王樹民

（中國電建海外投資有限公司，北京 100044）

0 前言

水輪機(jī)現(xiàn)場效率試驗(yàn)是水電機(jī)組的基本試驗(yàn)內(nèi)容之一，是新投產(chǎn)機(jī)組或改造機(jī)組現(xiàn)場驗(yàn)收試驗(yàn)的一項(xiàng)重要檢測項(xiàng)目。水輪機(jī)作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它的轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能優(yōu)劣的最重要指標(biāo)，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，因此在機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行前，一般都會(huì)要求對(duì)水輪機(jī)效率進(jìn)行現(xiàn)場測量。通過現(xiàn)場效率試驗(yàn)，獲得該機(jī)組在試驗(yàn)水頭下的效率特性曲線，利用實(shí)測的效率特性曲線與模型試驗(yàn)換算得到的真機(jī)效率特性曲線進(jìn)行比較，就可以檢驗(yàn)水輪機(jī)真機(jī)效率是否滿足設(shè)計(jì)及合同保證值要求。

水輪機(jī)絕對(duì)效率試驗(yàn)主要包括工作水頭測量、功率測量、流量測量，其中水輪機(jī)流量測量是效率試驗(yàn)中測量難度最大、工作量最多的環(huán)節(jié)。大型軸流轉(zhuǎn)槳式或燈泡貫流式水輪機(jī)，由于進(jìn)水流道尺寸較大，這類機(jī)組的流量測定比較困難。常用的水輪機(jī)過機(jī)流量測量方法包括流速儀法和超聲波測流法，流速儀法可方便測出過水?dāng)嗝娴母鱾€(gè)測點(diǎn)流速值，但現(xiàn)場安裝固定較困難且后期數(shù)據(jù)處理工作量大，而超聲波法具有測試相對(duì)簡單、測試數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)大型燈泡貫流式水輪機(jī)現(xiàn)場絕對(duì)效率試驗(yàn)的難點(diǎn)，介紹了基于超聲傳播時(shí)間法的超聲測流裝置在大型燈泡貫流式水輪機(jī)現(xiàn)場絕對(duì)效率測試中的應(yīng)用和特點(diǎn)，并結(jié)合老撾某水電站燈泡貫流式水輪機(jī)現(xiàn)場絕對(duì)效率試驗(yàn)實(shí)例，進(jìn)行了案例分析和總結(jié)，可為行業(yè)同類機(jī)型開展現(xiàn)場效率試驗(yàn)提供有益的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 多聲道超聲測流裝置

1.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)基本原理

時(shí)差法超聲波流量計(jì)通過測量超聲在流體中兩個(gè)方向傳播的時(shí)間差來計(jì)算流體的流速和流量。如圖1所示，一對(duì)換能器以聲道長度L、聲道角φ安裝在流道兩側(cè)，流體中超聲傳播速度C會(huì)與聲道投影流速Vproj=Vcosφ疊加，造成超聲從下游到上游換能器的傳播時(shí)間tu小于從上游到下游換能器的傳播時(shí)間td[1]。

由式（1）可以同時(shí)得到聲道投影速度Vproj和聲速C，進(jìn)而可以得到聲道軸向流速

式（2）中，超聲傳播時(shí)間差Δt=tu-td是時(shí)差法超聲波流量計(jì)最關(guān)鍵的測量參數(shù)。聲道軸向流速的計(jì)算不依賴于聲速，因此介質(zhì)成分及溫度、壓力的變化不會(huì)直接影響流速的測量結(jié)果。燈泡貫流式機(jī)組具有水頭低、水中漂浮物較多等特點(diǎn)，因此，時(shí)差法超聲波流量計(jì)更適用于燈泡貫流式機(jī)組過機(jī)流量的測量。

圖1 超聲傳播時(shí)間法原理示意圖

1.2 多聲道超聲流量計(jì)流量計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常在流道不同的聲道高度Ei上平行布置若干聲道，如圖2所示，每條聲道的聲道軸向流速Vi代表其上下的一定面積內(nèi)的平均流速，利用多個(gè)聲道軸向速度Vi更好的估計(jì)流道的面平均流速V，進(jìn)而通過速度面積法得到流量。

式中，A為流道斷面面積，N為聲道數(shù)。

實(shí)際操作中，通常通過測得流體橫截面不同層面的平均流速Vi來擬合出流體過流斷面的流速分布函數(shù)，引入微積分概念對(duì)流速分布和面積分布進(jìn)行二重積分，計(jì)算得到水輪機(jī)過機(jī)流量Q。

圖2 多聲道超聲流量計(jì)聲道布置

1.3 超聲傳播時(shí)間的測量

對(duì)時(shí)差法超聲流量計(jì)來說，時(shí)間測量精度是最重要的測量參數(shù)之一，因?yàn)楦髀暤懒魉偈峭ㄟ^測量該聲道上下游時(shí)間差來計(jì)算的，所以時(shí)間測量精度不高，時(shí)間差分辨力就差，計(jì)算出的流速就不準(zhǔn)確。目前高精度超聲流量計(jì)的時(shí)間測量精度可達(dá)皮秒（10-12s）級(jí)，不僅保證了高精度測量，同時(shí)也提高了小流量低流速的測量精度，擴(kuò)大了流量計(jì)的量程范圍。另外，時(shí)間測量精度高聲速的分辨力就高，給故障診斷和在線校準(zhǔn)功能的實(shí)施提供了可能性。

時(shí)間測量精度還與接收信號(hào)質(zhì)量有一定關(guān)系。當(dāng)測量傳播時(shí)間時(shí)，要求接收超聲信號(hào)的幅值穩(wěn)定，幅值高于測量電平，這樣就能保證總是能測到第一個(gè)信號(hào)前沿。否則由于接收到的信號(hào)幅值變小，被測到的波有可能是第二個(gè)或第三個(gè)，多出一個(gè)信號(hào)幅寬，測量時(shí)間就會(huì)增加一個(gè)幅寬間隔，這樣波形的幅值不穩(wěn)定也會(huì)帶來時(shí)間測量的誤差，見圖3示意。為解決這一問題，通常采用信號(hào)自動(dòng)增益功能，確保接收信號(hào)的幅值穩(wěn)定，使時(shí)間測量精度得到保證。

圖3 超聲波接收信號(hào)波形圖

1.4 零點(diǎn)調(diào)整與自糾錯(cuò)算法

超聲流量計(jì)的信號(hào)發(fā)射接收系統(tǒng)是一對(duì)換能器。由控制器中的發(fā)射電路發(fā)射脈沖電信號(hào)通過信號(hào)電纜到一側(cè)的發(fā)射換能器上，換能器探頭把脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成聲能傳播給對(duì)面的換能器，對(duì)面的換能器把接收到的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。同一個(gè)聲道的換能器能在發(fā)射和結(jié)算狀態(tài)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。同時(shí)流量計(jì)可在無流速狀態(tài)下檢測零點(diǎn)穩(wěn)定度和延時(shí)時(shí)間的比對(duì)來進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整和自校準(zhǔn)。

流量計(jì)工作時(shí)，1 s發(fā)射脈沖信號(hào)的數(shù)量、波幅、幅寬是可以設(shè)定的，通過在線監(jiān)測上述參數(shù)可以監(jiān)控流量計(jì)信號(hào)發(fā)射與接收狀態(tài)，并根據(jù)測到的信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行診斷、評(píng)估、糾錯(cuò)及報(bào)警。

2 水輪機(jī)現(xiàn)場效率測量

2.1 參數(shù)確定

水輪機(jī)效率計(jì)算公式如下：

式中：Pg為發(fā)電機(jī)有功功率，PT為水輪機(jī)輸入功率，ρ為水密度，Q為水輪機(jī)過機(jī)流量，H為水輪機(jī)工作水頭，ηg為發(fā)電機(jī)效率。

根據(jù)水輪機(jī)效率計(jì)算公式，要試驗(yàn)確定水輪機(jī)效率，需要現(xiàn)場測定發(fā)電機(jī)輸出功率、水輪機(jī)流量和水輪機(jī)水頭3個(gè)參數(shù)。發(fā)電機(jī)效率可通過現(xiàn)場實(shí)測或根據(jù)廠家提供的發(fā)電機(jī)效率曲線查取，水的密度和當(dāng)?shù)刂亓铀俣劝船F(xiàn)場條件，在IEC60041附錄E《物理數(shù)據(jù)表》中查得。

2.2 發(fā)電機(jī)輸出功率Pg的測量

發(fā)電機(jī)輸出功率采用三相三線有功功率變送器測量，功率變送器精度0.2級(jí)，CT、PT可采用電站現(xiàn)用的CT、PT。CT、PT的低壓側(cè)接入有功功率變送器通過一次轉(zhuǎn)換器輸出為與被測參量成函數(shù)關(guān)系的模擬量信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)傳輸系統(tǒng)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 水輪機(jī)流量Q的測量

在水輪機(jī)進(jìn)水流道水平段安裝多聲道超聲流量計(jì)進(jìn)行水輪機(jī)絕對(duì)流量Q的測量，測量方法滿足IEC60041：1991（GB/T 20043-2005）和GB/Z 35717-2017規(guī)程要求[2，3]，考慮到燈泡貫流式機(jī)組進(jìn)水流道直管段短、流態(tài)復(fù)雜的特點(diǎn)，采用5×5交叉10聲道超聲流量計(jì)進(jìn)行測量；超聲流量計(jì)的換能器采用內(nèi)貼式安裝，在試驗(yàn)前提前進(jìn)行安裝，并對(duì)流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，聲道布置及安裝位置見圖4流道剖面圖所示。

同時(shí)為校驗(yàn)機(jī)組流量的差壓測量系統(tǒng)，在測量水輪機(jī)絕對(duì)過機(jī)流量時(shí)，對(duì)機(jī)組差壓測流點(diǎn)的差壓進(jìn)行同步測量，以用來標(biāo)定機(jī)組差壓流量計(jì)系數(shù)，方便日后流量監(jiān)測和測量使用。

圖4 超聲流量計(jì)換能器安裝布置示意圖

2.4 水輪機(jī)工作水頭H的測量

水輪機(jī)水頭采用測取燈泡頭進(jìn)口和尾水出口的壓差，按下式計(jì)算：

2.5 現(xiàn)場測量

根據(jù)上游庫水位情況，以及通過開機(jī)臺(tái)數(shù)控制下游尾水位，確定4個(gè)試驗(yàn)水頭，在機(jī)組最大水頭、最小水頭、額定水頭及中間水頭附近4個(gè)水頭下，按選定的工況點(diǎn)開展水輪機(jī)出力和效率試驗(yàn)，同步采集記錄機(jī)組轉(zhuǎn)速、有功功率、水頭、流量、導(dǎo)葉開度、流道進(jìn)口壓力、尾水壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

以最大水頭附近的試驗(yàn)水頭的測量結(jié)果為例，試驗(yàn)結(jié)果匯總表如表1所示，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，得到水輪機(jī)絕對(duì)效率與機(jī)組有功功率的曲線圖，如圖5所示。

表1 水輪機(jī)效率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1及圖5可以看出，在試驗(yàn)水頭下，實(shí)測水輪機(jī)效率隨功率的變化趨勢與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；試驗(yàn)最高效率為95.34%，與廠家提供的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線查得試驗(yàn)水頭下對(duì)應(yīng)的最高效率95.28%基本一致。

圖5 不同功率下水輪機(jī)效率測量結(jié)果

3.2 誤差分析

水輪機(jī)效率試驗(yàn)總誤差由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差組成，由下式計(jì)算得到：

3.2.1 系統(tǒng)誤差

水輪機(jī)效率試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差由相關(guān)測試設(shè)備的精度決定。根據(jù)水輪機(jī)效率計(jì)算公式（公式4），效率試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差包括流量測量誤差、水頭測量誤差、功率測量誤差、數(shù)據(jù)采集設(shè)備誤差四部分，由下式計(jì)算得到：

（1）流量測量誤差

水輪機(jī)流量采用交叉5聲道（10聲道）超聲波流量計(jì)進(jìn)行測量，試驗(yàn)前對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了現(xiàn)場標(biāo)定，測量流道尺寸、對(duì)應(yīng)探頭角度等，計(jì)算得到超聲波流量計(jì)的測量誤差。根據(jù)流量計(jì)測量原理，其測量誤差來源主要包括幾何參數(shù)測量、時(shí)間參數(shù)測量和流速代表性，根據(jù)本次試驗(yàn)現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果：

（1）流道尺寸測量誤差uD=0.074%

（2）聲道距離測量誤差uL=0.016%

（3）聲道投影測量誤差ud=0.22%

（4）傳播時(shí)間測量誤差uT=0.069%

（5）流速積分計(jì)算誤差u∫=0.44%

得到流量測量誤差為：

（2）水頭測量誤差

試驗(yàn)過程中選用DRUCK UNIK5000型壓力傳感器，測量蝸殼進(jìn)口與尾水出口壓力值，傳感器精度為0.1%。水頭測量誤差為：

（3）功率測量誤差

有功功率變送器為0.2級(jí)，試驗(yàn)用電壓互感器和電流互感器為0.2級(jí)，故功率測量誤差為0.35%。

（4）數(shù)據(jù)采集設(shè)備測量誤差

數(shù)據(jù)采集儀選用美國NI CompactDAQ9185網(wǎng)絡(luò)機(jī)箱配合C9205數(shù)據(jù)采集模塊，整體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度為0.5%。

（5）水輪機(jī)效率試驗(yàn)系統(tǒng)誤差

水輪機(jī)效率試驗(yàn)系統(tǒng)誤差為：

3.2.2 隨機(jī)誤差

在穩(wěn)定工況下，通過對(duì)同一試驗(yàn)工況點(diǎn)（一般選最優(yōu)工況）進(jìn)行連續(xù)10次的采集，根據(jù)效率測量值的離散程度，計(jì)算得到效率試驗(yàn)的隨機(jī)誤差。經(jīng)計(jì)算本次水輪機(jī)效率試驗(yàn)的隨機(jī)誤差（fη）R=±0.36%。

3.2.3 水輪機(jī)效率試驗(yàn)綜合誤差

經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)水輪機(jī)效率試驗(yàn)綜合誤差為：

4 總結(jié)

（1）應(yīng)用多聲道超聲波測流裝置對(duì)燈泡貫流式水輪機(jī)進(jìn)行絕對(duì)效率測量，實(shí)測水輪機(jī)效率試驗(yàn)綜合誤差小于1%，實(shí)測水輪機(jī)效率特性曲線光滑，各工況點(diǎn)沒有明顯的離散，因此取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算成果是可信的。

（2）在試驗(yàn)水頭下，實(shí)測水輪機(jī)最高效率為95.34%，由水輪機(jī)生產(chǎn)廠家提供的水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線查得試驗(yàn)水頭下對(duì)應(yīng)的最高效率為95.28%，實(shí)測結(jié)果滿足效率保證值要求。

（3）多聲道超聲波測流裝置現(xiàn)場安裝簡便、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，適用于燈泡貫流式水輪機(jī)的現(xiàn)場效率試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。