超聲波測流法在水輪機效率試驗中的應用

黃波，田海平，寇攀高

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

每提高0.1%水輪機的效率都會帶來巨大的經濟效益，為了保障水輪機在高效率區工作，在水輪機組新投運或改造后，有必要對水輪機進行效率試驗。試驗主要包括工作水頭測量、功率測量、流量測量。其中流量測量是效率試驗中最重要的環節，同時測量難度最大，工作量最多。目前國內水輪機效率試驗常采用的流量測量手段有流速儀法、蝸殼差壓法、超聲波測流法等〔1-2〕。

流速儀法可方便測出過水斷面的各個測點流速值，但前期安裝及后期數據處理工作量大;蝸殼差壓法操作簡單但率定流量系數困難，且在多次效率試驗中發現一些機組蝸殼差壓均值較小，波動值卻較大，難以保證測量精度;超聲波測流法可以直接測量出水輪機流量，且安裝方便，操作簡單。

1 超聲波測流原理

超聲波測流法依據測量原理可以分為傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪聲法、漩渦法、相關法，其中傳播速度差法按測量物理量不同又可以分為時差法、相位差法和頻差法〔2〕。目前應用于水電廠的超聲波流量計一般都采用時差法。

時差法測流按布置形式可以分為“Z”型、“V”型、“N”型等。

本文就“Z”型布置方式進行討論，其原理如圖1。超聲波傳感器A與B徑向對稱外夾于壓力鋼管外壁。鋼管內徑為d，鋼管壁厚為δ，其中d＞＞δ，傳感器A與傳感器B的傳輸距離為d/cosθ。超聲波在管壁及傳感器內部傳輸，需要一定時間，即為延遲時間τ0，τ0遠小于超聲波在鋼管內的傳輸時間。設超聲波在水體內的傳播速度為c，鋼管水流速度為V，鋼管過流量為Q。

圖1 “Z”型布置原理圖

超聲波順流由傳感器A傳輸到傳感器B，傳輸時間為t1:

超聲波逆流由傳感器B傳輸到傳感器A，傳輸時間為t2:

由式 (1)和式 (2)可得超聲波順流和逆流的時差Δt:

由于c2?V2sin2θ，可得:

因此通過測量超聲波順流和逆流的時間差即可以計算出鋼管內的水流速度及流量。

2 現場應用

2.1 試驗基本情況

主設備基本參數:水輪機型號HLA5511C-LJ-134，額定轉速375 r/min，額定水頭31.7 m，額定流量為12.07 m3/s;發電機型號SF3300-16/3050，額定出力3 300 kW，額定效率95%。

2.1.1 試驗內容

現場測量內容包括水頭測量、功率測量、流量測量。

通過取蝸殼進口斷面總能頭與尾水管出口斷面總能頭相減進行水頭測量。由于現場尾水管出口測點表計安裝位置高于尾水位，不能采集到尾水管出口水壓信號，并且尾水管出口直接入下游，因此將下游水位代替尾水管出口斷面總能頭。

流量測量采用超聲波測流法。通過現場勘查，機組蝶閥前有一段明鋼管，適合于進行超聲波傳感器測點布置。選用的超聲波流量計，適用管徑6～6 500 mm，流速測量范圍0.01～25 m/s，采集精度為1%。根據現場情況，決定采用“Z”型布置方式。現場測量出鋼管外徑1 796.2 mm，鋼管壁厚13.7 mm，計算出傳感器探頭安裝軸向距離為564mm。

2.1.2 試驗情況

現場進行36.8 m毛水頭下不同負荷工況的效率試驗。

在一個工況中，功率的波動值不超過平均功率的±1.5%，水頭的波動值不超過平均水頭的±1%，頻率的波動值不超過額定頻率的±0.5%。

在所有情況下，每個工況的工作水頭均值H及頻率均值f與規定值偏差應該滿足下列要求:0.8≤H/Hsp≤1.2;0.9≤(f/fsp)≤1.1;0.99≤(f/≤1.01;其中fsp為額定頻率，即為50 Hz;Hsp為換算水頭。在整個試驗過程中，功率因素始終保持為1。

2.2 試驗結果分析

試驗過程中工作水頭范圍為33.93～35.49 m，平均工作水頭為34.84 m，為了便于評價，需將試驗過程中各工況下的測試結果換算至同一水頭，本文選擇平均工作水頭34.84 m，試驗結果匯總見表1。根據表1，可以繪制出34.84 m工作水頭下的水輪機、耗水率、效率特性曲線圖，見圖2。

表1 試驗結果匯總表

圖2 水頭34.84 m效率、耗水率特性曲線

數據表明:34.84 m工作水頭下，機組最高效率為92.66%，對應水輪機出力為3.95 MW，水輪機耗水率為11.38 m3/kWh。機組在3 MW以上負荷為高效區，宜保持在3 MW以上負荷運行。

3 試驗總結

從試驗過程中流量數據 (見圖3)可見，在每一工況下流量數據離散性很小，說明超聲波測流穩定性很好;換算后的流量特性曲線、耗水率特性曲線、效率特性曲線也符合水輪機性能規律。同時對比34.84 m水頭下的原型水輪機效率曲線與模型水輪機效率曲線 (見圖4)，兩者變化規律基本一致。由此可見，超聲波測流法在水輪機效率試驗中準確可靠。

圖3 試驗過程流量數據

試驗過程中的問題及注意事項:機組在低負荷區流量測量值的離散性較高負荷區大。在低負荷區，機組處于水力振動區，水流較為紊亂，流道內存在橫流、旋流、逆流，流量波動較大;在高負荷區，水流較為平順，流量波動較小。

圖4 原型效率曲線與模型效率曲線對比

安裝超聲波傳感器時，應該將管壁外壁打磨光滑，傳感器表面應涂上足夠的聲耦合劑，并固定與管壁緊密接觸，確保傳感器與管壁之間無氣泡。

現場同時還進行了其他機組的效率試驗，發現采用“V”型布置，一定要確保2個超聲波傳感器在一條直線上，相比“Z”布置調試較為困難。

4 結束語

超聲波測流法準確可靠，并且現場安裝簡便、實時性好、不干擾流場，可以很好地應用到水輪機效率試驗中。但超聲波測流法由于測量條件的限制，要求機組有一段足夠長的直管段，而對于一些短流道、變截面的軸流式、貫流式機組難以滿足，如何將超聲波測流法應用到這類機組將有待研究。

〔1〕趙弦.水輪機效率測試系統研究〔D〕.武漢:華中科技大學，2011.

〔2〕劉曉亭.水力機組現場測試手冊〔M〕.北京:水利水電出版社，1993.

〔3〕劉麗珺.基于時差法的超聲波流量測試系統研究〔D〕.浙江理工大學，2009.