基于量熱法的發(fā)電機效率試驗

盛 杉，楊 明，韓 毅

(哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

?

基于量熱法的發(fā)電機效率試驗

盛 杉，楊 明，韓 毅

(哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱 150040)

通常大、中型水輪發(fā)電機都是采用量熱法測定其效率。以國外某電站水輪發(fā)電機為例，詳述量熱法測量發(fā)電機損耗和效率的方法及流程，同時計算出發(fā)電機各項損耗，并對測量結果進行驗證。實踐證明，采用量熱法進行電機效率試驗，測量精度及可靠性較高。

水輪發(fā)電機；量熱法；損耗；效率

0 引言

國外某電站水輪發(fā)電機，裝機總容量6×120 MW。為確定發(fā)電機是否滿足設計要求，需對其進行效率試驗。發(fā)電機的效率為：

(1)

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

由式(1)可知，計算發(fā)電機效率，需要發(fā)電機的輸出功率及總損耗。發(fā)電機的輸出功率可通過功率分析儀準確地測量，但是發(fā)電機的總損耗難以準確地測量，工程中多以經驗公式估算發(fā)電機總損耗，這樣精度就難以保證[1]。根據GB/T 5321—2005要求，利用量熱法對發(fā)電機的總損耗和效率進行測量，即可滿足測量精度，同時可靠性又高。因此，本文以2005年量熱法國家標準為基礎，同時結合IEC 2010和IEC 2014新標準，測量該發(fā)電機各部分損耗及計算效率并加以說明。

1 量熱法工作原理及效率計算

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

1) 參考面內部的損耗；

2) 參考面外部的損耗(如外部軸承、勵磁設備等)。

其中參考面內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，可用量熱法進行測量。另一部分通過參考面?zhèn)鲗?、對流、輻射等產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)電機效率試驗中，對于流量的測量一般采用超聲波流量計。但IEC2010新標準中更傾向于使用測量精度更高的電磁流量計進行冷卻介質的流量測量。

測溫元件方面，新標準也提出：較好的熱量測量設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)的熱電偶可能因為使用不當而導致不確定增大。

對于各種運行工況，當溫度達到穩(wěn)定標準時，冷卻系統(tǒng)產生的損耗為：

P1=CPQρΔt

(2)

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

參考面?zhèn)鲗c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生損耗的熱交換系數，W/(m2·K)。

2 實例計算與分析

發(fā)電機部分額定參數如下：

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0.95。

2.1 空轉試驗

發(fā)電機以額定轉速、轉子不加勵磁空轉運行，溫度穩(wěn)定后進行測量，如表1所示。

表1 比熱與密度選取

由公式(2)可以計算出空轉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)電機表面散熱產生的損耗可以通過公式(3)進行計算。其中，根據IEC 60034-2-2(2010)規(guī)定，h=15 W/(m2·K)，如表3所示。

表3 表面散熱產生的損耗

空轉試驗可以得出發(fā)電機通風損耗，通風損耗為冷卻器帶走的損耗和表面散熱產生的損耗之和。即616.603 4 kW。

2.2 空載試驗

發(fā)電機以額定轉速、額定電壓、輔助勵磁狀態(tài)下空載運行。達到熱平衡后，測量各參數如表4所示。

表4 比熱與密度選取

由公式(2)可以計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)電機表面散熱產生的損耗可以通過公式(3)進行計算，如表6所示。

表6 表面散熱產生的損耗

此時，勵磁部分的損耗如表7所示。

表7 勵磁損耗

此時總損耗為906.277 5 kW，其中通風損耗616.603 4 kW，勵磁損耗132.992 7 kW。通過以上損耗，可以計算出發(fā)電機鐵耗為156.681 4 kW。

2.3 短路試驗

發(fā)電機短路試驗目的是求取雜散損耗。試驗前做好準備工作，接短路銅排，改變勵磁方式等。待發(fā)電機運行數小時，達到熱平衡后測量，此時定子電流為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)電機表面散熱產生的損耗可以通過公式(3)進行計算，如表10所示。

表10 表面散熱產生的損耗

此時，勵磁部分的損耗如表11所示。

表11 勵磁損耗

此時總損耗為1 146.587 3 kW，其中通風損耗616.603 4 kW，勵磁損耗90.847 6 kW。通過以上損耗，可以計算出發(fā)電機銅耗與雜散損耗之和為439.132 7 kW，如表12所示。

表12 銅耗計算

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 雜散損耗計算

2.4 負載試驗

發(fā)電機以額定工況運行數小時后，待發(fā)電機達到熱平衡后，測得軸承冷卻液進出水口溫度如下。求得發(fā)電機軸承損耗。

上導軸承損耗如表14、表15所示。

表14 比熱與密度選取

表15 上導軸承損耗

推力及下導軸承損耗如表16、表17所示。

表16 比熱與密度選取

表17 推力及下導軸承損耗

(5)

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

表18 推力軸承損耗(發(fā)電機部分)

表19 軸承損耗

2.5 其他損耗測量與計算

電站現場測得定子環(huán)境溫度34 ℃時的直流電阻為0.005 603 Ω，轉換成115 ℃時電阻為0.007 290 Ω，定子損耗如表20所示。

表20 定子損耗

計算轉子損耗時，需測得各工況下的勵磁電壓與勵磁電流如表21所示。

表21 勵磁電壓與勵磁電流

環(huán)境溫度為32 ℃時的轉子電阻為0.148 46 Ω，轉換成115 ℃時電阻為0.194 6 Ω，轉子損耗如表22所示。

表22 轉子損耗

勵磁變與整流柜的損耗如表23、表24所示。

表23 勵磁變損耗

表24 整流柜損耗 kW

3 試驗結果

測量及計算結果，各部分損耗及效率見表25。

表25 試驗結果

由上表可見，發(fā)電機額定工況效率試驗值為98.55%，發(fā)電機額定效率設計值為98.48%，滿足設計要求，見表26。同時驗證了，采用量熱法測量發(fā)電機各部分損耗及效率的可行性及可靠性。發(fā)電機加權效率計算如下：

η=0.3ηA+0.4ηB+0.3ηC

(6)

表26 加權效率計算

[1]李發(fā)海，朱東起. 電機學[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，電氣工程及自動化專業(yè)，現從事發(fā)電機試驗及相關研究工作，工程師。