基于超聲波測流法導(dǎo)葉漏水量的測量研究

馬國華

（云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217）

0 前言

導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組的主要設(shè)備之一，在水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程起開斷水流、調(diào)節(jié)流量、形成速度環(huán)量等重要作用。理想情況下，機(jī)組停機(jī)時導(dǎo)葉應(yīng)能完全截?cái)嗨鳎捎诹黧w及過流部件自身的特性，加上設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面的原因，導(dǎo)葉間隙不可能達(dá)到理想狀態(tài)，導(dǎo)葉漏水是普遍現(xiàn)象。國家標(biāo)準(zhǔn)對水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量允許值有明確的規(guī)定[1]，以此為依據(jù)，導(dǎo)葉漏水量可作為評價(jià)機(jī)組品質(zhì)和狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[2]，導(dǎo)葉漏水的測量是水電站值得關(guān)注的問題。

1 導(dǎo)葉漏水量測量的意義

導(dǎo)葉漏水量過大對水電站有如下危害[3]：

1）機(jī)組開、停機(jī)困難。開啟機(jī)組時，過大的導(dǎo)葉漏水量會造成主閥前后平壓困難，導(dǎo)致主閥開啟失敗進(jìn)而影響機(jī)組開啟過程；機(jī)組停機(jī)時，過大的導(dǎo)葉漏水量會使機(jī)組保持低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，影響機(jī)組停機(jī)流程，并且會加重停機(jī)過程軸承部件的磨損。

2）停機(jī)機(jī)組蠕動。機(jī)組在停機(jī)態(tài)時，若導(dǎo)葉漏水比較嚴(yán)重，且機(jī)組制動未投時，會造成機(jī)組蠕動，危及設(shè)備的安全。

3）水能資源損失。導(dǎo)葉漏水會造成電站水能資源浪費(fèi)，影響電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

因此，出于對水電站安全性、經(jīng)濟(jì)性的考慮，正確地進(jìn)行導(dǎo)葉漏水量的測量，掌握機(jī)組的導(dǎo)葉漏水情況，可以給電站提高檢修質(zhì)量、優(yōu)化機(jī)組品質(zhì)提供依據(jù)。

2 導(dǎo)葉漏水量的測量方法

導(dǎo)葉漏水量是指在導(dǎo)葉關(guān)閉情況下，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)葉間隙流向機(jī)組下游的水流量。由于導(dǎo)葉位于水輪機(jī)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(jìn)行測量。對于引水式機(jī)組，常規(guī)的測量方法是關(guān)閉壓力鋼管前端的進(jìn)水閘門，通過測量壓力鋼管某一段的水位變化速率，計(jì)算出導(dǎo)葉的平均漏水量[4-5]。該方法的缺點(diǎn)是測量導(dǎo)葉漏水時必須關(guān)閉進(jìn)水閘門，需進(jìn)行啟閉閘門的操作；同時，由于進(jìn)水閘門的漏水量測量難度較大，一般對于進(jìn)水閘門的漏水量不予考慮，測量結(jié)果存在誤差；另外，測量壓力鋼管的水位變化率需持續(xù)較長時間且壓力鋼管的截面尺寸誤差也會對測量精度產(chǎn)生影響。對于配備進(jìn)水主閥的機(jī)組，可用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測量，該方法具有簡便、快速、高精度的優(yōu)點(diǎn)，在某電站以此法進(jìn)行了水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水測量的嘗試，試驗(yàn)結(jié)果基本滿意。本文對用超聲波流量計(jì)測量導(dǎo)葉漏水量的原理及應(yīng)用情況加以介紹。

2.1 超聲波流量計(jì)測流原理

超聲波流量計(jì)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(fā)射的超聲束所需的時間差值來測量管道中流體的流速，進(jìn)而換算出通過管道的流量。圖1為時差式超聲波流量計(jì)測流示意圖，其原理為：換能器1發(fā)射信號穿過管壁、介質(zhì)、另一側(cè)管壁后，被換能器2接收到，同時，換能器2發(fā)射信號被換能器1接收到，由于受到介質(zhì)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(guān)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(fā)射出至被換能器1接收到所經(jīng)歷的時間，s；

td為超聲束由換能器1發(fā)射出至被換能器2接收到所經(jīng)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(jì)算公式如下：

其中：D為被測管道內(nèi)徑，mm。

2.2 換能器安裝方式

超聲波流量計(jì)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(diǎn)如表1所示。

圖2 直射式

圖3 反射式

表1 超聲波流量計(jì)換能器安裝方式的比較

實(shí)際測量時，換能器安裝方式根據(jù)管道材質(zhì)、安裝間距、換能器安裝難易程度等實(shí)際情況靈活選擇。

2.3 管道壁厚的測量

超聲波流量計(jì)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(dāng)探頭發(fā)射的超聲波通過被測物體到達(dá)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(jì)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(fā)出至反射回探頭的時間，s

3 電站導(dǎo)葉漏水量的測量試驗(yàn)

3.1 電站概況

某電站裝機(jī)容量3×80MW，機(jī)組額定水頭150m,額定流量57.91m3/s，根據(jù)GB/T 15468-2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》規(guī)程要求，機(jī)組在額定水頭時導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于0.1737m3/s。為檢驗(yàn)機(jī)組導(dǎo)葉漏水量是否滿足規(guī)程要求，應(yīng)電站要求，對該電站2號、3號機(jī)組開展了導(dǎo)葉漏水量測量試驗(yàn)。該電站引水系統(tǒng)為長引水系統(tǒng)，采用容積法測量導(dǎo)葉漏水量存在不經(jīng)濟(jì)、試驗(yàn)開展難度大等問題，考慮到電站引水系統(tǒng)配備了進(jìn)水蝶閥，決定用超聲波流量計(jì)對該電站2號、3號機(jī)組進(jìn)行導(dǎo)葉漏水量測量。該電站進(jìn)水蝶閥技術(shù)參數(shù)表如表2所示。

表2 電站進(jìn)水蝶閥技術(shù)參數(shù)表

3.2 換能器的布置

由于蝶閥上、下游側(cè)壓力基本相等，可認(rèn)為蝶閥的漏水量為零，因?qū)~漏水造成的水流動全部經(jīng)由蝶閥旁通管流向蝶閥下游，旁通管上測得的流量即為導(dǎo)葉漏水量，故換能器布置于旁通管進(jìn)行測量。由表2可知，該電站進(jìn)水蝶閥旁通管材質(zhì)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(jìn)水蝶閥旁通管的壁厚,將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入超聲波流量計(jì)主機(jī)，可自動算出換能器的安裝間距。確定安裝間距后，用角磨機(jī)在旁通管相應(yīng)位置進(jìn)行打磨，消去旁通管表面涂層后，安裝相應(yīng)的換能器并固定，然后連接儀器進(jìn)行調(diào)試。

3.3 測量步驟

根據(jù)超聲波流量計(jì)測流原理，主要測量步驟如下：①機(jī)組停機(jī)；②關(guān)閉導(dǎo)葉；③關(guān)閉進(jìn)水蝶閥；④投入檢修密封；⑤安裝超聲波流量計(jì)換能器于旁通管；⑥開啟旁通閥；⑦待穩(wěn)定后啟動超聲波流量計(jì)進(jìn)行測量，并記錄數(shù)據(jù)。

3.4 測量結(jié)果

對兩臺機(jī)組的旁通管分別測量5次，然后計(jì)算平均值。

3.5 測量結(jié)果離散程度分析

由于蝶閥上、下游側(cè)壓力基本相等，可以認(rèn)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(dǎo)葉漏水量進(jìn)行了測量。此次測量使用的超聲波流量計(jì)準(zhǔn)確度等級為0.01，測量精確度較高。以實(shí)測導(dǎo)葉漏水量的平均值為最佳期望值，可用實(shí)測數(shù)據(jù)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差衡量數(shù)據(jù)的離散程度，判斷測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。極差和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下：

其中，R為極差，與流量同量綱；

Qmax和Qmin為實(shí)測漏水量的最大值與最小值，m3/s

σ為標(biāo)準(zhǔn)差，與流量同量綱；

n為測量次數(shù)；

Qi和為漏水量實(shí)測值和平均值，m3/s。由公式(7)、(8)可知，2號機(jī)實(shí)測導(dǎo)葉漏水量的極差為0.0119m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0040m3/s；3號機(jī)實(shí)測導(dǎo)葉漏水量的極差為0.0044m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0015m3/s。可見測量數(shù)據(jù)極差和標(biāo)準(zhǔn)差均較小，數(shù)據(jù)離散程度小，重復(fù)度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。此外，測量結(jié)果與該電站技術(shù)合同中對導(dǎo)葉漏水量的規(guī)定值比較接近，且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。超聲波測流法可以作為判定水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的方法在水電站實(shí)際測試中應(yīng)用。

4 結(jié)束語

獲取真實(shí)可靠的導(dǎo)葉漏水?dāng)?shù)據(jù)，對于水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉檢修調(diào)整、評價(jià)安裝質(zhì)量等具有較大的工程意義，本文采用的超聲波流量計(jì)測量導(dǎo)葉漏水量的方法具有實(shí)施簡便、測量時間短、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可為其它水電站導(dǎo)葉漏水量的測量提供參考。