基于超聲波測流法導葉漏水量的測量研究

馬國華

（云南電力技術有限責任公司，昆明 650217）

0 前言

導葉是水輪發電機組的主要設備之一，在水輪機能量轉換過程起開斷水流、調節流量、形成速度環量等重要作用。理想情況下，機組停機時導葉應能完全截斷水流，但由于流體及過流部件自身的特性，加上設計、制造、安裝等方面的原因，導葉間隙不可能達到理想狀態，導葉漏水是普遍現象。國家標準對水輪機導葉漏水量允許值有明確的規定[1]，以此為依據，導葉漏水量可作為評價機組品質和狀態的重要指標之一[2]，導葉漏水的測量是水電站值得關注的問題。

1 導葉漏水量測量的意義

導葉漏水量過大對水電站有如下危害[3]：

1）機組開、停機困難。開啟機組時，過大的導葉漏水量會造成主閥前后平壓困難，導致主閥開啟失敗進而影響機組開啟過程；機組停機時，過大的導葉漏水量會使機組保持低轉速旋轉，影響機組停機流程，并且會加重停機過程軸承部件的磨損。

2）停機機組蠕動。機組在停機態時，若導葉漏水比較嚴重，且機組制動未投時，會造成機組蠕動，危及設備的安全。

3）水能資源損失。導葉漏水會造成電站水能資源浪費，影響電廠的運行經濟性。

因此，出于對水電站安全性、經濟性的考慮，正確地進行導葉漏水量的測量，掌握機組的導葉漏水情況，可以給電站提高檢修質量、優化機組品質提供依據。

2 導葉漏水量的測量方法

導葉漏水量是指在導葉關閉情況下，單位時間內通過導葉間隙流向機組下游的水流量。由于導葉位于水輪機的流道中，其自身又具有幾何特殊性，無法通過直接的方法進行測量。對于引水式機組，常規的測量方法是關閉壓力鋼管前端的進水閘門，通過測量壓力鋼管某一段的水位變化速率，計算出導葉的平均漏水量[4-5]。該方法的缺點是測量導葉漏水時必須關閉進水閘門，需進行啟閉閘門的操作；同時，由于進水閘門的漏水量測量難度較大，一般對于進水閘門的漏水量不予考慮，測量結果存在誤差；另外，測量壓力鋼管的水位變化率需持續較長時間且壓力鋼管的截面尺寸誤差也會對測量精度產生影響。對于配備進水主閥的機組，可用超聲波流量計進行測量，該方法具有簡便、快速、高精度的優點，在某電站以此法進行了水輪機導葉漏水測量的嘗試，試驗結果基本滿意。本文對用超聲波流量計測量導葉漏水量的原理及應用情況加以介紹。

2.1 超聲波流量計測流原理

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表，一般為時差式，即通過測量不同換能器接收到對方換能器發射的超聲束所需的時間差值來測量管道中流體的流速，進而換算出通過管道的流量。圖1為時差式超聲波流量計測流示意圖，其原理為：換能器1發射信號穿過管壁、介質、另一側管壁后，被換能器2接收到，同時，換能器2發射信號被換能器1接收到，由于受到介質流速的影響，二者存在時間差Δt，由此得出流速V和時間差Δt之間的換算關系，然后換算出流量值Q。

圖1 時差式超聲波測流原理示意圖

由圖1可知，時間差與流速換算公式如下：

由公式（1）、（2）、（3）可得，

其中：tu為超聲束由換能器2發射出至被換能器1接收到所經歷的時間，s；

td為超聲束由換能器1發射出至被換能器2接收到所經歷的時間，s；

L為換能器之間的直線距離，mm；

V為流體流速，m/s；

c為流體靜止時超聲波聲速，m/s；

θ為超聲束傳播方向與流體流動方向的夾角，°；

X為換能器安裝間距，即換能器在流體流動方向的距離，mm。

流量計算公式如下：

其中：D為被測管道內徑，mm。

2.2 換能器安裝方式

超聲波流量計換能器的安裝方式有直射式和反射式兩種，安裝示意圖如圖2、圖3所示，兩種安裝方式的特點如表1所示。

圖2 直射式

圖3 反射式

表1 超聲波流量計換能器安裝方式的比較

實際測量時，換能器安裝方式根據管道材質、安裝間距、換能器安裝難易程度等實際情況靈活選擇。

2.3 管道壁厚的測量

超聲波流量計是非接觸式測量儀表，測量管道流量時只需將換能器正確安裝于管道壁面即可，但其時間差包含了超聲束在管壁中傳播的時間，因此需考慮管道壁厚的影響。壁厚的測量用超聲波測厚儀完成，其原理為：當探頭發射的超聲波通過被測物體到達材料分界面時，超聲波被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。壁厚計算公式如下：

其中：δ為管道壁厚，mm

c1為聲音在被測對象中的傳播速度，m/s

t為超聲波從探頭發出至反射回探頭的時間，s

3 電站導葉漏水量的測量試驗

3.1 電站概況

某電站裝機容量3×80MW，機組額定水頭150m,額定流量57.91m3/s，根據GB/T 15468-2006《水輪機基本技術條件》規程要求，機組在額定水頭時導葉漏水量不應大于0.1737m3/s。為檢驗機組導葉漏水量是否滿足規程要求，應電站要求，對該電站2號、3號機組開展了導葉漏水量測量試驗。該電站引水系統為長引水系統，采用容積法測量導葉漏水量存在不經濟、試驗開展難度大等問題，考慮到電站引水系統配備了進水蝶閥，決定用超聲波流量計對該電站2號、3號機組進行導葉漏水量測量。該電站進水蝶閥技術參數表如表2所示。

表2 電站進水蝶閥技術參數表

3.2 換能器的布置

由于蝶閥上、下游側壓力基本相等，可認為蝶閥的漏水量為零，因導葉漏水造成的水流動全部經由蝶閥旁通管流向蝶閥下游，旁通管上測得的流量即為導葉漏水量，故換能器布置于旁通管進行測量。由表2可知，該電站進水蝶閥旁通管材質為鋼，聲音在其中的傳播速度c1=5900m/s,用超聲波測厚儀測出進水蝶閥旁通管的壁厚,將相關數據輸入超聲波流量計主機，可自動算出換能器的安裝間距。確定安裝間距后，用角磨機在旁通管相應位置進行打磨，消去旁通管表面涂層后，安裝相應的換能器并固定，然后連接儀器進行調試。

3.3 測量步驟

根據超聲波流量計測流原理，主要測量步驟如下：①機組停機；②關閉導葉；③關閉進水蝶閥；④投入檢修密封；⑤安裝超聲波流量計換能器于旁通管；⑥開啟旁通閥；⑦待穩定后啟動超聲波流量計進行測量，并記錄數據。

3.4 測量結果

對兩臺機組的旁通管分別測量5次，然后計算平均值。

3.5 測量結果離散程度分析

由于蝶閥上、下游側壓力基本相等，可以認為蝶閥的漏水量為零，故在忽略蝶閥漏水量的情況下，在蝶閥旁通管上對導葉漏水量進行了測量。此次測量使用的超聲波流量計準確度等級為0.01，測量精確度較高。以實測導葉漏水量的平均值為最佳期望值，可用實測數據的極差和標準差衡量數據的離散程度，判斷測量結果的準確性。極差和標準差計算公式如下：

其中，R為極差，與流量同量綱；

Qmax和Qmin為實測漏水量的最大值與最小值，m3/s

σ為標準差，與流量同量綱；

n為測量次數；

Qi和為漏水量實測值和平均值，m3/s。由公式(7)、(8)可知，2號機實測導葉漏水量的極差為0.0119m3/s，標準差為0.0040m3/s；3號機實測導葉漏水量的極差為0.0044m3/s，標準差為0.0015m3/s。可見測量數據極差和標準差均較小，數據離散程度小，重復度高，穩定性強。此外，測量結果與該電站技術合同中對導葉漏水量的規定值比較接近，且滿足相關標準要求。超聲波測流法可以作為判定水輪機導葉漏水量的方法在水電站實際測試中應用。

4 結束語

獲取真實可靠的導葉漏水數據，對于水電站水輪機導葉檢修調整、評價安裝質量等具有較大的工程意義，本文采用的超聲波流量計測量導葉漏水量的方法具有實施簡便、測量時間短、測量精度高等優點，可為其它水電站導葉漏水量的測量提供參考。