水輪發電機實時流量及水頭測量實現方法

成漢森

(廣東粵海飛來峽水力發電有限公司樂昌峽分公司，廣東 樂昌 512200)

1 概 述

樂昌峽水利樞紐工程是廣東水利建設重點工程，是一座以防澇為主，結合發電，改善下游灌溉、航運、供水等綜合利用的水利樞紐，是北江上游關鍵性防洪控制工程。樂昌峽水電站的發電廠房為地下式廠房，位于左岸壩肩山體內，電站內安裝有3臺混流立式水輪發電機組，單機容量44 MW，總裝機容量132 MW。為了加強電站技術經濟指標考核管理，實現機組流量及用水量在線監測，提高自動化水平和發電效益，經過不斷測試和比對，利用水輪機原有的架構進行數據采集，通過數據計算得出機組發電實時流量及水頭。

經過運行考驗表面，該裝置運行穩定可靠，可廣泛用于水輪發電機組。

2 流量監測

2.1 水輪機流量監測的意義

隨著電力市場的建立和完善，提高水電站經濟運行水平、提高企業的經濟效益成為企業利潤增長的突破口。在來水量和水庫庫容一定的前提下，盡可能將機組安排于高效率期間運行，降低單位發電量耗水率，是提高水電站經濟運行水平的重要途徑。

2.2 水輪機流量監測的方法

流量監測的方法主要有電磁法、超聲波法、差壓法，幾種方法各有優缺點；其中差壓法是水輪機實時流量監測方法中費用最為節省、安裝調試方便，對水輪機組的正常運行幾乎不產生影響的方法。根據水輪機廠家的機械結構圖紙，樂昌峽水電站的廠房位于大壩左岸的地下，為混流半傘式水輪機組，額定水頭42 m，額定轉速136.4 r/min。在每臺機的金屬蝸殼上，設置了蝸殼壓力測量斷面，安裝了相應的測壓管，具備實施蝸殼差壓法測量流量的條件。

2.3 差壓法監測原理

當水流通過截面變化的流道時，其動能和壓能會互相轉化產生壓力差；當水流通過彎道時，動量發生變化也會產生壓力差。水流在流動過程中由于摩阻的作用，在不同斷面和部位之間同樣會產生壓力差，這些壓力差通過截面的流量存在一定的函數關系；對于水輪發電機，流量Q與蝸殼測流斷面內外側壓差P的關系由下式表示[1]：

(1)

式中，ΔH為蝸殼內外側壓差；K為蝸殼流量系數，一般機組建好，K為常數，蝸殼內外側壓差可通過實際測量采集。

樂昌峽水電站蝸殼內外側壓差采集口如下所示(見圖1)。

通過2CYB壓差變送器可直接簡便而精確地測量到蝸殼壓差數據，只要能確定蝸殼流量系數，即可以測出水輪發電機的實時流量數據。根據蝸殼設計理論[2]，假設蝸殼中水流沒有損失，則水流在蝸殼中的流動符合等速矩規律，可通過伯努利方程式推導出來；該系數是一個常數，不受水流速度及水頭的影響。蝸殼流量系數可通過額定水頭和額定發電量時的采集數據進行反算，但額定水頭難以達到，可通過水輪機廠家的出廠資料查到該數據；但是蝸殼流量系數K會受蝸殼制造、安裝階段和安裝條件的制約，產生一定的誤差。實際中可根據水情數據得出的某一時間段的平均值，對蝸殼流量系數進行細微調整和校準，以達到最優數據。

3 工作水頭監測方法

水輪機工作水頭是指水輪機進口斷面與尾水管出口斷面總單位能量之差，如公式(2)所示[2]：

(2)

V1=Q/F

(3)

式中，α1為動能不平均系數，取為1；Z1為蝸殼進口壓力表安裝高程(m)；Z2為尾水出口壓力表安裝高程(m)；P1為蝸殼進口壓力(Pa)；P2為尾水出口壓力(Pa)；V1為蝸殼進水口斷面平均流速(m/s)；V2為尾水管出水口斷面平均流速(m/s)；Q為實測流量(m3/s)；g為重力加速度(m/s2)；ρ為水的密度，數值為1.0×103kg/m3；F1為蝸殼進口斷面面積(m2)。

其中，蝸殼出口壓力與尾水出口壓力差可通過壓差變送器采集到，水頭壓差采集口如下所示(見圖2)。

將公式(3)進行轉換可得

(4)

由于樂昌峽水電站采用的差壓變送器采集蝸殼進口壓力與尾水管出口壓力的壓差值，相當于蝸殼進口壓力表安裝高程與尾水出口壓力表安裝高程相等，可得：Z1-Z2=0；而P1-P2可直接通過壓差變送器1CYB采集得出結果。根據前面得出的機組的實時流量數據，只需要知道蝸殼進口截面積和尾水出口截面積即可以確定V1和V2，截面積可通過機械圖紙上查詢后計算得出。式中重力加速度及水的密度均為常數，至此參數均可確定，工作水頭可以計算得出結果[3]。

4 機組流量及工作水頭在線監測系統

監測系統由以下部分構成：壓差測量系統、采樣變送器、水頭流量微機監測儀、上位計算機(見圖3)。

差壓變送器采集到數據，通過4_20 mA模擬量傳送至流量水頭測量儀，測量儀通過采集的壓差數據換算成流量數據和水頭數據再通過4_20 mA數據傳送至計算機監控PLC，由此構成整個數據采集系統。

5 現場測試

為了檢驗測量數據的準確度，針對機組不同工況對數據采集進行現場測試(見表1)[4]。

表1 現場測試數據

由于蝸殼內外壓力差相對較小，所以實際流量跟理論流量會有偏差，但偏差值相對較小，可正常采集到實際流量。工作水頭因為會有流量損失，所以工作水頭會比毛水頭偏小一點，采集數據也是比較準確的。以后如有可能，建議采用其他的測流量方法與該數據進行比對，更能檢驗該裝置的測量準確度。

6 實現過程常見問題探討及處理

差壓法測流及凈水頭，雖然簡單實用，但是僅僅靠理論得出的K值及計算出相應的截面積即可實現機組流量及凈水頭的測量；理論與實踐總是存在差異，如設備的選型及靈活的數據選擇方式，一個數據選錯都會導致測量結果嚴重失真，這也是樂昌峽水電站建成以來總是無法得到準確數據的原因。

6.1 穩壓

由于水輪發電機水流不是一直不變的，機組出力、導葉開度、勵磁電流、系統電壓等均可能造成該水流出現較大的波動；而蝸殼的壓差本身就比較小，這種擾動會導致誤差變得非常大。為解決以上矛盾，需要從兩個方面來考慮[4]：第一方面是考慮在取壓口采取必要的阻尼穩壓措施，讓其壓力差不會因為各種工況的擾動而造成較大的影響。第二方面是選用合適的差壓變送器。由于蝸殼流量壓差在滿負荷低水頭的時候壓力差也僅僅在十幾帕,因此必須選用量程及精度適合的變送器。樂昌峽水電站采用了40 Pa量程的變送器進行采集，增加了穩壓管，使得采集的數據相對穩定，確保了數據的準確性。

6.2 安裝方法

想要測量較為準確的壓力差，第一要確保差壓變送器高壓及低壓管道安裝的正確性，不能將較高的壓力管道接到變送器低壓管道里，反之同理。第二在任何時候測壓管內部都不能有空氣，防止氣堵現象，測量壓管要保持暢通、無泄漏；因此在安裝完成后要檢查管路是否有泄漏，對差壓變送器取壓口進行排氣。最好在管路上安裝排水口，因為蝸殼取壓口與變送器接口之間的管路較細，管內的水流動性較差，容易產生微生物堵塞的情況；因此加裝排水口定期對管內的死水進行排出，可保持管內的暢通。

6.3 測量參數

根據水頭測量公式，需要采集到蝸殼進口壓力表安裝高程及尾水出口壓力表安裝高程，但實際上將該兩個數據輸入水頭流量效率儀里得到的水頭數據是錯誤的；因為水頭的測量采用的也是差壓變送器，雖然蝸殼進口取壓口和尾水出口取壓口相差數十米，但是到了變送器后都是同一水平面，因此該兩個高程差應為0，無需考慮。

7 結 語

(1)蝸殼壓力差測流量的方法實現簡單，不需要加裝過多的采集儀器，在水電站中廣泛使用；但由于蝸殼壓力差本身數據偏小，需要配置合適量程和精度的差壓變送器。

(2)采用差壓變送器采集蝸殼進水壓力與尾水出口壓力來測量工作水頭的方法可計算出更精確的工作水頭；同時需要注意的是該方法不需要考慮兩壓力采集的高程差，計算更加簡便。

(3)微機型監測裝置自動化水平高，已取得很好的效果，應在水電站設計和技術改造中大力推廣應用。