大型混流水輪發(fā)電機(jī)組裝設(shè)超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)效率在線監(jiān)測(cè)的節(jié)能實(shí)踐

張繼康 汪亞軍 劉瑛

（安康水力發(fā)電公司 陜西安康 725000）

1 安康水電站機(jī)組安裝超聲波流量計(jì)的必要性

發(fā)電效率是水輪發(fā)電機(jī)組最重要的性能參數(shù),為了有效地利用有限的水力資源和提高電力供應(yīng)，需要對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的效率特性進(jìn)行精確的評(píng)估，這就需要進(jìn)行效率試驗(yàn)。有效的流量和效率試驗(yàn)結(jié)果是水輪機(jī)交接驗(yàn)收、優(yōu)化運(yùn)行、設(shè)備改造評(píng)估和制定檢修計(jì)劃的重要依據(jù)。所以水電站都希望進(jìn)行精確的流量測(cè)量和絕對(duì)效率試驗(yàn)，近十幾年來(lái)國(guó)際上這種需求在穩(wěn)步增長(zhǎng)。

目前，隨著安康水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的完善和機(jī)組在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)檢修系統(tǒng)的逐漸形成，對(duì)機(jī)組流量和效率的監(jiān)測(cè)需要日益迫切，這有助于電站的優(yōu)化運(yùn)行和機(jī)組性能的準(zhǔn)確評(píng)估，為電站降低運(yùn)行成本，保證安全生產(chǎn)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。所以有必要實(shí)現(xiàn)電站機(jī)組在線絕對(duì)流量監(jiān)測(cè)。

在安康水電站安裝超聲波流量計(jì)可以取得以下效果。

1.1 水輪機(jī)的交接驗(yàn)收和設(shè)備改造評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)原形機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)流量、效率試驗(yàn)，可以判斷新機(jī)組的性能是否達(dá)到合同規(guī)定要求和改造項(xiàng)目是否達(dá)到預(yù)期效果，是機(jī)組交接驗(yàn)收和設(shè)備改造評(píng)估的重要依據(jù)。大口徑多聲道超聲波流量計(jì)是水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)流量試驗(yàn)的有效手段，并為國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)程IEC41《水輪機(jī)、水泵、水泵水輪機(jī)交接驗(yàn)收國(guó)際規(guī)程》和美國(guó)國(guó)家規(guī)程ASMEPTC18所認(rèn)可，在國(guó)際上廣泛應(yīng)用。

1.2 水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

在水電站（特別是大型電站）按機(jī)組效率特性進(jìn)行負(fù)荷分配，可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。超聲波流量計(jì)既可以進(jìn)行定期的穩(wěn)工況流量效率試驗(yàn)，又能長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，為水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

1.3 水電站的狀態(tài)檢修

水電站實(shí)行狀態(tài)檢修可以帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益。而機(jī)組的流量效率特性是機(jī)組的重要運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志，是判斷機(jī)組是否需要檢修和檢修質(zhì)量的重要依據(jù)。

1.4 水電站設(shè)計(jì)評(píng)估和驗(yàn)證

裝在電站壓力鋼管道蝸殼前的超聲波流量計(jì),除了能測(cè)得機(jī)組的流量用于絕對(duì)效率試驗(yàn)外,還可同時(shí)測(cè)得大量過去無(wú)法得到的進(jìn)水口流速分布數(shù)據(jù),如沿進(jìn)水口的橫向和垂向的流態(tài)分布、多流道間的流量分配和隨時(shí)間變化的流動(dòng)特性。這些數(shù)據(jù)對(duì)驗(yàn)證水電站設(shè)計(jì)和確定水輪機(jī)性能是非常有用的，為今后的水電站優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 安康機(jī)組安裝超聲波流量計(jì)的可行性

安康水電站機(jī)組設(shè)計(jì)水頭76m，水輪機(jī)型號(hào)HL220－LJ－550，屬中水頭大型混流機(jī)組。陜西電力科學(xué)研究院曾先后兩次派員到安康水電站進(jìn)行考察和技術(shù)交流，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、查閱圖紙，并將現(xiàn)場(chǎng)情況與有關(guān)流量計(jì)生產(chǎn)廠家進(jìn)行了論證分析，認(rèn)為可以提供適合安康機(jī)組需要的超聲波流量計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)技術(shù)。我國(guó)對(duì)于中水頭電站的流量效率監(jiān)測(cè)已有很成熟的技術(shù)，完全有把握實(shí)現(xiàn)安康水電站機(jī)組流量效率的在線監(jiān)測(cè)。

因此，針對(duì)安康水電站當(dāng)前情況，采用交叉多聲路超聲波時(shí)差測(cè)流法進(jìn)行機(jī)組流量和效率在線監(jiān)測(cè)完全可行。

3 安康機(jī)組流量效率在線監(jiān)測(cè)方案

3.1 流道概況

所測(cè)流道為直徑7.2m的壓力鋼管。直管段長(zhǎng)度約11m。

3.2 流量測(cè)量方案

用八聲路超聲波流量計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)流量。由于引水管道為混凝土內(nèi)襯鋼管，所以換能器都采用內(nèi)裝式換能器。即所有換能器都安裝在管道內(nèi)壁，換能器電纜沿鋼管內(nèi)壁附設(shè)，并用φ30的不銹鋼管保護(hù)（不銹鋼管焊接在管道內(nèi)壁上），換能器電纜從預(yù)埋的電纜管或其它可引出電纜的地方引出，電纜的密封用專用的不銹鋼穿纜器來(lái)密封。

超聲波換能器采用65度的聲路角來(lái)安裝。

3.2.1 流量測(cè)量原理簡(jiǎn)介

圖1 流速測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)是利用超聲波作為媒介來(lái)測(cè)量流體的流速，如圖1所示，TD1,TD2分別為安裝在管道上下游的兩個(gè)超聲波換能器。V為水的流速，C為超聲波在靜水中的聲速。

一般在管道中測(cè)量流量，需要布置多個(gè)聲路，來(lái)測(cè)量多個(gè)流速。然后對(duì)流速進(jìn)行加權(quán)積分計(jì)算流量。多個(gè)聲路是按照IEC41-91規(guī)程來(lái)布置的，聲路布置在交叉兩個(gè)斷面上，每個(gè)斷面四個(gè)聲路，共八聲路。流量計(jì)測(cè)出八個(gè)聲路的流速后，用加權(quán)積分的方法將流速對(duì)斷面面積積分，即可得到流量。

圖2 符合IEC41-91的八聲路布置

其中：Q——為流量

D——管道直徑

Ki——第i聲路的積分系數(shù)

Vi——第i聲路的流速

3.2.2 聲路布置

內(nèi)裝式換能器在壓力鋼管內(nèi)的布置如圖3所示。

圖3 內(nèi)裝式換能器聲路布置，交叉安裝斷面－8聲路配置

3.2.3 換能器及其電纜護(hù)管敷設(shè)

換能器布置在機(jī)組引水管道水平直管段的中間位置。換能器安裝在換能器座上，而換能器座用不銹鋼膨脹螺栓固定在管道內(nèi)壁上，見圖4。電纜護(hù)管用不銹鋼膨脹螺釘固定在與換能器相對(duì)應(yīng)的高程上，將換能器電纜引至管道電纜出口處經(jīng)穿纜器后，引出電纜。

圖4 換能器及其電纜護(hù)管在鋼管內(nèi)的布置

3.2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.5 設(shè)備配置

國(guó)產(chǎn)設(shè)備配置：

4 結(jié)語(yǔ)

超聲波流量計(jì)在安康水電站中水頭大型混流水輪發(fā)電機(jī)組的成功應(yīng)用，不僅解決了安康水電站流量效率在線監(jiān)測(cè)的難題，而且對(duì)全國(guó)的同類電站相關(guān)工程實(shí)踐及節(jié)能環(huán)保具有示范意義。一方面，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行特性，盡可能使其在最優(yōu)效率范圍內(nèi)運(yùn)行，以較小的耗水率換取最大的經(jīng)濟(jì)效益，不僅節(jié)約了水資源，而且提高了發(fā)電效益：另一方面，機(jī)組在高效率區(qū)運(yùn)行時(shí)能有效減小不良運(yùn)行狀況對(duì)機(jī)組造成的危害，有效延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，延長(zhǎng)機(jī)組的檢修周期，相應(yīng)延長(zhǎng)了機(jī)組的發(fā)電時(shí)間，降低了檢修成本。

[1]鐘敦美，夏洲，施沖，趙學(xué)東.水輪機(jī)效率在線檢測(cè)分析系統(tǒng)[J].水電廠自動(dòng)化，2002，(04).