蜗壳差压测流量的应用

郝临景

北京十三陵蓄能电厂,北京 102200

蜗壳差压测流量的应用

郝临景

北京十三陵蓄能电厂,北京 102200

蜗壳差压的流量系数C与导叶开度和水头变化无关，这使得蜗壳差压测流量应用起来很方便。实践过程中我们首先用效率试验的逆过程来验证此种方法的可行性，然后用高精度的超声波流量计作对比试验，得到蜗壳差压的流量系数C。

蜗壳差压；超声波流量计；系统标定；流量

0 引言

十三陵蓄能电厂#3机大修要对#2水道进行排空检查。为防止排水速度过快导致高压钢管受损，要求实时监测机组的排水流量。另外，在机组状态监测和水轮机效率试验中，水轮机流量是必不可少的数据之一。

1 蜗壳差压法监测机组排水流量的可行性分析

1.1 理论上流量与蜗壳差压之间的关系

我们考虑用蜗壳差压法监测机组排水流量，现在的条件是：蜗壳差压变送器输出的4～20mA的模拟量送到监控，显示一个差压值。我们之所以选择蜗壳差压法，是因为它的原理比较简单，精度能满足要求，常为水电站采用。其原理是具有一定流速的水流流经水轮机蜗壳时，由于蜗壳中心线弯曲，水流在弯曲流道上产生离心力，使得蜗壳内、外缘两点间产生压力差，根据伯努利方程：

由连续性方程：

p'1p'2——流体在两个截面的静压力；

v1v'2——流体在两个截面的平均流速；

ρ——流体（不可压缩）密度；

g——重力加速度；

S1S2——两个截面的截面积。

可以推导出通过水轮机的流量与蜗壳差压之间的关系：

1.2 通过水轮机效率试验验证这种关系

为了验证测压孔安装准确，实践中蜗壳差压可以反映水轮机相对流量，我们作了水轮机工况实验。根据水力发电的基本方程：

P=9.81HQ；

P——水流的理论出力；

H——水轮机的平均水头；

Q——水轮机流量。

可以看出，如果蜗壳差压可以反映水轮机相对流量，那么在短时间内，即水头变化很小的情况下，差压变送器输出电流就应该和有功功率成线性关系。

因此，用SFC将蜗壳差压变送器由线性输出改为开方输出，回路中串接电流表，监视变送器4～20mA电流输出。

将数据生成关系曲线便可以看出二者成线性关系，即蜗壳差压可以反映水轮机相对流量。

2 流量系数C的标定

然而这个流量究竟是多少呢？由于水流流态复杂，且产生差压的部件制作工艺及安装条件的差异难于采用理论计算的方法确定差压与流量的关系，但装置选定后，可采用公认的测量技术对该差压测流系数进行标定，即计算出式（1）中的流量系数C，从而保证流量结果的精确度。

2.1 标定工具选择

十三陵蓄能电厂采用的这种公认的测量技术是超声波频差法测量流量。它是通过测量顺流和逆流时超声波的重复频率差来测量流量的，与声速无关，因而可以排除流体各物理参数对测量结果的影响。

我们采用的设备是美国ORE公司生产的7500型超声波流量计，配有7601型超声波换能器和7520型终端。流量通过测量压力钢管上多对声波换能器之间声脉冲传播时间差而确定。十六只7610型声波换能器在压力钢管四个不同高度的弦上构成八组水平声道。换能器对构成两个相交的平面。每个平面与流动方向形成65°的标称角。所有换能器必须用精密经纬仪精确的确定它们在压力钢管上的位置。换能器布置图略。

然后将声道长度、角度和压力钢管平均半径值输入到流量计。已知声道长度、夹角以及声波沿声道的传播时间差，则可以计算各个点的速度，采用十字交叉声道时，可以确定一个趋于真值的平均速度矢量。利用这种十字交叉平面布置，当平均流线与钢管中心线不平行时，测得的流量值比单个测量平面布置得到的流量值准确。对每个声道测得的流速沿压力钢管的截面积积分，便得到流量。

2.2 标定过程

下面我们通过#4机组性能试验说明一下蜗壳差压变送器的标定过程。

首先，将蜗壳差压变送器测得的差压值和超声波流量计测得的水轮机流量转换成4～20mA的电流输出，接入录波仪，选择发电工况开机，采集的数据。将采集到的离散数据输入计算机，形成趋势线，再用乘幂法拟合得到关系式：水轮机流量＝5.1436×蜗壳差压值0.4897。

由上可以看出对照式一的系数5.1436偏大。所以，我们又将蜗壳差压值开方处理后输入计算机，得到蜗壳差压和流量之间的关系曲线。二者成线性关系，其关系式：水轮机流量=4.8261×蜗壳差压值0.5+0.7917对比式一Q=C×D0.5，我们可以得出流量系数C≈4.8261(该曲线未过（0，0）点属于随机误差，可以忽略)。

利用得到的流量系数，在监控DCS上进行组态，我们就可以在监控画面上实时监视到机组流量了。

3 应用效果

实践过程中这一技术在十三陵蓄能电厂#2水道排空作业中起到关键作用，运行人员在中控室就可以实时监控排水流量。机组大修后这个流量信号直接接到状态监测装置上，为其提供了必不可少的数据。实践证明这个方法行之有效，其它机组可以采用同样的方法测量水轮机流量。在推广过程中，我们发现了#3机蜗壳差压测压孔取错了，并利用大修机会及时作了纠正。

4 结论

1）蜗壳差压测流量适用性强。由于超声波流量计换能器要求安装精度高，与之对应的工作环境又十分恶劣，加之多次检修球阀需要拆装换能器，导致中心偏离产生噪声干扰，所以超声波流量计试用于新装机组的高精度标定，不适合日常计量使用。相反，差压变送器一经标定，便可以部分的代替超声波流量计的功能。其数据可以直接应用于水轮机组状态监测，为效率试验提供可靠数据。

2）经济性好。水轮机组安装完毕后，蜗壳差压变送器测压孔通常已经预留好了，无须安装新设备，日常维护量几乎等于零。

3）可以作超声波流量计的比对依据，由于蜗壳差压测流量的原理独特，可以作为检修后的超声波流量计的校验依据。

[1]李军，贺庆之.监测技术及仪表.

[2]十三陵蓄能电厂调试手册.

[3]VOITH水泵水轮机性能试验报告.

[TM622]

A

1674-6708（2010）24-0167-02

郝临景，工程师，工作单位：北京十三陵蓄能电厂，从事水电机组检修工作，研究方向：电力系统自动化