蝸殼差壓測流量的應用

郝臨景

北京十三陵蓄能電廠,北京 102200

蝸殼差壓測流量的應用

郝臨景

北京十三陵蓄能電廠,北京 102200

蝸殼差壓的流量系數C與導葉開度和水頭變化無關，這使得蝸殼差壓測流量應用起來很方便。實踐過程中我們首先用效率試驗的逆過程來驗證此種方法的可行性，然后用高精度的超聲波流量計作對比試驗，得到蝸殼差壓的流量系數C。

蝸殼差壓；超聲波流量計；系統標定；流量

0 引言

十三陵蓄能電廠#3機大修要對#2水道進行排空檢查。為防止排水速度過快導致高壓鋼管受損，要求實時監測機組的排水流量。另外，在機組狀態監測和水輪機效率試驗中，水輪機流量是必不可少的數據之一。

1 蝸殼差壓法監測機組排水流量的可行性分析

1.1 理論上流量與蝸殼差壓之間的關系

我們考慮用蝸殼差壓法監測機組排水流量，現在的條件是：蝸殼差壓變送器輸出的4～20mA的模擬量送到監控，顯示一個差壓值。我們之所以選擇蝸殼差壓法，是因為它的原理比較簡單，精度能滿足要求，常為水電站采用。其原理是具有一定流速的水流流經水輪機蝸殼時，由于蝸殼中心線彎曲，水流在彎曲流道上產生離心力，使得蝸殼內、外緣兩點間產生壓力差，根據伯努利方程：

由連續性方程：

p'1p'2——流體在兩個截面的靜壓力；

v1v'2——流體在兩個截面的平均流速；

ρ——流體（不可壓縮）密度；

g——重力加速度；

S1S2——兩個截面的截面積。

可以推導出通過水輪機的流量與蝸殼差壓之間的關系：

1.2 通過水輪機效率試驗驗證這種關系

為了驗證測壓孔安裝準確，實踐中蝸殼差壓可以反映水輪機相對流量，我們作了水輪機工況實驗。根據水力發電的基本方程：

P=9.81HQ；

P——水流的理論出力；

H——水輪機的平均水頭；

Q——水輪機流量。

可以看出，如果蝸殼差壓可以反映水輪機相對流量，那么在短時間內，即水頭變化很小的情況下，差壓變送器輸出電流就應該和有功功率成線性關系。

因此，用SFC將蝸殼差壓變送器由線性輸出改為開方輸出，回路中串接電流表，監視變送器4～20mA電流輸出。

將數據生成關系曲線便可以看出二者成線性關系，即蝸殼差壓可以反映水輪機相對流量。

2 流量系數C的標定

然而這個流量究竟是多少呢？由于水流流態復雜，且產生差壓的部件制作工藝及安裝條件的差異難于采用理論計算的方法確定差壓與流量的關系，但裝置選定后，可采用公認的測量技術對該差壓測流系數進行標定，即計算出式（1）中的流量系數C，從而保證流量結果的精確度。

2.1 標定工具選擇

十三陵蓄能電廠采用的這種公認的測量技術是超聲波頻差法測量流量。它是通過測量順流和逆流時超聲波的重復頻率差來測量流量的，與聲速無關，因而可以排除流體各物理參數對測量結果的影響。

我們采用的設備是美國ORE公司生產的7500型超聲波流量計，配有7601型超聲波換能器和7520型終端。流量通過測量壓力鋼管上多對聲波換能器之間聲脈沖傳播時間差而確定。十六只7610型聲波換能器在壓力鋼管四個不同高度的弦上構成八組水平聲道。換能器對構成兩個相交的平面。每個平面與流動方向形成65°的標稱角。所有換能器必須用精密經緯儀精確的確定它們在壓力鋼管上的位置。換能器布置圖略。

然后將聲道長度、角度和壓力鋼管平均半徑值輸入到流量計。已知聲道長度、夾角以及聲波沿聲道的傳播時間差，則可以計算各個點的速度，采用十字交叉聲道時，可以確定一個趨于真值的平均速度矢量。利用這種十字交叉平面布置，當平均流線與鋼管中心線不平行時，測得的流量值比單個測量平面布置得到的流量值準確。對每個聲道測得的流速沿壓力鋼管的截面積積分，便得到流量。

2.2 標定過程

下面我們通過#4機組性能試驗說明一下蝸殼差壓變送器的標定過程。

首先，將蝸殼差壓變送器測得的差壓值和超聲波流量計測得的水輪機流量轉換成4～20mA的電流輸出，接入錄波儀，選擇發電工況開機，采集的數據。將采集到的離散數據輸入計算機，形成趨勢線，再用乘冪法擬合得到關系式：水輪機流量＝5.1436×蝸殼差壓值0.4897。

由上可以看出對照式一的系數5.1436偏大。所以，我們又將蝸殼差壓值開方處理后輸入計算機，得到蝸殼差壓和流量之間的關系曲線。二者成線性關系，其關系式：水輪機流量=4.8261×蝸殼差壓值0.5+0.7917對比式一Q=C×D0.5，我們可以得出流量系數C≈4.8261(該曲線未過（0，0）點屬于隨機誤差，可以忽略)。

利用得到的流量系數，在監控DCS上進行組態，我們就可以在監控畫面上實時監視到機組流量了。

3 應用效果

實踐過程中這一技術在十三陵蓄能電廠#2水道排空作業中起到關鍵作用，運行人員在中控室就可以實時監控排水流量。機組大修后這個流量信號直接接到狀態監測裝置上，為其提供了必不可少的數據。實踐證明這個方法行之有效，其它機組可以采用同樣的方法測量水輪機流量。在推廣過程中，我們發現了#3機蝸殼差壓測壓孔取錯了，并利用大修機會及時作了糾正。

4 結論

1）蝸殼差壓測流量適用性強。由于超聲波流量計換能器要求安裝精度高，與之對應的工作環境又十分惡劣，加之多次檢修球閥需要拆裝換能器，導致中心偏離產生噪聲干擾，所以超聲波流量計試用于新裝機組的高精度標定，不適合日常計量使用。相反，差壓變送器一經標定，便可以部分的代替超聲波流量計的功能。其數據可以直接應用于水輪機組狀態監測，為效率試驗提供可靠數據。

2）經濟性好。水輪機組安裝完畢后，蝸殼差壓變送器測壓孔通常已經預留好了，無須安裝新設備，日常維護量幾乎等于零。

3）可以作超聲波流量計的比對依據，由于蝸殼差壓測流量的原理獨特，可以作為檢修后的超聲波流量計的校驗依據。

[1]李軍，賀慶之.監測技術及儀表.

[2]十三陵蓄能電廠調試手冊.

[3]VOITH水泵水輪機性能試驗報告.

[TM622]

A

1674-6708（2010）24-0167-02

郝臨景，工程師，工作單位：北京十三陵蓄能電廠，從事水電機組檢修工作，研究方向：電力系統自動化