大型混流水輪發電機組裝設超聲波流量計實現效率在線監測的節能實踐

張繼康 汪亞軍 劉瑛

（安康水力發電公司 陜西安康 725000）

1 安康水電站機組安裝超聲波流量計的必要性

發電效率是水輪發電機組最重要的性能參數,為了有效地利用有限的水力資源和提高電力供應，需要對水輪發電機組的效率特性進行精確的評估，這就需要進行效率試驗。有效的流量和效率試驗結果是水輪機交接驗收、優化運行、設備改造評估和制定檢修計劃的重要依據。所以水電站都希望進行精確的流量測量和絕對效率試驗，近十幾年來國際上這種需求在穩步增長。

目前，隨著安康水電站計算機監控系統的完善和機組在線監測及狀態檢修系統的逐漸形成，對機組流量和效率的監測需要日益迫切，這有助于電站的優化運行和機組性能的準確評估，為電站降低運行成本，保證安全生產提供可靠的科學依據。所以有必要實現電站機組在線絕對流量監測。

在安康水電站安裝超聲波流量計可以取得以下效果。

1.1 水輪機的交接驗收和設備改造評估現場試驗

對原形機組進行現場流量、效率試驗，可以判斷新機組的性能是否達到合同規定要求和改造項目是否達到預期效果，是機組交接驗收和設備改造評估的重要依據。大口徑多聲道超聲波流量計是水輪機現場流量試驗的有效手段，并為國際電工委員會規程IEC41《水輪機、水泵、水泵水輪機交接驗收國際規程》和美國國家規程ASMEPTC18所認可，在國際上廣泛應用。

1.2 水電站的經濟運行

在水電站（特別是大型電站）按機組效率特性進行負荷分配，可以帶來巨大的經濟效益。超聲波流量計既可以進行定期的穩工況流量效率試驗，又能長期在線監測，為水電站的經濟運行提供可靠依據。

1.3 水電站的狀態檢修

水電站實行狀態檢修可以帶來顯著經濟效益。而機組的流量效率特性是機組的重要運行狀態標志，是判斷機組是否需要檢修和檢修質量的重要依據。

1.4 水電站設計評估和驗證

裝在電站壓力鋼管道蝸殼前的超聲波流量計,除了能測得機組的流量用于絕對效率試驗外,還可同時測得大量過去無法得到的進水口流速分布數據,如沿進水口的橫向和垂向的流態分布、多流道間的流量分配和隨時間變化的流動特性。這些數據對驗證水電站設計和確定水輪機性能是非常有用的，為今后的水電站優化設計提供依據。

2 安康機組安裝超聲波流量計的可行性

安康水電站機組設計水頭76m，水輪機型號HL220－LJ－550，屬中水頭大型混流機組。陜西電力科學研究院曾先后兩次派員到安康水電站進行考察和技術交流，經過現場調研、查閱圖紙，并將現場情況與有關流量計生產廠家進行了論證分析，認為可以提供適合安康機組需要的超聲波流量計和現場安裝試驗技術。我國對于中水頭電站的流量效率監測已有很成熟的技術，完全有把握實現安康水電站機組流量效率的在線監測。

因此，針對安康水電站當前情況，采用交叉多聲路超聲波時差測流法進行機組流量和效率在線監測完全可行。

3 安康機組流量效率在線監測方案

3.1 流道概況

所測流道為直徑7.2m的壓力鋼管。直管段長度約11m。

3.2 流量測量方案

用八聲路超聲波流量計來監測流量。由于引水管道為混凝土內襯鋼管，所以換能器都采用內裝式換能器。即所有換能器都安裝在管道內壁，換能器電纜沿鋼管內壁附設，并用φ30的不銹鋼管保護（不銹鋼管焊接在管道內壁上），換能器電纜從預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密封。

超聲波換能器采用65度的聲路角來安裝。

3.2.1 流量測量原理簡介

圖1 流速測量原理

超聲波流量計是利用超聲波作為媒介來測量流體的流速，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。

一般在管道中測量流量，需要布置多個聲路，來測量多個流速。然后對流速進行加權積分計算流量。多個聲路是按照IEC41-91規程來布置的，聲路布置在交叉兩個斷面上，每個斷面四個聲路，共八聲路。流量計測出八個聲路的流速后，用加權積分的方法將流速對斷面面積積分，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

Vi——第i聲路的流速

3.2.2 聲路布置

內裝式換能器在壓力鋼管內的布置如圖3所示。

圖3 內裝式換能器聲路布置，交叉安裝斷面－8聲路配置

3.2.3 換能器及其電纜護管敷設

換能器布置在機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壁上，見圖4。電纜護管用不銹鋼膨脹螺釘固定在與換能器相對應的高程上，將換能器電纜引至管道電纜出口處經穿纜器后，引出電纜。

圖4 換能器及其電纜護管在鋼管內的布置

3.2.4 系統結構

整個系統結構如圖5所示。

圖5 系統結構

3.2.5 設備配置

國產設備配置：

4 結語

超聲波流量計在安康水電站中水頭大型混流水輪發電機組的成功應用，不僅解決了安康水電站流量效率在線監測的難題，而且對全國的同類電站相關工程實踐及節能環保具有示范意義。一方面，根據機組的運行特性，盡可能使其在最優效率范圍內運行，以較小的耗水率換取最大的經濟效益，不僅節約了水資源，而且提高了發電效益：另一方面，機組在高效率區運行時能有效減小不良運行狀況對機組造成的危害，有效延長機組的使用壽命，延長機組的檢修周期，相應延長了機組的發電時間，降低了檢修成本。

[1]鐘敦美，夏洲，施沖，趙學東.水輪機效率在線檢測分析系統[J].水電廠自動化，2002，(04).