水輪機(jī)效率精細(xì)化計(jì)算分析方法簡(jiǎn)析

魯俊，王江淮，李偉，張?zhí)靷b，路鵬，武晉輝，郜寧

（1.新疆電力科學(xué)研究院，烏魯木齊　830063；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京　100084）

水輪機(jī)效率精細(xì)化計(jì)算分析方法簡(jiǎn)析

魯俊1，王江淮2，李偉1，張?zhí)靷b2，路鵬1，武晉輝2，郜寧1

（1.新疆電力科學(xué)研究院，烏魯木齊830063；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京100084）

介紹了當(dāng)前水輪機(jī)效率公式研究與計(jì)算的現(xiàn)狀及存在的主要問題，論述了實(shí)時(shí)在線分析系統(tǒng)中水輪機(jī)效率計(jì)算過程的精細(xì)化問題，重點(diǎn)論述了水輪機(jī)效率計(jì)算所用公式、輸入?yún)?shù)獲取方法、輸入?yún)?shù)有效判定條件、輸出結(jié)果誤差分析等方面的內(nèi)容。通過研究，有效解決了效率計(jì)算過程實(shí)時(shí)性與有效性等方面的問題，提供了檢測(cè)水輪機(jī)效率的新思路、新方法。

水輪機(jī)；效率計(jì)算；計(jì)算公式；誤差分析

1　問題的提出

長(zhǎng)期以來，由于水輪機(jī)效率計(jì)算過程的復(fù)雜性，行業(yè)內(nèi)人員針對(duì)不同類型機(jī)組展開了各種研究，提出了多種計(jì)算分析方法，其目的只有一個(gè)，希望快速而又準(zhǔn)確地獲取水輪機(jī)各種運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)換效率。盡管理論計(jì)算模型公式及計(jì)算參數(shù)獲取手段都已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，但由于水電機(jī)組運(yùn)行工況的多變及儀表測(cè)量精確度的影響，想要實(shí)時(shí)精確獲取各種運(yùn)行工況下的水輪機(jī)效率也不是很容易。

本文論述的水輪機(jī)效率在線精細(xì)化計(jì)算分析方法，依托遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，所需數(shù)據(jù)可覆蓋水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程的各種工況，優(yōu)化輸入?yún)?shù)條件判定和輸出結(jié)果誤差分析，提高了計(jì)算過程工況覆蓋范圍和計(jì)算結(jié)果輸出精度，便于技術(shù)人員精確監(jiān)測(cè)、分析水輪機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。

2　實(shí)時(shí)在線效率計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程實(shí)例分析

2.1查檔獲取效率計(jì)算所需基本數(shù)據(jù)

機(jī)組設(shè)備安裝高程（h1，h2），其中h1為蝸殼測(cè)壓處表計(jì)安裝位置中心高程，h2為尾水測(cè)壓處表計(jì)安裝位置中心高程；機(jī)組安裝位置所處緯度φ；機(jī)組蝸殼進(jìn)口測(cè)壓處管道斷面截面積S1；機(jī)組尾水管出口管道測(cè)壓處斷面截面積S2。

2.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歷史庫獲取在線計(jì)算所需樣本數(shù)據(jù)

在樣本數(shù)據(jù)獲取過程中，以新疆某水電廠#3水輪發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象。該機(jī)組為混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定容量127.6 MW，額定轉(zhuǎn)速214.3r/min，額定流量119.44m3/s，水庫最大水頭139.17 m，最小水頭96.70m，設(shè)計(jì)工作水頭117.00 m。通過北京四方公司CyberControl工業(yè)自動(dòng)化軟件平臺(tái)［1］，利用平臺(tái)提供的二次開發(fā)擴(kuò)展功能，通過實(shí)時(shí)庫和歷史庫的訪問接口，以擴(kuò)展插件應(yīng)用的方式設(shè)計(jì)振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)自定義關(guān)系數(shù)表，周期性地將從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫獲取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有功功率、機(jī)組流量、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水出口壓力、導(dǎo)葉開度、機(jī)組頻率、上游水位、下游水位、功率因數(shù)、水溫等數(shù)據(jù)信息的原始數(shù)據(jù)存入自定義數(shù)據(jù)表中。其中，自定義數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

（1）自定義數(shù)據(jù)表字段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第0列：ID字段代表序號(hào)，設(shè)置為主鍵自動(dòng)增加

第1列：TIME字段代表時(shí)間；數(shù)據(jù)類型：long

第2列：ID32字段代表id32；數(shù)據(jù)類型：int

第3列：VIBRVAL字段代表測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值；數(shù)據(jù)類型：float

第4列：HYDROTBNO字段代表機(jī)組號(hào)；數(shù)據(jù)類型：int

第5列：SPEED字段代表轉(zhuǎn)速；數(shù)據(jù)類型：float

第6列：WTRHEADER代表水頭；數(shù)據(jù)類型：float

第7列：DYPOS字段代表導(dǎo)葉開度；數(shù)據(jù)類型：float

第8列：PVAL字段代表有功功率；數(shù)據(jù)類型：float

第9列：QVAL字段代表無功功率；數(shù)據(jù)類型：float

（2）自定義數(shù)據(jù)表的命名方式：數(shù)據(jù)庫表以月表的方式建立（格式為hydroturbine_base_yyyy_mm，其中yyyy代表年份，mm代表月份）。

（3）數(shù)據(jù)表記錄存儲(chǔ)間隔周期：3 s。

2.3樣本參數(shù)獲取與計(jì)算過程

（1）蝸殼、尾水的壓力絕對(duì)值計(jì)算采用公式

式中：p為絕對(duì)壓力；p1為表測(cè)壓力；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；h0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水柱；h1為壓力表計(jì)安裝位置中心高程。

（2）蝸殼處水密度ρ1、尾水處水密度ρ2、平均水密度ρ的計(jì)算公式為

式中：pwk，pws分別為蝸殼、尾水出口處絕對(duì)壓力；ρ0為密度計(jì)算基準(zhǔn)值；k為密度計(jì)算修正系數(shù)。其中，ρ0，k查GB/T 20043—2005《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》水溫與絕對(duì)壓力的關(guān)系表計(jì)算確定。

（3）工作水頭獲取采用的計(jì)算公式［2］為

（4）機(jī)組流量參數(shù)的獲取過程。流量測(cè)量采用超聲波流量計(jì)［3］，針對(duì)水輪機(jī)進(jìn)水鋼管管徑巨大的特點(diǎn)，通常在測(cè)量中使用多聲道測(cè)流方法，采用交叉聲路布置方式，在同一高程上的兩個(gè)聲路以相反的傾角安裝來提高測(cè)量精度。流量計(jì)的采集精度直接影響效率計(jì)算結(jié)果的精度。

（5）機(jī)組功率參數(shù)的獲取過程。發(fā)電機(jī)輸出的有功功率即是水力機(jī)組的輸出功率，這是水力機(jī)組效率計(jì)算的重要數(shù)據(jù)之一，對(duì)它測(cè)量的準(zhǔn)確與否，取決于測(cè)量方法和所使用測(cè)量?jī)x表的精度。水輪發(fā)電機(jī)容量大、電壓高，進(jìn)行三相有功測(cè)量時(shí)，功率表計(jì)不能直接接在母線上，而是通過電壓互感器和電流互感器進(jìn)行三相功率的測(cè)定?，F(xiàn)場(chǎng)有功功率的測(cè)量采用0.2級(jí)功率變送器。

（6）效率計(jì)算采用的公式［4］。水輪機(jī)輸出功率、機(jī)組效率、水輪機(jī)效率的計(jì)算公式分別為

式中：Pt為水輪機(jī)輸出功率；ρ為水的密度；為平均重力加速度；ηu為機(jī)組效率；Pg為發(fā)電機(jī)輸出功率；ηg為發(fā)電機(jī)效率。

2.4樣本數(shù)據(jù)有效判定條件

效率計(jì)算過程的準(zhǔn)確性依賴于樣本數(shù)據(jù)獲取過程的有效性，在本文中，首要條件在于判定機(jī)組運(yùn)行工況是否穩(wěn)定，判定的標(biāo)準(zhǔn)依賴于機(jī)組有功功率、機(jī)組工作水頭、機(jī)組轉(zhuǎn)速等3個(gè)參數(shù)是否出現(xiàn)重大波動(dòng)，具體判定標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）10 min內(nèi)機(jī)組有功功率變化差值不超過該段時(shí)間內(nèi)機(jī)組有功功率平均值的±1.5%，即（有功功率峰峰值/2）/有功功率均值，應(yīng)保證有功功率變化比值≤±1.5%。

（2）10 min內(nèi)水力比能變化不應(yīng)超過平均值的±1.0%，即（機(jī)組工作水頭-機(jī)組平均工作水頭）/機(jī)組平均工作水頭，應(yīng)保證水力比能變化比值≤±1.0%。

（3）10 min內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化不應(yīng)超過平均值的±0.5%，即（機(jī)組頻率峰峰值/2）/機(jī)組頻率均值，應(yīng)保證轉(zhuǎn)速變化比值≤±0.5%。

2.5計(jì)算結(jié)果誤差分析

在水輪機(jī)效率計(jì)算過程中，需要獲取各種樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)包括直接測(cè)量數(shù)據(jù)和間接測(cè)量數(shù)據(jù)，其中間接測(cè)量數(shù)據(jù)是由多個(gè)直接測(cè)量數(shù)據(jù)通過一定的函數(shù)關(guān)系間接求得。由于測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器、儀表等工具的限制，在水電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)獲取的直接測(cè)量數(shù)據(jù)一般均存在誤差，該誤差將反映在間接測(cè)量數(shù)據(jù)上。如果沒有給出樣本參數(shù)獲取結(jié)果的可靠程度，將不能完全反映測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量。要表征測(cè)量的不確定度，則必須分析各直接測(cè)量量的誤差，并通過一定的方法得出間接測(cè)量量的誤差。

本文將通過常見的誤差分析方法［5］——函數(shù)增量法來分析水輪機(jī)效率計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差。顯然，由于函數(shù)增量法利用了原來的函數(shù)關(guān)系，用此法計(jì)算間接測(cè)量量的誤差更為方便。函數(shù)增量法具體如下。

假定輸入?yún)?shù)直接測(cè)量量（x1，x2，…，xn）的標(biāo)準(zhǔn)誤差為（δx1，δx2，…，δxn），則每個(gè)直接測(cè)量量的誤差引起間接測(cè)量量y的誤差

取誤差絕對(duì)值的平均值δxi引起y的標(biāo)準(zhǔn)誤差

由于各直接測(cè)量量相互獨(dú)立，間接測(cè)量量y總的標(biāo)準(zhǔn)誤差

δy即為用函數(shù)增量法所得的間接測(cè)量量y的標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2.6計(jì)算結(jié)果分析

輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。通過對(duì)具體輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行水輪機(jī)效率計(jì)算的過程中，計(jì)算結(jié)果能否滿足應(yīng)用的要求，是否具體可信度，可以通過誤差指標(biāo)來進(jìn)行直接判定，同時(shí)也可以提取誤差指標(biāo)滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用分析。

表1　輸入?yún)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2　輸出參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

項(xiàng)目工況1工況2工況3工況4工況5水輪機(jī)出力/MW 126.56148.78141.84145.32139.82機(jī)組效率/%78.7470.2277.4678.8385.41水輪機(jī)效率/%82.8973.9281.5382.9889.09耗水率/（m3·kW-1）3.443.793.633.553.67標(biāo)準(zhǔn)差0.0450.3460.1570.6490.237是否滿足要求滿足未滿足滿足未滿足未滿足

3　結(jié)束語

本文所論述的水輪機(jī)效率在線精細(xì)化計(jì)算分析方法，實(shí)時(shí)輸出了計(jì)算效率和計(jì)算誤差，為水輪機(jī)運(yùn)行效率實(shí)時(shí)趨勢(shì)分析和歷史趨勢(shì)分析提供了數(shù)據(jù)支撐，便于技術(shù)人員監(jiān)測(cè)分析機(jī)組水輪機(jī)在各工況下的運(yùn)行效率。鑒于水電機(jī)組水輪機(jī)類型、容量及運(yùn)行模式的復(fù)雜性，單一的計(jì)算公式很難完全適應(yīng)各種類型水電機(jī)組，因此，還應(yīng)當(dāng)按機(jī)組類型分別進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高水輪機(jī)效率計(jì)算的精確性。

［1］北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司.CyberControl工業(yè)自動(dòng)化軟件平臺(tái)使用說明書（0SF.492.012_V2.2）［Z］.

［2］孔德銘，郭志，閆宗國.小浪底水電站水輪發(fā)電機(jī)組原型效率試驗(yàn)［J］.人民黃河，2011，33（12）：103-105.

［3］趙耀，董開松，劉秀良，等.基于超聲波法和蝸殼差壓法測(cè)流的水泵水輪機(jī)效率測(cè)試軟件的開發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［C］//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì).2014年中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2014.

［4］于波，肖惠民.水輪機(jī)原理與運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］于波，吳維金，吳長(zhǎng)勝，等.多功能水電機(jī)組效率測(cè)試儀的研究與開發(fā)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2004（7）：91-92.

（本文責(zé)編：白銀雷）

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1674-1951（2016）08-0063-03

2016-04-25；

2016-07-10

魯?。?973—），男，甘肅武威人，工程師，工學(xué)碩士，從事熱能與動(dòng)力工程技術(shù)方面的研究工作。

王江淮（1981—），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，工程師，從事工業(yè)自動(dòng)化方面的工作（E-mail：：wangjianghuai＠sf-auto.com）。