曲立娜　負(fù)劍虹

摘要：根據(jù)美國(guó)Accusonic公司18聲路大口徑超聲波流量計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合三峽水利樞紐地下電站30號(hào)機(jī)組和31號(hào)機(jī)組的測(cè)流需求，建立了一套實(shí)時(shí)有效的流量測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在線效率計(jì)算與分析，并給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案及技術(shù)實(shí)現(xiàn);可在系統(tǒng)中對(duì)機(jī)組流量計(jì)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以通過獨(dú)立設(shè)計(jì)的切換箱控制現(xiàn)地單元來讀取其他機(jī)組流量計(jì)裝置的換能器所測(cè)量到的信號(hào);同時(shí)還能結(jié)合人機(jī)界面進(jìn)行在線計(jì)算水輪機(jī)效率、繪制效率曲線及管道流態(tài)分布圖等。運(yùn)用該系統(tǒng)，對(duì)三峽水利樞紐電站機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)效率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)的測(cè)流精度和所提供的數(shù)據(jù)完全能夠滿足試驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞：流量測(cè)量;水輪機(jī)效率;超聲波流量計(jì);Modbus協(xié)議;地下電站;三峽水利樞紐

中圖法分類號(hào)：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.030

1背景介紹

三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程，安裝有32臺(tái)700MW的巨型水輪發(fā)電機(jī)組[1]。為了保證這個(gè)大型水利工程能夠合理利用水資源和進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，必須獲取機(jī)組的水輪機(jī)效率。水輪機(jī)效率是保證水輪機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)、也是水電站機(jī)組檢修后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的重要技術(shù)指標(biāo)。實(shí)時(shí)流量、水頭等都是計(jì)算水輪機(jī)效率的重要參數(shù)。超聲波流量計(jì)是當(dāng)前水電站流量測(cè)量的最佳技術(shù)手段，因其高精度、高可靠性適用于大型圓形管道和矩形管道，而且原理上不受管徑的限制，因而在當(dāng)前大流量測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[2]。與計(jì)算機(jī)通信等信息技術(shù)相結(jié)合，可以建立一套有效的效率測(cè)量分析系統(tǒng)，以便對(duì)機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)并提供反應(yīng)機(jī)組特性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到科學(xué)用水和實(shí)現(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的[3-5]。

2水輪機(jī)流量測(cè)量與效率計(jì)算

2.1水輪機(jī)效率計(jì)算公式

首先，計(jì)算出機(jī)組的效率，機(jī)組效率計(jì)算公式如下：

公式

式中，V為機(jī)組效率，%;P為機(jī)組的有功功率，W;ρ為水的密度，kg/m3;g為加速度，m/s2;Q為水輪機(jī)的過水流量，m3/s;H為工作水頭，m，其中，H=Hj+Hz，Hj為凈水頭，Hz為動(dòng)水頭，單位均為m[6-7]。

水輪機(jī)效率計(jì)算公式如下：

公式

式中，Y為水輪機(jī)的效率，%;V為機(jī)組的效率，%;η為發(fā)電機(jī)的效率，%。

通過公式（1）中機(jī)組效率計(jì)算公式可以看出，水輪機(jī)的過水流量Q是計(jì)算水輪機(jī)效率的一個(gè)重要參數(shù)，也是流量測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2.2水輪機(jī)流量測(cè)量裝置的選擇

三峽水利樞紐中的流量過流斷面尺寸巨大，地下電站引水蝸殼壓力鋼管進(jìn)口的最大直徑為12.4m。從進(jìn)口開始，斷面逐漸縮小，截面半徑從6.2m到2.1m不等，尺寸及重量均為國(guó)內(nèi)之最，由壩體進(jìn)水口延伸到下游水輪機(jī)蝸殼的前部，管內(nèi)的水流流速約為0～8.5m/s之間。三峽水利樞紐電站的初期水頭為61～94m，后期水頭為71～113m，每年汛前庫(kù)水位降到145m時(shí)，水頭變幅很大。地下電站水輪機(jī)的額定流量大約為900m3/s，最大流量約為1020m3/s。綜合考慮到地下電站現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件及測(cè)量精度、流態(tài)多變等問題，最終地下電站30，31號(hào)機(jī)組采用了美國(guó)Accusonic公司生產(chǎn)的型號(hào)為7500的大口徑18聲路內(nèi)敷式超聲波流量計(jì)裝置來測(cè)流，并針對(duì)該裝置開發(fā)出了流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)軟件[8-9]。

3流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)整體構(gòu)架

3.17500超聲波流量計(jì)裝置的組成

7500流量計(jì)裝置由2臺(tái)現(xiàn)地單元組成，分別是7500主機(jī)A，7500從機(jī)B（以下簡(jiǎn)稱7500A，7500B），7500A帶有數(shù)據(jù)顯示功能。每臺(tái)機(jī)組均由36支換能器組成18聲路布置在蝸殼前的壓力鋼管上，使用高強(qiáng)度防水銅軸電纜，將換能器測(cè)量的信號(hào)分別連接到7500的主機(jī)和從機(jī)上。7500主機(jī)和從機(jī)通過RS-485總線實(shí)現(xiàn)與流量測(cè)量和效率分析系統(tǒng)主機(jī)柜的通訊。7500系列流量計(jì)的通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議，從流量計(jì)裝置獲取的信號(hào)量包含有機(jī)組流量、流速、聲速及增益等。同時(shí)，為了防止流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障而不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，7500流量計(jì)的主機(jī)會(huì)將流量數(shù)據(jù)以模擬量的方式發(fā)送到機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)作為備用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。換能器具體的安裝布置如圖1所示。

3.230號(hào)或31號(hào)機(jī)組與28號(hào)機(jī)組流量計(jì)裝置實(shí)現(xiàn)相互測(cè)量

地下電站的30，31號(hào)機(jī)組采用相同的流量計(jì)裝置和測(cè)流系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)流。28號(hào)機(jī)組的整個(gè)流量計(jì)裝置和測(cè)流系統(tǒng)采用的是其他生產(chǎn)廠家的。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)的需要，也為了使流量測(cè)量能夠得到更加高精度的數(shù)據(jù)，3臺(tái)機(jī)組流量計(jì)現(xiàn)地單元的設(shè)計(jì)在安裝上與其他機(jī)組不同。30號(hào)或31號(hào)機(jī)組的流量計(jì)裝置主機(jī)通過切換箱的切換，可以接收到28號(hào)機(jī)組流量計(jì)裝置的換能器所送上來的信號(hào)。同理，28號(hào)機(jī)組的流量計(jì)主機(jī)也可以接收到30號(hào)或31號(hào)機(jī)組流量計(jì)裝置的換能器所送上來的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)互測(cè)功能。不同廠家流量計(jì)裝置的主機(jī)可以去測(cè)量其他流量計(jì)裝置的換能器信號(hào)，流量計(jì)主機(jī)的測(cè)量精度是不同的，這樣更能反映出真實(shí)的流量值。

在三峽水利樞紐電站所有機(jī)組的測(cè)流系統(tǒng)中，這3臺(tái)機(jī)組是唯一采用了該設(shè)計(jì)方案的。其安裝連接情況如圖2所示。

3.3流量測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由水輪機(jī)的效率計(jì)算公式可以看出，水輪機(jī)的流量、工作水頭、有功等是計(jì)算水輪機(jī)效率不可缺少的重要參數(shù)，也是流量測(cè)量系統(tǒng)必須要獲取的。因此，測(cè)流系統(tǒng)需要與機(jī)組LCU（現(xiàn)地控制單元）、機(jī)組振擺等采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相互共享。

為了方便水輪機(jī)效率相關(guān)數(shù)據(jù)的管理，在本系統(tǒng)中，將30號(hào)31號(hào)機(jī)組和28號(hào)機(jī)組的數(shù)據(jù)全部在一個(gè)人機(jī)界面中統(tǒng)一進(jìn)行處理。同時(shí)，采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)的主機(jī)，系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖3所示。

4流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

4.1系統(tǒng)對(duì)外通訊功能

系統(tǒng)中的通信方式全部采用Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議[10-11]

（1）作為Modbus主站，系統(tǒng)與流量計(jì)主機(jī)和從機(jī)進(jìn)行通訊，獲取流量等數(shù)據(jù);同時(shí)，可以向流量計(jì)裝置的主機(jī)寫入、修改控制參數(shù)，對(duì)流量計(jì)裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（2）作為Modbus從站，系統(tǒng)與機(jī)組LCU通訊，獲取來自機(jī)組的凈水頭、有功、無功、導(dǎo)葉開度以及蝸殼壓力差等數(shù)據(jù)。

（3）作為Modbus主站，系統(tǒng)與振擺通訊，獲取振擺輸出的凈水頭。

（4）作為Modbus從站，系統(tǒng)將采集到和計(jì)算出的幾個(gè)能反應(yīng)機(jī)組特性的數(shù)據(jù)，比如水輪機(jī)效率、耗水率、累計(jì)流量，累計(jì)漏水量等傳送給機(jī)組LCU。

（5）在電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行效率試驗(yàn)的時(shí)候，測(cè)流系統(tǒng)作為Modbus的主站，通過網(wǎng)絡(luò)方式將30號(hào)機(jī)組和31號(hào)機(jī)組的數(shù)據(jù)與28號(hào)機(jī)組流量計(jì)采集到的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，把本機(jī)測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳送給對(duì)方。

4.2人機(jī)界面功能

系統(tǒng)能夠提供方便、直觀的界面操作，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）可通過界面直接對(duì)流量計(jì)裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)裝置的遠(yuǎn)程控制;

（2）可以在線計(jì)算水輪機(jī)效率，并實(shí)時(shí)顯示;

（3）根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)組水流斷面可以實(shí)時(shí)繪制出流態(tài)分布圖并顯示出來;

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與所有外界設(shè)備進(jìn)行通訊的通訊狀態(tài);

（5）在界面中可進(jìn)行人工設(shè)置參數(shù)，自動(dòng)繪制出各種能反映機(jī)組特性的曲線圖;

（6）在界面中完成歷史數(shù)據(jù)的查詢與導(dǎo)出;

（7）可以實(shí)時(shí)顯示每一臺(tái)機(jī)組的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索功能

系統(tǒng)中采用輕型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite來管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索、統(tǒng)計(jì)分析等，相比大型商用數(shù)據(jù)庫(kù)，其讀寫速度更快，便于維護(hù)。同時(shí)，還創(chuàng)建了以Mem-cached作為高速緩存與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)同工作的模式，將采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件內(nèi)部計(jì)算、分析處理后寫入高速緩存，由相應(yīng)的后臺(tái)服務(wù)端進(jìn)行讀寫，即寫入歷史庫(kù)和前端界面顯示。

歷史庫(kù)提供豐富的數(shù)據(jù)記錄功能，以不同時(shí)間間隔提供兩種記錄數(shù)據(jù)的方式。一種是按照每一秒鐘存儲(chǔ);一種是按照每小時(shí)存儲(chǔ)，以方便對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并生成報(bào)表。提供不同的數(shù)據(jù)查詢方式并以表格的方式導(dǎo)出，可按機(jī)組查詢，也可按與流量、效率相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類查詢。同時(shí)，為了數(shù)據(jù)能長(zhǎng)期安全保存，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)對(duì)歷史庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份[12-13]。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過程如圖4所示。

5流量測(cè)量精度與模型數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)中流量計(jì)的測(cè)量精度和水輪機(jī)模型計(jì)算流量的試驗(yàn)結(jié)果，在特定的工作水頭下，對(duì)31號(hào)機(jī)組進(jìn)行了變負(fù)荷試驗(yàn)，并由流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)記錄下整個(gè)過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過人工設(shè)置后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取到一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工況狀態(tài)下的流量數(shù)據(jù)，從中選擇幾組特征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)表1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在特定的試驗(yàn)水頭下，流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)采集上來的流量數(shù)據(jù)和模型試驗(yàn)計(jì)算出來的流量數(shù)據(jù)之間的誤差較小，在0.7%以內(nèi)[14-15]。這也說明了模型計(jì)算流量試驗(yàn)的準(zhǔn)確度[16-18]。

另外，根據(jù)選取的31號(hào)機(jī)組在特定水頭下的實(shí)測(cè)9組流量數(shù)據(jù)和模型計(jì)算的流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出了水輪機(jī)的效率，并繪制出了真機(jī)效率曲線和模型效率曲線的擬合圖，如圖5所示。由圖5可以看出，模型流量數(shù)據(jù)計(jì)算出來的水輪機(jī)效率和根據(jù)實(shí)測(cè)流量計(jì)算出來的水輪機(jī)效率非常接近，誤差很小。同時(shí)，也證實(shí)了機(jī)組流量測(cè)量的精度對(duì)效率計(jì)算的影響程度[19-20]。

6結(jié)語(yǔ)

三峽水利樞紐地下電站水輪機(jī)流量測(cè)量與效率分析系統(tǒng)是在采用了國(guó)外廠家生產(chǎn)的流量計(jì)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)出來的。該系統(tǒng)具有與機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、振擺系統(tǒng)以及其他機(jī)組測(cè)流裝置進(jìn)行通訊的功能，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組流量計(jì)裝置的遠(yuǎn)程控制，完成機(jī)組流量相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、效率計(jì)算、流態(tài)分布的曲線繪制、數(shù)據(jù)分析以及導(dǎo)出等功能。系統(tǒng)需求和測(cè)量精度完全能夠滿足水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)的要求，具有通用性和擴(kuò)展性。而且一臺(tái)機(jī)組的現(xiàn)地單元通過控制可以去讀取其他機(jī)組安裝的不同廠家流量計(jì)裝置的換能器的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)組、不同廠家流量計(jì)之間的互測(cè)。在國(guó)內(nèi)的水電站機(jī)組測(cè)流中，該系統(tǒng)是唯一采用了該設(shè)計(jì)方式的。

系統(tǒng)在三峽水利樞紐地下電站安裝投運(yùn)以來，運(yùn)行狀況穩(wěn)定，數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確，為電站的日常監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)提供了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保障了電站科學(xué)合理的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)，三峽水利樞紐電站也是在國(guó)內(nèi)首次使用了大口徑18聲路超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)流的，它的成功運(yùn)行，可為其他電站流量測(cè)量系統(tǒng)的建立提供技術(shù)參考。

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引用本文：曲立娜，貪劍虹.三峽水利樞紐地下電站機(jī)組流量測(cè)量與效率分析[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（4）：172-175.

Flow measurement and efficiency analysis on underground powerhouse in Three Gorges Projec

QU Lina，YUN Jianhong

（1.Nanjing Sunrise Electric System Control Co.Ld.，Nanjing 210003，China;2.Shanxi Water and Power Survey and DesignInstitute，Xi' an 710000，China）

Abstract：Given the technical features of the 18 acoustical circuit large diameter ultrasonic flow meters that are manufacturedby Accusonic，an US company，and in order to measure water flow for unit 30 and unit 31 of Three Gorges underground hydropower station，a set of real time and effective flow measurement system was established.The system is able to conduct on-lineefficiency calculation and analysis.This paper introduces the overall design scheme as well as technical implementation.The system can remotely control unit flow meter device and read the signal captured by the transducer of other unit flow meter through independently-designed locale control unit of switching box.At the same time，we can calculate the efficiency of hydraulic turbine，plot the efficiency curve and the scattergram of the distribution of pipeline flow regime by a human-machine interface，andetc.The system was used to test the efficiency of the units of Three Gorges underground power station，and the test results showedthat its accuracy and the data fully met the standards.

Key words：flow measurement;turbine efficiency;ultrasonic flow meter;Modbus agreement;underground powerhouse;ThreeGorges hydropower project