水轮发电机实时流量及水头测量实现方法

成汉森

(广东粤海飞来峡水力发电有限公司乐昌峡分公司，广东 乐昌 512200)

1 概 述

乐昌峡水利枢纽工程是广东水利建设重点工程，是一座以防涝为主，结合发电，改善下游灌溉、航运、供水等综合利用的水利枢纽，是北江上游关键性防洪控制工程。乐昌峡水电站的发电厂房为地下式厂房，位于左岸坝肩山体内，电站内安装有3台混流立式水轮发电机组，单机容量44 MW，总装机容量132 MW。为了加强电站技术经济指标考核管理，实现机组流量及用水量在线监测，提高自动化水平和发电效益，经过不断测试和比对，利用水轮机原有的架构进行数据采集，通过数据计算得出机组发电实时流量及水头。

经过运行考验表面，该装置运行稳定可靠，可广泛用于水轮发电机组。

2 流量监测

2.1 水轮机流量监测的意义

随着电力市场的建立和完善，提高水电站经济运行水平、提高企业的经济效益成为企业利润增长的突破口。在来水量和水库库容一定的前提下，尽可能将机组安排于高效率期间运行，降低单位发电量耗水率，是提高水电站经济运行水平的重要途径。

2.2 水轮机流量监测的方法

流量监测的方法主要有电磁法、超声波法、差压法，几种方法各有优缺点；其中差压法是水轮机实时流量监测方法中费用最为节省、安装调试方便，对水轮机组的正常运行几乎不产生影响的方法。根据水轮机厂家的机械结构图纸，乐昌峡水电站的厂房位于大坝左岸的地下，为混流半伞式水轮机组，额定水头42 m，额定转速136.4 r/min。在每台机的金属蜗壳上，设置了蜗壳压力测量断面，安装了相应的测压管，具备实施蜗壳差压法测量流量的条件。

2.3 差压法监测原理

当水流通过截面变化的流道时，其动能和压能会互相转化产生压力差；当水流通过弯道时，动量发生变化也会产生压力差。水流在流动过程中由于摩阻的作用，在不同断面和部位之间同样会产生压力差，这些压力差通过截面的流量存在一定的函数关系；对于水轮发电机，流量Q与蜗壳测流断面内外侧压差P的关系由下式表示[1]：

(1)

式中，ΔH为蜗壳内外侧压差；K为蜗壳流量系数，一般机组建好，K为常数，蜗壳内外侧压差可通过实际测量采集。

乐昌峡水电站蜗壳内外侧压差采集口如下所示(见图1)。

通过2CYB压差变送器可直接简便而精确地测量到蜗壳压差数据，只要能确定蜗壳流量系数，即可以测出水轮发电机的实时流量数据。根据蜗壳设计理论[2]，假设蜗壳中水流没有损失，则水流在蜗壳中的流动符合等速矩规律，可通过伯努利方程式推导出来；该系数是一个常数，不受水流速度及水头的影响。蜗壳流量系数可通过额定水头和额定发电量时的采集数据进行反算，但额定水头难以达到，可通过水轮机厂家的出厂资料查到该数据；但是蜗壳流量系数K会受蜗壳制造、安装阶段和安装条件的制约，产生一定的误差。实际中可根据水情数据得出的某一时间段的平均值，对蜗壳流量系数进行细微调整和校准，以达到最优数据。

3 工作水头监测方法

水轮机工作水头是指水轮机进口断面与尾水管出口断面总单位能量之差，如公式(2)所示[2]：

(2)

V1=Q/F

(3)

式中，α1为动能不平均系数，取为1；Z1为蜗壳进口压力表安装高程(m)；Z2为尾水出口压力表安装高程(m)；P1为蜗壳进口压力(Pa)；P2为尾水出口压力(Pa)；V1为蜗壳进水口断面平均流速(m/s)；V2为尾水管出水口断面平均流速(m/s)；Q为实测流量(m3/s)；g为重力加速度(m/s2)；ρ为水的密度，数值为1.0×103kg/m3；F1为蜗壳进口断面面积(m2)。

其中，蜗壳出口压力与尾水出口压力差可通过压差变送器采集到，水头压差采集口如下所示(见图2)。

将公式(3)进行转换可得

(4)

由于乐昌峡水电站采用的差压变送器采集蜗壳进口压力与尾水管出口压力的压差值，相当于蜗壳进口压力表安装高程与尾水出口压力表安装高程相等，可得：Z1-Z2=0；而P1-P2可直接通过压差变送器1CYB采集得出结果。根据前面得出的机组的实时流量数据，只需要知道蜗壳进口截面积和尾水出口截面积即可以确定V1和V2，截面积可通过机械图纸上查询后计算得出。式中重力加速度及水的密度均为常数，至此参数均可确定，工作水头可以计算得出结果[3]。

4 机组流量及工作水头在线监测系统

监测系统由以下部分构成：压差测量系统、采样变送器、水头流量微机监测仪、上位计算机(见图3)。

差压变送器采集到数据，通过4_20 mA模拟量传送至流量水头测量仪，测量仪通过采集的压差数据换算成流量数据和水头数据再通过4_20 mA数据传送至计算机监控PLC，由此构成整个数据采集系统。

5 现场测试

为了检验测量数据的准确度，针对机组不同工况对数据采集进行现场测试(见表1)[4]。

表1 现场测试数据

由于蜗壳内外压力差相对较小，所以实际流量跟理论流量会有偏差，但偏差值相对较小，可正常采集到实际流量。工作水头因为会有流量损失，所以工作水头会比毛水头偏小一点，采集数据也是比较准确的。以后如有可能，建议采用其他的测流量方法与该数据进行比对，更能检验该装置的测量准确度。

6 实现过程常见问题探讨及处理

差压法测流及净水头，虽然简单实用，但是仅仅靠理论得出的K值及计算出相应的截面积即可实现机组流量及净水头的测量；理论与实践总是存在差异，如设备的选型及灵活的数据选择方式，一个数据选错都会导致测量结果严重失真，这也是乐昌峡水电站建成以来总是无法得到准确数据的原因。

6.1 稳压

由于水轮发电机水流不是一直不变的，机组出力、导叶开度、励磁电流、系统电压等均可能造成该水流出现较大的波动；而蜗壳的压差本身就比较小，这种扰动会导致误差变得非常大。为解决以上矛盾，需要从两个方面来考虑[4]：第一方面是考虑在取压口采取必要的阻尼稳压措施，让其压力差不会因为各种工况的扰动而造成较大的影响。第二方面是选用合适的差压变送器。由于蜗壳流量压差在满负荷低水头的时候压力差也仅仅在十几帕,因此必须选用量程及精度适合的变送器。乐昌峡水电站采用了40 Pa量程的变送器进行采集，增加了稳压管，使得采集的数据相对稳定，确保了数据的准确性。

6.2 安装方法

想要测量较为准确的压力差，第一要确保差压变送器高压及低压管道安装的正确性，不能将较高的压力管道接到变送器低压管道里，反之同理。第二在任何时候测压管内部都不能有空气，防止气堵现象，测量压管要保持畅通、无泄漏；因此在安装完成后要检查管路是否有泄漏，对差压变送器取压口进行排气。最好在管路上安装排水口，因为蜗壳取压口与变送器接口之间的管路较细，管内的水流动性较差，容易产生微生物堵塞的情况；因此加装排水口定期对管内的死水进行排出，可保持管内的畅通。

6.3 测量参数

根据水头测量公式，需要采集到蜗壳进口压力表安装高程及尾水出口压力表安装高程，但实际上将该两个数据输入水头流量效率仪里得到的水头数据是错误的；因为水头的测量采用的也是差压变送器，虽然蜗壳进口取压口和尾水出口取压口相差数十米，但是到了变送器后都是同一水平面，因此该两个高程差应为0，无需考虑。

7 结 语

(1)蜗壳压力差测流量的方法实现简单，不需要加装过多的采集仪器，在水电站中广泛使用；但由于蜗壳压力差本身数据偏小，需要配置合适量程和精度的差压变送器。

(2)采用差压变送器采集蜗壳进水压力与尾水出口压力来测量工作水头的方法可计算出更精确的工作水头；同时需要注意的是该方法不需要考虑两压力采集的高程差，计算更加简便。

(3)微机型监测装置自动化水平高，已取得很好的效果，应在水电站设计和技术改造中大力推广应用。