(華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205)

1 概 述

發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率的實(shí)際測(cè)定對(duì)于制造廠家和電力公司來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，所測(cè)定的發(fā)電機(jī)效率是設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)收測(cè)試的重要指標(biāo)[1]。此外，發(fā)電機(jī)效率也說(shuō)明了能源轉(zhuǎn)換的過(guò)程，可以作為指導(dǎo)發(fā)電機(jī)運(yùn)維的良好閾值[2]。

任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率都是該系統(tǒng)的輸出和輸入之間的關(guān)系。這一基本概念構(gòu)成了直接效率測(cè)試方法的基礎(chǔ)，即測(cè)量輸入和輸出功率并相互關(guān)聯(lián)。輸入功率和輸出功率之間的差異會(huì)導(dǎo)致能量損耗，這是任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)固有的。能量損耗的確定是間接能量測(cè)試方法的核心[3-4]。只要由輸入功率可以得到輸出功率與功率損失的總和,效率η是可以計(jì)算得出的。對(duì)于水力發(fā)電廠的同步電機(jī)，由于輸入功率是機(jī)械性質(zhì)的，因此，輸出功率的測(cè)量比輸入功率要簡(jiǎn)單[5-6]。

采用直接方法測(cè)量大型水力發(fā)電機(jī)組的輸入功率和輸出功率，由于水力發(fā)電機(jī)組的輸入、輸出功率值較大，將會(huì)出現(xiàn)不可避免的測(cè)量誤差，導(dǎo)致結(jié)果的高度不準(zhǔn)確性[7]。

由于直接測(cè)量水力發(fā)電機(jī)效率存在較大困難，因此采用間接法測(cè)量水力發(fā)電機(jī)效率的方法得到大力發(fā)展。間接方法的優(yōu)點(diǎn)是只測(cè)量一個(gè)較大的輸出功率和一個(gè)相對(duì)較小的損耗功率。只要損失測(cè)定中所涉及的誤差按比例減少，最終得到的功率測(cè)量的總體不確定性就會(huì)降低[8-9]。

水力發(fā)電機(jī)組的熱損耗主要有冷卻液吸收的熱損耗、機(jī)組表面損失的熱量。其中從水力發(fā)電機(jī)組表面?zhèn)鞯酵獠凯h(huán)境的熱輻射、從機(jī)組傳到混凝土外殼的熱對(duì)流以及從傳動(dòng)軸熱傳導(dǎo)損失的熱量占到總體熱量損耗的約10%[10]。這部分熱量測(cè)量目前主要通過(guò)接觸式溫度傳感器測(cè)定。此外通過(guò)傳動(dòng)軸熱傳導(dǎo)損失的熱量由于測(cè)量難度大，目前，被大部分現(xiàn)場(chǎng)效率測(cè)定程序所忽略[11]。

文獻(xiàn)[12]通過(guò)應(yīng)用量熱法測(cè)定小型電機(jī)的損耗量的試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出同步電機(jī)的一些損耗理論模型，試驗(yàn)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致。然而之前的量熱法研究都基于大量的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水力發(fā)電機(jī)的熱量損耗監(jiān)測(cè)，這種方法存在系統(tǒng)造價(jià)高、高度依賴溫度傳感器、運(yùn)行可靠性低等問(wèn)題。此外在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水力發(fā)電機(jī)效率由于需要設(shè)置大量溫度傳感器，需要耗費(fèi)大量人工，測(cè)量效率較低。

基于上述考慮，本文在應(yīng)用量熱法來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)水力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率的基礎(chǔ)上，引入紅外熱成像技術(shù)用于測(cè)定熱量損耗。該測(cè)量方法通過(guò)非接觸式熱成像儀測(cè)量機(jī)器表面溫度，通過(guò)傳熱系數(shù)的計(jì)算獲得發(fā)電機(jī)組的熱量損耗。該方法還能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸的導(dǎo)熱損失進(jìn)行測(cè)定，提高了發(fā)電效率的測(cè)量精度。

2 量熱法原理

量熱法理論的依據(jù)是所有的機(jī)器損耗都轉(zhuǎn)化為熱能[13]。因此，如果可以建立涉及發(fā)電機(jī)組的熱量損耗模型，就可以通過(guò)觀察到的熱量交換來(lái)確定所有的熱能損耗。

圖1描述了水力發(fā)電機(jī)組的冷卻劑流體(如空氣、水)和冷卻油與外部環(huán)境的熱交換，以及它們的輸入溫度和輸出溫度。輻射對(duì)流的熱量流失也在圖1中標(biāo)識(shí)出來(lái)。如果這樣的控制量真的可以在機(jī)器周圍構(gòu)建，更適合于小尺寸的，那么這個(gè)想法是可行的。

圖1 水力發(fā)電機(jī)組的熱量交換示意圖

對(duì)于大型水力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，如果對(duì)每個(gè)機(jī)組熱能損耗分別計(jì)算傳熱，則會(huì)更容易得出熱量損耗值。損耗與用于發(fā)電機(jī)組內(nèi)部零件的冷卻劑流體(例如空氣和水)以及軸承的油溫升高成比例。通過(guò)機(jī)器表面流向混凝土和環(huán)境的熱量也應(yīng)該被考慮進(jìn)去[14-15]。下面基于主要途徑的熱能損耗進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

2.1 冷卻液吸收的熱損耗

這部分熱損耗涉及冷卻的機(jī)器，包括它們的部件，其中移動(dòng)的介質(zhì)在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中循環(huán)。冷卻液吸收機(jī)組熱損耗的計(jì)算公式為

Plosses=cρQΔθ

(1)

式中Plosses——計(jì)算吸收損耗，kW；

c——熱容量，kJ/(kg·K);

ρ——密度,kg/m3;

Q——體積流量,m3/s；

Δθ——升溫,K。

與具體冷卻液相關(guān)，表1列出了最常見(jiàn)的冷卻液的典型值。

表1 典型的計(jì)算參數(shù)值(在300K)

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于空氣或水冷機(jī)器，用這種技術(shù)測(cè)定的損耗是內(nèi)部損耗，包括機(jī)器導(dǎo)體的焦耳效應(yīng)，機(jī)芯上的磁滯和渦流損耗，雜散負(fù)載損耗、摩擦和風(fēng)壓損失。對(duì)于分離的油冷卻軸承，也可以使用相同的方法和相關(guān)的常數(shù)來(lái)確定任何導(dǎo)向軸承的損失。

冷卻液體積流量可以通過(guò)多種方式獲得。非浸入式超聲波流量計(jì)由于其精度高并且易于使用而被廣泛應(yīng)用，能夠滿足量熱法測(cè)量精度要求。

2.2 輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)釋放的熱損失

由于水力機(jī)組暴露在外部環(huán)境中的大面積表面的溫度明顯高于環(huán)境溫度，因此，會(huì)通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)方式流失大量熱量。

這些熱量損耗包括從水力發(fā)電機(jī)組表面到環(huán)境的熱量傳遞、傳遞到混凝土外殼以及通過(guò)機(jī)器軸傳遞的熱量。輻射和對(duì)流損失的一般方程為

Plosses=hAΔθ

(2)

式中h——傳熱系數(shù),W/(m2·K)；

A——輻射表面的面積,m2；

Δθ——表面和環(huán)境之間的溫差,K。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指定一個(gè)取決于冷卻劑流體速度的傳熱系數(shù)：

h=11+3v

(3)

h=5+3v

(4)

式(3)和式(4)分別用于外表面和內(nèi)表面，其中v是冷卻劑流體速度(m/s)。

3 傳熱系數(shù)的計(jì)算方法

盡管已經(jīng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了傳熱系數(shù)測(cè)定的方法，但是已有的研究表明存在更適合的方法來(lái)確定其值，并能夠提高所得測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，紅外熱像儀表面溫度測(cè)量新技術(shù)為量熱法應(yīng)用和表面損失測(cè)定提供了新方法，這種測(cè)量技術(shù)也需要更加精確的傳熱系數(shù)計(jì)算方法。

傳熱系數(shù)取決于幾個(gè)物理特性，如表面幾何形狀、流體黏度、流速和熱性能，因此本文提出的傳熱系數(shù)計(jì)算方法如下：

(5)

式中k——流體導(dǎo)熱系數(shù)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.0271W/(m·K)；

L——與外界接觸的表面周長(zhǎng)的等效長(zhǎng)度,m;

Nu——努塞爾數(shù)。

努塞爾數(shù)是對(duì)流的熱傳導(dǎo)系數(shù)比，并且它是格拉斯霍夫數(shù)Gr和普朗特?cái)?shù)Pr乘積的函數(shù)：

Nu=α(GrPr)b

(6)

系數(shù)a和b的值取決于所研究的物體表面的等效長(zhǎng)度以及Gr和Pr之間的乘積值。表2總結(jié)出了典型的目標(biāo)物體的計(jì)算系數(shù)值。

表2 a和b的典型系數(shù)值

Pr在空氣中保持在0.7～0.8的范圍內(nèi)，Gr由下式給出:

(7)

式中g(shù)——重力加速度,m/s2；

v——流體運(yùn)動(dòng)黏度，空氣的運(yùn)動(dòng)黏度是19.96×10-6m2/s；

Δθ——發(fā)電機(jī)表面溫度和環(huán)境溫度之間的差值；

θ——發(fā)電機(jī)表面溫度和環(huán)境溫度的平均值,K。

假定水力發(fā)電機(jī)表面溫度為46℃，環(huán)境溫度為32℃，將這些方程應(yīng)用于水平軸渦輪水力發(fā)電機(jī)(假定為直徑為3m、長(zhǎng)度為8m的圓柱體)，計(jì)算得出傳熱系數(shù)為 12.79W/(m2·K)。對(duì)于直徑為13.8m的水輪發(fā)電機(jī)，則計(jì)算出的傳熱系數(shù)為14.12W/(m2·K)。這些數(shù)值與IEEE std-115的數(shù)值非常接近，說(shuō)明傳熱系數(shù)的計(jì)算方法可行。

4 溫度測(cè)量

發(fā)電機(jī)表面溫度和冷卻劑的流體溫度與水力發(fā)電機(jī)的負(fù)載和功率相關(guān)，這兩個(gè)溫度值的測(cè)定是確定發(fā)電機(jī)效率的關(guān)鍵問(wèn)題。

如果使用溫度傳感器(如RTDs或熱電偶)進(jìn)行測(cè)量，溫度讀數(shù)是傳感器所在的局部溫度。冷卻劑流體溫度可從安裝在適當(dāng)?shù)目字械膫鞲衅鳙@得，而發(fā)電機(jī)罩表面上的溫度信息是從多個(gè)離散分布的溫度傳感器讀數(shù)中計(jì)算得出的。

由于發(fā)電機(jī)表面的溫度梯度引起的溫度值變化可能導(dǎo)致溫度傳感器讀數(shù)準(zhǔn)確度降低，因此本文提出使用紅外熱像儀進(jìn)行水力發(fā)電機(jī)表面溫度的測(cè)量。

在絕對(duì)零度以上的每一個(gè)物體都因原子和分子的攪動(dòng)而產(chǎn)生電磁輻射。攪動(dòng)程度越高，其溫度越高。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律，一個(gè)物體的總發(fā)射輻射增長(zhǎng)為其絕對(duì)溫度的四次方：

M=εσT4

(8)

式中M——電磁輻射，W/m2；

T——絕對(duì)溫度，K；

ε——物體表面輻射；

σ——斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值等于5.6704×10-8W/(m2·K4)。

紅外熱像儀利用這一物理原理，通過(guò)檢測(cè)加熱體發(fā)射的電磁輻射來(lái)測(cè)量溫度。紅外熱像儀的焦平面陣列(FPA)是一種由m×n個(gè)光學(xué)傳感器組成的矩陣，用于將發(fā)射的輻射轉(zhuǎn)換為溫度映射。采用這種技術(shù)，能以非常高的精度測(cè)量溫度，分辨率低于0.1℃。使用紅外熱像儀測(cè)得的水力發(fā)電廠同步發(fā)電機(jī)熱成像圖如圖2所示。

4.1 熱成像的視場(chǎng)跨度

熱成像儀由一個(gè)熱成像相機(jī)和相關(guān)的信號(hào)處理、顯示系統(tǒng)組成。相機(jī)的視場(chǎng)(FOV)由相機(jī)鏡頭的光圈角決定，該鏡頭將物體圖像投影到焦平面上。由圖3可知，由兩個(gè)笛卡兒方向的FOV值和從相機(jī)到目標(biāo)物體表面的正交距離，可以確定熱圖像覆蓋的物體區(qū)域：

(9)

(10)

式中d——由熱成像儀到由H和V尺寸(m)定義的表面的正交距離;

FOVx、FOVy——視野在x和y方向的視場(chǎng),(°)。

在FOV跨度范圍內(nèi)的損失是通過(guò)計(jì)算得到的:

Plosses=hHVΔθ

(11)

式中 Δθ——平均表面溫度上升超過(guò)環(huán)境溫度值，K。

考慮到與平面表面正交的視線，式(11)是有效的。然而從數(shù)學(xué)角度可以證明，對(duì)于典型視場(chǎng)角小于30°的情況，結(jié)果對(duì)于正交角度低于20°的視角偏差仍然有效。

圖3 熱成像儀相機(jī)FOV和覆蓋區(qū)域

4.2 等溫線圖

溫度測(cè)量的另一種方案以及相關(guān)區(qū)域的確定是等溫線中整個(gè)熱表面的分割。

等溫線技術(shù)包括建立一個(gè)溫度范圍，并將原始熱圖像中的所有像素映射到指定范圍內(nèi)的溫度。

圖4顯示了一個(gè)水力發(fā)電機(jī)的表面熱成像和等溫線。

圖4 發(fā)電機(jī)覆蓋表面的紅外熱像和等溫線

圖4(a)顯示了水力發(fā)電機(jī)表面的熱圖像，而圖4(b)顯示了36.2℃附近溫度的相關(guān)等溫線。等溫線表面積可以通過(guò)多種方式確定。一致的方法在于將滿足溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)的像素的數(shù)量乘以由每個(gè)像素覆蓋的基本區(qū)域。這個(gè)區(qū)域涉及瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)，定義了熱成像儀的最小可檢測(cè)目標(biāo)。熱成像儀的最小可檢測(cè)目標(biāo)取決于相機(jī)的FOV和FPA分辨率。考慮到m×n的FPA分辨率，式2可以被重寫(xiě)為

(12)

式中，I表示所考慮的等溫線集合。對(duì)于第i個(gè)等溫線，Ni、hi和Δθi分別是像素的數(shù)量、傳熱系數(shù)(W/m2K)和環(huán)境溫度(K)。

5 發(fā)電機(jī)軸上的損耗

目前，發(fā)電機(jī)效率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中經(jīng)常忽略的損失是發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸中的傳導(dǎo)和對(duì)流損失。這部分軸與軸承摩擦產(chǎn)生的熱量不是由冷卻油提取的，而是通過(guò)傳動(dòng)軸傳導(dǎo)并作為對(duì)流損失釋放到環(huán)境中。

由于使用傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器來(lái)測(cè)量軸的溫度梯度幾乎是不可能的，因此軸損耗的能量值被經(jīng)常性忽略。

紅外熱像儀的出現(xiàn)為測(cè)量此前被忽略的損耗帶來(lái)了新的可能性，圖5顯示水力發(fā)電機(jī)軸的溫度梯度超過(guò)10℃。

圖5 發(fā)電機(jī)軸的紅外熱像

雖然軸損失機(jī)制遵循式(2)和式(5)所述的理論，但仍然需要采用不同的方法來(lái)確定旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)軸的努塞爾數(shù)：

(13)

式中ω——角速度,rad/s；

D——軸直徑，m。

6 案例分析

將本文所提出的發(fā)電機(jī)效率測(cè)定技術(shù)應(yīng)用于江蘇省宜興抽水蓄能電站的額定功率為55.5MVA的單臺(tái)機(jī)組，將通過(guò)比較采用本文方法測(cè)定出的效率值與制造廠家采用的標(biāo)準(zhǔn)方法獲得的效率值來(lái)完成對(duì)所提技術(shù)的可行性驗(yàn)證。

該水電站發(fā)電機(jī)組的水和空氣回路釋放了冷卻液吸收的熱能損失。該發(fā)電機(jī)組散熱系統(tǒng)由六個(gè)結(jié)構(gòu)相同風(fēng)管組成(其中一個(gè)風(fēng)管的截面和風(fēng)速如圖6所示)。使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的熱式溫度計(jì)和速度計(jì)進(jìn)行溫度和風(fēng)速測(cè)量。

圖6 通風(fēng)管上的風(fēng)速和面積分布

六個(gè)管道的總風(fēng)量為42.5m3/s; 通風(fēng)管道輸入和輸出的平均空氣溫度分別為49.9℃和66.6℃。因此，由式(2)計(jì)算出吸收損失為771.6kW。水回路計(jì)算出相同的損失。使用超聲波流量計(jì)測(cè)量的水流量為176.1m3/s。輸入和輸出溫度分別為27.9℃和31.8℃。計(jì)算出的冷卻液所吸收熱量損失為789.7kW。

圖7 機(jī)油冷卻軸承的紅外熱像

如圖7所示，通過(guò)測(cè)量冷卻水流量和溫差來(lái)確定合并軸承和上軸承的水分吸收損失(軸承熱損耗測(cè)量結(jié)果如表3所示)。

表3 軸承熱損耗測(cè)量結(jié)果

使用紅外熱成像技術(shù)獲得水力發(fā)電機(jī)組外表面的熱量損耗。由于FOV的限制，整個(gè)區(qū)域被分成四個(gè)象限,如圖8(a)所示。等溫線圖技術(shù)被用來(lái)確定溫度范圍的區(qū)域,如圖8(b)所示。所得結(jié)果列于表4中。

圖8 發(fā)電機(jī)覆蓋表面的紅外熱像和等溫線

區(qū)域溫度區(qū)間/℃θ/℃A/m2140.6～43.542.10.9443.6～46.044.81.6546.1～48.547.36.3748.6～50.549.611.9250.6～52.851.63.22240.6～43.542.10.8243.6～46.044.81.7746.1～48.547.36.2148.6～50.549.610.7150.6～52.851.64.59

續(xù)表

試驗(yàn)環(huán)境溫度為34.8℃。為了便于比較，傳熱系數(shù)為15W/(m2·K)。測(cè)得在發(fā)電機(jī)表面范圍內(nèi)的泄漏熱量損失為20.2kW。采用相同的技術(shù)，在勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)井中測(cè)得熱量損失共為24.05kW。

基于水回路和空氣回路計(jì)算的水力發(fā)電機(jī)組的總損耗值分別為862.9kW和844.9kW。

表5列出了所計(jì)算的效率以及從制造廠家獲得的效率值。通過(guò)比較，可知所計(jì)算出的效率值與制造廠家的標(biāo)準(zhǔn)效率值具有非常好的一致性。

表5 發(fā)電效率值對(duì)比

7 結(jié) 論

本文提出了一種將基于紅外熱成像的量熱法應(yīng)用于水力同步電機(jī)效率測(cè)定的方法。該方法利用紅外熱成像法可快速測(cè)得連續(xù)范圍內(nèi)水力發(fā)電機(jī)表面的熱損耗，提高了量熱法的測(cè)量速度、測(cè)量精度，同時(shí)避免了在水力發(fā)電機(jī)表面布設(shè)大量接觸式溫度傳感器，降低了效率測(cè)定的成本。案例分析表明，該方法所測(cè)的的效率值與標(biāo)準(zhǔn)值具有較強(qiáng)的一致性，具有推廣使用的價(jià)值。

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