三峽水利樞紐地下電站機組流量測量與效率分析

曲立娜　負劍虹

摘要：根據美國Accusonic公司18聲路大口徑超聲波流量計的技術特點，并結合三峽水利樞紐地下電站30號機組和31號機組的測流需求，建立了一套實時有效的流量測量系統。該系統能實現在線效率計算與分析，并給出了系統的整體設計方案及技術實現;可在系統中對機組流量計裝置進行遠程控制，也可以通過獨立設計的切換箱控制現地單元來讀取其他機組流量計裝置的換能器所測量到的信號;同時還能結合人機界面進行在線計算水輪機效率、繪制效率曲線及管道流態分布圖等。運用該系統，對三峽水利樞紐電站機組進行了現場效率實驗，結果表明該系統的測流精度和所提供的數據完全能夠滿足試驗的要求。

關鍵詞：流量測量;水輪機效率;超聲波流量計;Modbus協議;地下電站;三峽水利樞紐

中圖法分類號：TV734

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.030

1背景介紹

三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程，安裝有32臺700MW的巨型水輪發電機組[1]。為了保證這個大型水利工程能夠合理利用水資源和進行科學調度，必須獲取機組的水輪機效率。水輪機效率是保證水輪機高效運轉、也是水電站機組檢修后現場試驗的重要技術指標。實時流量、水頭等都是計算水輪機效率的重要參數。超聲波流量計是當前水電站流量測量的最佳技術手段，因其高精度、高可靠性適用于大型圓形管道和矩形管道，而且原理上不受管徑的限制，因而在當前大流量測量中得到了廣泛應用[2]。與計算機通信等信息技術相結合，可以建立一套有效的效率測量分析系統，以便對機組的長期運行進行監測并提供反應機組特性的實時數據，達到科學用水和實現電廠經濟運行的目的[3-5]。

2水輪機流量測量與效率計算

2.1水輪機效率計算公式

首先，計算出機組的效率，機組效率計算公式如下：

公式

式中，V為機組效率，%;P為機組的有功功率，W;ρ為水的密度，kg/m3;g為加速度，m/s2;Q為水輪機的過水流量，m3/s;H為工作水頭，m，其中，H=Hj+Hz，Hj為凈水頭，Hz為動水頭，單位均為m[6-7]。

水輪機效率計算公式如下：

公式

式中，Y為水輪機的效率，%;V為機組的效率，%;η為發電機的效率，%。

通過公式（1）中機組效率計算公式可以看出，水輪機的過水流量Q是計算水輪機效率的一個重要參數，也是流量測量系統的關鍵所在。

2.2水輪機流量測量裝置的選擇

三峽水利樞紐中的流量過流斷面尺寸巨大，地下電站引水蝸殼壓力鋼管進口的最大直徑為12.4m。從進口開始，斷面逐漸縮小，截面半徑從6.2m到2.1m不等，尺寸及重量均為國內之最，由壩體進水口延伸到下游水輪機蝸殼的前部，管內的水流流速約為0～8.5m/s之間。三峽水利樞紐電站的初期水頭為61～94m，后期水頭為71～113m，每年汛前庫水位降到145m時，水頭變幅很大。地下電站水輪機的額定流量大約為900m3/s，最大流量約為1020m3/s。綜合考慮到地下電站現場的安裝條件及測量精度、流態多變等問題，最終地下電站30，31號機組采用了美國Accusonic公司生產的型號為7500的大口徑18聲路內敷式超聲波流量計裝置來測流，并針對該裝置開發出了流量測量與效率分析系統軟件[8-9]。

3流量測量與效率分析系統整體構架

3.17500超聲波流量計裝置的組成

7500流量計裝置由2臺現地單元組成，分別是7500主機A，7500從機B（以下簡稱7500A，7500B），7500A帶有數據顯示功能。每臺機組均由36支換能器組成18聲路布置在蝸殼前的壓力鋼管上，使用高強度防水銅軸電纜，將換能器測量的信號分別連接到7500的主機和從機上。7500主機和從機通過RS-485總線實現與流量測量和效率分析系統主機柜的通訊。7500系列流量計的通訊方式采用標準的ModBus協議，從流量計裝置獲取的信號量包含有機組流量、流速、聲速及增益等。同時，為了防止流量測量與效率分析系統出現系統故障而不能進行數據傳送，7500流量計的主機會將流量數據以模擬量的方式發送到機組的監控系統作為備用數據存儲。換能器具體的安裝布置如圖1所示。

3.230號或31號機組與28號機組流量計裝置實現相互測量

地下電站的30，31號機組采用相同的流量計裝置和測流系統進行測流。28號機組的整個流量計裝置和測流系統采用的是其他生產廠家的。為了滿足現場效率試驗的需要，也為了使流量測量能夠得到更加高精度的數據，3臺機組流量計現地單元的設計在安裝上與其他機組不同。30號或31號機組的流量計裝置主機通過切換箱的切換，可以接收到28號機組流量計裝置的換能器所送上來的信號。同理，28號機組的流量計主機也可以接收到30號或31號機組流量計裝置的換能器所送上來的信號，以實現互測功能。不同廠家流量計裝置的主機可以去測量其他流量計裝置的換能器信號，流量計主機的測量精度是不同的，這樣更能反映出真實的流量值。

在三峽水利樞紐電站所有機組的測流系統中，這3臺機組是唯一采用了該設計方案的。其安裝連接情況如圖2所示。

3.3流量測量系統總體結構

由水輪機的效率計算公式可以看出，水輪機的流量、工作水頭、有功等是計算水輪機效率不可缺少的重要參數，也是流量測量系統必須要獲取的。因此，測流系統需要與機組LCU（現地控制單元）、機組振擺等采集到的數據實現相互共享。

為了方便水輪機效率相關數據的管理，在本系統中，將30號31號機組和28號機組的數據全部在一個人機界面中統一進行處理。同時，采用研華工業控制計算機作為流量測量與效率分析系統的主機，系統的整體構架如圖3所示。

4流量測量與效率分析系統實現功能

4.1系統對外通訊功能

系統中的通信方式全部采用Modbus標準通信協議[10-11]

（1）作為Modbus主站，系統與流量計主機和從機進行通訊，獲取流量等數據;同時，可以向流量計裝置的主機寫入、修改控制參數，對流量計裝置實現遠程控制。

（2）作為Modbus從站，系統與機組LCU通訊，獲取來自機組的凈水頭、有功、無功、導葉開度以及蝸殼壓力差等數據。

（3）作為Modbus主站，系統與振擺通訊，獲取振擺輸出的凈水頭。

（4）作為Modbus從站，系統將采集到和計算出的幾個能反應機組特性的數據，比如水輪機效率、耗水率、累計流量，累計漏水量等傳送給機組LCU。

（5）在電廠現場進行效率試驗的時候，測流系統作為Modbus的主站，通過網絡方式將30號機組和31號機組的數據與28號機組流量計采集到的主要數據進行交換，把本機測量到的數據傳送給對方。

4.2人機界面功能

系統能夠提供方便、直觀的界面操作，實現以下功能：

（1）可通過界面直接對流量計裝置進行參數設置，實現對流量計裝置的遠程控制;

（2）可以在線計算水輪機效率，并實時顯示;

（3）根據獲取的數據，對機組水流斷面可以實時繪制出流態分布圖并顯示出來;

（4）實時監控系統與所有外界設備進行通訊的通訊狀態;

（5）在界面中可進行人工設置參數，自動繪制出各種能反映機組特性的曲線圖;

（6）在界面中完成歷史數據的查詢與導出;

（7）可以實時顯示每一臺機組的所有實時數據。

4.3數據存儲與檢索功能

系統中采用輕型的關系數據庫SQLite來管理數據的存儲、檢索、統計分析等，相比大型商用數據庫，其讀寫速度更快，便于維護。同時，還創建了以Mem-cached作為高速緩存與歷史數據庫協同工作的模式，將采集到的原始數據經過軟件內部計算、分析處理后寫入高速緩存，由相應的后臺服務端進行讀寫，即寫入歷史庫和前端界面顯示。

歷史庫提供豐富的數據記錄功能，以不同時間間隔提供兩種記錄數據的方式。一種是按照每一秒鐘存儲;一種是按照每小時存儲，以方便對不同的數據進行統計并生成報表。提供不同的數據查詢方式并以表格的方式導出，可按機組查詢，也可按與流量、效率相關的數據進行分類查詢。同時，為了數據能長期安全保存，系統會定時對歷史庫進行數據備份[12-13]。數據庫存儲過程如圖4所示。

5流量測量精度與模型數據對比

為了驗證該系統中流量計的測量精度和水輪機模型計算流量的試驗結果，在特定的工作水頭下，對31號機組進行了變負荷試驗，并由流量測量與效率分析系統記錄下整個過程的相關數據。通過人工設置后，系統會自動從數據庫中獲取到一定時間內穩定工況狀態下的流量數據，從中選擇幾組特征數據進行實驗。通過對表1的試驗結果進行分析可知，在特定的試驗水頭下，流量測量與效率分析系統采集上來的流量數據和模型試驗計算出來的流量數據之間的誤差較小，在0.7%以內[14-15]。這也說明了模型計算流量試驗的準確度[16-18]。

另外，根據選取的31號機組在特定水頭下的實測9組流量數據和模型計算的流量數據，計算出了水輪機的效率，并繪制出了真機效率曲線和模型效率曲線的擬合圖，如圖5所示。由圖5可以看出，模型流量數據計算出來的水輪機效率和根據實測流量計算出來的水輪機效率非常接近，誤差很小。同時，也證實了機組流量測量的精度對效率計算的影響程度[19-20]。

6結語

三峽水利樞紐地下電站水輪機流量測量與效率分析系統是在采用了國外廠家生產的流量計裝置的基礎上設計開發出來的。該系統具有與機組監控系統、振擺系統以及其他機組測流裝置進行通訊的功能，并可實現對機組流量計裝置的遠程控制，完成機組流量相關數據的采集、效率計算、流態分布的曲線繪制、數據分析以及導出等功能。系統需求和測量精度完全能夠滿足水輪機現場效率試驗的要求，具有通用性和擴展性。而且一臺機組的現地單元通過控制可以去讀取其他機組安裝的不同廠家流量計裝置的換能器的信號，可以實現不同機組、不同廠家流量計之間的互測。在國內的水電站機組測流中，該系統是唯一采用了該設計方式的。

系統在三峽水利樞紐地下電站安裝投運以來，運行狀況穩定，數據測量準確，為電站的日常監測和現場效率試驗提供了實時準確的數據，保障了電站科學合理的調度，實現了經濟運行。同時，三峽水利樞紐電站也是在國內首次使用了大口徑18聲路超聲波流量計進行測流的，它的成功運行，可為其他電站流量測量系統的建立提供技術參考。

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引用本文：曲立娜，貪劍虹.三峽水利樞紐地下電站機組流量測量與效率分析[J].人民長江，2019，50（4）：172-175.

Flow measurement and efficiency analysis on underground powerhouse in Three Gorges Projec

QU Lina，YUN Jianhong

（1.Nanjing Sunrise Electric System Control Co.Ld.，Nanjing 210003，China;2.Shanxi Water and Power Survey and DesignInstitute，Xi' an 710000，China）

Abstract：Given the technical features of the 18 acoustical circuit large diameter ultrasonic flow meters that are manufacturedby Accusonic，an US company，and in order to measure water flow for unit 30 and unit 31 of Three Gorges underground hydropower station，a set of real time and effective flow measurement system was established.The system is able to conduct on-lineefficiency calculation and analysis.This paper introduces the overall design scheme as well as technical implementation.The system can remotely control unit flow meter device and read the signal captured by the transducer of other unit flow meter through independently-designed locale control unit of switching box.At the same time，we can calculate the efficiency of hydraulic turbine，plot the efficiency curve and the scattergram of the distribution of pipeline flow regime by a human-machine interface，andetc.The system was used to test the efficiency of the units of Three Gorges underground power station，and the test results showedthat its accuracy and the data fully met the standards.

Key words：flow measurement;turbine efficiency;ultrasonic flow meter;Modbus agreement;underground powerhouse;ThreeGorges hydropower project