黃波，田海平，寇攀高

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

每提高0.1%水輪機(jī)的效率都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為了保障水輪機(jī)在高效率區(qū)工作，在水輪機(jī)組新投運(yùn)或改造后，有必要對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行效率試驗(yàn)。試驗(yàn)主要包括工作水頭測量、功率測量、流量測量。其中流量測量是效率試驗(yàn)中最重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)測量難度最大，工作量最多。目前國內(nèi)水輪機(jī)效率試驗(yàn)常采用的流量測量手段有流速儀法、蝸殼差壓法、超聲波測流法等〔1-2〕。

流速儀法可方便測出過水?dāng)嗝娴母鱾€(gè)測點(diǎn)流速值，但前期安裝及后期數(shù)據(jù)處理工作量大;蝸殼差壓法操作簡單但率定流量系數(shù)困難，且在多次效率試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些機(jī)組蝸殼差壓均值較小，波動(dòng)值卻較大，難以保證測量精度;超聲波測流法可以直接測量出水輪機(jī)流量，且安裝方便，操作簡單。

1 超聲波測流原理

超聲波測流法依據(jù)測量原理可以分為傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪聲法、漩渦法、相關(guān)法，其中傳播速度差法按測量物理量不同又可以分為時(shí)差法、相位差法和頻差法〔2〕。目前應(yīng)用于水電廠的超聲波流量計(jì)一般都采用時(shí)差法。

時(shí)差法測流按布置形式可以分為“Z”型、“V”型、“N”型等。

本文就“Z”型布置方式進(jìn)行討論，其原理如圖1。超聲波傳感器A與B徑向?qū)ΨQ外夾于壓力鋼管外壁。鋼管內(nèi)徑為d，鋼管壁厚為δ，其中d＞＞δ，傳感器A與傳感器B的傳輸距離為d/cosθ。超聲波在管壁及傳感器內(nèi)部傳輸，需要一定時(shí)間，即為延遲時(shí)間τ0，τ0遠(yuǎn)小于超聲波在鋼管內(nèi)的傳輸時(shí)間。設(shè)超聲波在水體內(nèi)的傳播速度為c，鋼管水流速度為V，鋼管過流量為Q。

圖1 “Z”型布置原理圖

超聲波順流由傳感器A傳輸?shù)絺鞲衅鰾，傳輸時(shí)間為t1:

超聲波逆流由傳感器B傳輸?shù)絺鞲衅鰽，傳輸時(shí)間為t2:

由式 (1)和式 (2)可得超聲波順流和逆流的時(shí)差Δt:

由于c2?V2sin2θ，可得:

因此通過測量超聲波順流和逆流的時(shí)間差即可以計(jì)算出鋼管內(nèi)的水流速度及流量。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)基本情況

主設(shè)備基本參數(shù):水輪機(jī)型號(hào)HLA5511C-LJ-134，額定轉(zhuǎn)速375 r/min，額定水頭31.7 m，額定流量為12.07 m3/s;發(fā)電機(jī)型號(hào)SF3300-16/3050，額定出力3 300 kW，額定效率95%。

2.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)場測量內(nèi)容包括水頭測量、功率測量、流量測量。

通過取蝸殼進(jìn)口斷面總能頭與尾水管出口斷面總能頭相減進(jìn)行水頭測量。由于現(xiàn)場尾水管出口測點(diǎn)表計(jì)安裝位置高于尾水位，不能采集到尾水管出口水壓信號(hào)，并且尾水管出口直接入下游，因此將下游水位代替尾水管出口斷面總能頭。

流量測量采用超聲波測流法。通過現(xiàn)場勘查，機(jī)組蝶閥前有一段明鋼管，適合于進(jìn)行超聲波傳感器測點(diǎn)布置。選用的超聲波流量計(jì)，適用管徑6～6 500 mm，流速測量范圍0.01～25 m/s，采集精度為1%。根據(jù)現(xiàn)場情況，決定采用“Z”型布置方式?，F(xiàn)場測量出鋼管外徑1 796.2 mm，鋼管壁厚13.7 mm，計(jì)算出傳感器探頭安裝軸向距離為564mm。

2.1.2 試驗(yàn)情況

現(xiàn)場進(jìn)行36.8 m毛水頭下不同負(fù)荷工況的效率試驗(yàn)。

在一個(gè)工況中，功率的波動(dòng)值不超過平均功率的±1.5%，水頭的波動(dòng)值不超過平均水頭的±1%，頻率的波動(dòng)值不超過額定頻率的±0.5%。

在所有情況下，每個(gè)工況的工作水頭均值H及頻率均值f與規(guī)定值偏差應(yīng)該滿足下列要求:0.8≤H/Hsp≤1.2;0.9≤(f/fsp)≤1.1;0.99≤(f/≤1.01;其中fsp為額定頻率，即為50 Hz;Hsp為換算水頭。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，功率因素始終保持為1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中工作水頭范圍為33.93～35.49 m，平均工作水頭為34.84 m，為了便于評(píng)價(jià)，需將試驗(yàn)過程中各工況下的測試結(jié)果換算至同一水頭，本文選擇平均工作水頭34.84 m，試驗(yàn)結(jié)果匯總見表1。根據(jù)表1，可以繪制出34.84 m工作水頭下的水輪機(jī)、耗水率、效率特性曲線圖，見圖2。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖2 水頭34.84 m效率、耗水率特性曲線

數(shù)據(jù)表明:34.84 m工作水頭下，機(jī)組最高效率為92.66%，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)出力為3.95 MW，水輪機(jī)耗水率為11.38 m3/kWh。機(jī)組在3 MW以上負(fù)荷為高效區(qū)，宜保持在3 MW以上負(fù)荷運(yùn)行。

3 試驗(yàn)總結(jié)

從試驗(yàn)過程中流量數(shù)據(jù) (見圖3)可見，在每一工況下流量數(shù)據(jù)離散性很小，說明超聲波測流穩(wěn)定性很好;換算后的流量特性曲線、耗水率特性曲線、效率特性曲線也符合水輪機(jī)性能規(guī)律。同時(shí)對(duì)比34.84 m水頭下的原型水輪機(jī)效率曲線與模型水輪機(jī)效率曲線 (見圖4)，兩者變化規(guī)律基本一致。由此可見，超聲波測流法在水輪機(jī)效率試驗(yàn)中準(zhǔn)確可靠。

圖3 試驗(yàn)過程流量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中的問題及注意事項(xiàng):機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)流量測量值的離散性較高負(fù)荷區(qū)大。在低負(fù)荷區(qū)，機(jī)組處于水力振動(dòng)區(qū)，水流較為紊亂，流道內(nèi)存在橫流、旋流、逆流，流量波動(dòng)較大;在高負(fù)荷區(qū)，水流較為平順，流量波動(dòng)較小。

圖4 原型效率曲線與模型效率曲線對(duì)比

安裝超聲波傳感器時(shí)，應(yīng)該將管壁外壁打磨光滑，傳感器表面應(yīng)涂上足夠的聲耦合劑，并固定與管壁緊密接觸，確保傳感器與管壁之間無氣泡。

現(xiàn)場同時(shí)還進(jìn)行了其他機(jī)組的效率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用“V”型布置，一定要確保2個(gè)超聲波傳感器在一條直線上，相比“Z”布置調(diào)試較為困難。

4 結(jié)束語

超聲波測流法準(zhǔn)確可靠，并且現(xiàn)場安裝簡便、實(shí)時(shí)性好、不干擾流場，可以很好地應(yīng)用到水輪機(jī)效率試驗(yàn)中。但超聲波測流法由于測量條件的限制，要求機(jī)組有一段足夠長的直管段，而對(duì)于一些短流道、變截面的軸流式、貫流式機(jī)組難以滿足，如何將超聲波測流法應(yīng)用到這類機(jī)組將有待研究。

〔1〕趙弦.水輪機(jī)效率測試系統(tǒng)研究〔D〕.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

〔2〕劉曉亭.水力機(jī)組現(xiàn)場測試手冊(cè)〔M〕.北京:水利水電出版社，1993.

〔3〕劉麗珺.基于時(shí)差法的超聲波流量測試系統(tǒng)研究〔D〕.浙江理工大學(xué)，2009.