为0，P_w+P_gb为常量，由式(4)得出；

此时：

P_Fe＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b-P_w-P_gb-P_r (5)

杂散损耗P_LL跟定子电流的平方成正比，在机组短路时结合总体损耗法测得，短路工况下，式(5)中铁损P_Fe为0，故得到杂散损耗P_LL：

P_LL＝(ΣC_pQρΔt₁+ΣhAΔt₂)-P_b-P_w-P_gb-P_r-P_s (6)

转子铜损P_r、碳刷损耗P_b、定子铜损P_s根据损耗计算公式，以及定转子绕组电阻和电流计算得到；

(2)验证总体损耗法与分项损耗法的一致性

按照发电机损耗产生机理和损耗热量被带走的方式，可以近似推断出两种方式计算得到的发电机效率应该一致，但由于发电机类型、结构、散热方式均有不同，因此，为了验证分项损耗法推导效率的可行性，需要在某一负荷下，采用总体损耗法测量和分项损耗法推算两种方式得到发电机效率值，如果两者一致，则认为推算方法可靠，然后可在任意工况下，结合当前机组运行的机端电压电流、转子电压电流来推算发电机损耗；

(3)推算任意工况效率

在获得了发电机损耗和效率所需基础数据的基础上，包括风损P_w、轴承损耗P_gb、铁损P_Fe和杂散损耗P_LL，从而在任意工况下获得其发电机总损耗，继而得到其效率。

3.根据权利要求1所述的一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，其特征在于，所述的快速升降负荷推算任意工况的效率，包括以下步骤：

对其他任一工况，采用的是电气参量直接计算分项损耗，直接将机组运行到该负荷下，记录其电气量参数即可；

如果需要某一功率因数下的多个发电机效率计算加权值，则直接做一个机组在某功率因数下的升负荷或降过程，记录下不同负荷下机组机端电流、机端电压、励磁电流、励磁电压和功率输出的数据曲线，最后采用分项损耗推导法得到不同负载下的发电机效率。

4.根据权利要求1所述的一种基于量热法的水电站发电机效率优化试验方法，其特征在于，所述的V型曲线推算任意工况的效率，包括以下步骤：

要推算机组任意工况下的效率，根据分项损耗法所需的参数，直接通过发电机出厂参数及V型曲线换算得到。

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