多聲道超聲測流裝置在貫流式水輪機效率試驗中的應用

王樹民

（中國電建海外投資有限公司，北京 100044）

0 前言

水輪機現場效率試驗是水電機組的基本試驗內容之一，是新投產機組或改造機組現場驗收試驗的一項重要檢測項目。水輪機作為一種能量轉換裝置，它的轉換效率是評價水輪機能量轉換性能優劣的最重要指標，每提高0.1%水輪機的效率都會帶來巨大的經濟效益，因此在機組投入商業運行前，一般都會要求對水輪機效率進行現場測量。通過現場效率試驗，獲得該機組在試驗水頭下的效率特性曲線，利用實測的效率特性曲線與模型試驗換算得到的真機效率特性曲線進行比較，就可以檢驗水輪機真機效率是否滿足設計及合同保證值要求。

水輪機絕對效率試驗主要包括工作水頭測量、功率測量、流量測量，其中水輪機流量測量是效率試驗中測量難度最大、工作量最多的環節。大型軸流轉槳式或燈泡貫流式水輪機，由于進水流道尺寸較大，這類機組的流量測定比較困難。常用的水輪機過機流量測量方法包括流速儀法和超聲波測流法，流速儀法可方便測出過水斷面的各個測點流速值，但現場安裝固定較困難且后期數據處理工作量大，而超聲波法具有測試相對簡單、測試數據精度高等優點。本文針對大型燈泡貫流式水輪機現場絕對效率試驗的難點，介紹了基于超聲傳播時間法的超聲測流裝置在大型燈泡貫流式水輪機現場絕對效率測試中的應用和特點，并結合老撾某水電站燈泡貫流式水輪機現場絕對效率試驗實例，進行了案例分析和總結，可為行業同類機型開展現場效率試驗提供有益的借鑒經驗。

1 多聲道超聲測流裝置

1.1 時差法超聲波流量計基本原理

時差法超聲波流量計通過測量超聲在流體中兩個方向傳播的時間差來計算流體的流速和流量。如圖1所示，一對換能器以聲道長度L、聲道角φ安裝在流道兩側，流體中超聲傳播速度C會與聲道投影流速Vproj=Vcosφ疊加，造成超聲從下游到上游換能器的傳播時間tu小于從上游到下游換能器的傳播時間td[1]。

由式（1）可以同時得到聲道投影速度Vproj和聲速C，進而可以得到聲道軸向流速

式（2）中，超聲傳播時間差Δt=tu-td是時差法超聲波流量計最關鍵的測量參數。聲道軸向流速的計算不依賴于聲速，因此介質成分及溫度、壓力的變化不會直接影響流速的測量結果。燈泡貫流式機組具有水頭低、水中漂浮物較多等特點，因此，時差法超聲波流量計更適用于燈泡貫流式機組過機流量的測量。

圖1 超聲傳播時間法原理示意圖

1.2 多聲道超聲流量計流量計算

在實際應用中，經常在流道不同的聲道高度Ei上平行布置若干聲道，如圖2所示，每條聲道的聲道軸向流速Vi代表其上下的一定面積內的平均流速，利用多個聲道軸向速度Vi更好的估計流道的面平均流速V，進而通過速度面積法得到流量。

式中，A為流道斷面面積，N為聲道數。

實際操作中，通常通過測得流體橫截面不同層面的平均流速Vi來擬合出流體過流斷面的流速分布函數，引入微積分概念對流速分布和面積分布進行二重積分，計算得到水輪機過機流量Q。

圖2 多聲道超聲流量計聲道布置

1.3 超聲傳播時間的測量

對時差法超聲流量計來說，時間測量精度是最重要的測量參數之一，因為各聲道流速是通過測量該聲道上下游時間差來計算的，所以時間測量精度不高，時間差分辨力就差，計算出的流速就不準確。目前高精度超聲流量計的時間測量精度可達皮秒（10-12s）級，不僅保證了高精度測量，同時也提高了小流量低流速的測量精度，擴大了流量計的量程范圍。另外，時間測量精度高聲速的分辨力就高，給故障診斷和在線校準功能的實施提供了可能性。

時間測量精度還與接收信號質量有一定關系。當測量傳播時間時，要求接收超聲信號的幅值穩定，幅值高于測量電平，這樣就能保證總是能測到第一個信號前沿。否則由于接收到的信號幅值變小，被測到的波有可能是第二個或第三個，多出一個信號幅寬，測量時間就會增加一個幅寬間隔，這樣波形的幅值不穩定也會帶來時間測量的誤差，見圖3示意。為解決這一問題，通常采用信號自動增益功能，確保接收信號的幅值穩定，使時間測量精度得到保證。

圖3 超聲波接收信號波形圖

1.4 零點調整與自糾錯算法

超聲流量計的信號發射接收系統是一對換能器。由控制器中的發射電路發射脈沖電信號通過信號電纜到一側的發射換能器上，換能器探頭把脈沖電信號轉換成機械能，機械能再轉換成聲能傳播給對面的換能器，對面的換能器把接收到的聲能轉換成機械能再轉換成電信號。同一個聲道的換能器能在發射和結算狀態進行互相轉換。同時流量計可在無流速狀態下檢測零點穩定度和延時時間的比對來進行零點調整和自校準。

流量計工作時，1 s發射脈沖信號的數量、波幅、幅寬是可以設定的，通過在線監測上述參數可以監控流量計信號發射與接收狀態，并根據測到的信號狀態進行診斷、評估、糾錯及報警。

2 水輪機現場效率測量

2.1 參數確定

水輪機效率計算公式如下：

式中：Pg為發電機有功功率，PT為水輪機輸入功率，ρ為水密度，Q為水輪機過機流量，H為水輪機工作水頭，ηg為發電機效率。

根據水輪機效率計算公式，要試驗確定水輪機效率，需要現場測定發電機輸出功率、水輪機流量和水輪機水頭3個參數。發電機效率可通過現場實測或根據廠家提供的發電機效率曲線查取，水的密度和當地重力加速度按現場條件，在IEC60041附錄E《物理數據表》中查得。

2.2 發電機輸出功率Pg的測量

發電機輸出功率采用三相三線有功功率變送器測量，功率變送器精度0.2級，CT、PT可采用電站現用的CT、PT。CT、PT的低壓側接入有功功率變送器通過一次轉換器輸出為與被測參量成函數關系的模擬量信號，模擬信號經傳輸系統送入數據采集系統。

2.3 水輪機流量Q的測量

在水輪機進水流道水平段安裝多聲道超聲流量計進行水輪機絕對流量Q的測量，測量方法滿足IEC60041：1991（GB/T 20043-2005）和GB/Z 35717-2017規程要求[2，3]，考慮到燈泡貫流式機組進水流道直管段短、流態復雜的特點，采用5×5交叉10聲道超聲流量計進行測量；超聲流量計的換能器采用內貼式安裝，在試驗前提前進行安裝，并對流量計進行現場校準，聲道布置及安裝位置見圖4流道剖面圖所示。

同時為校驗機組流量的差壓測量系統，在測量水輪機絕對過機流量時，對機組差壓測流點的差壓進行同步測量，以用來標定機組差壓流量計系數，方便日后流量監測和測量使用。

圖4 超聲流量計換能器安裝布置示意圖

2.4 水輪機工作水頭H的測量

水輪機水頭采用測取燈泡頭進口和尾水出口的壓差，按下式計算：

2.5 現場測量

根據上游庫水位情況，以及通過開機臺數控制下游尾水位，確定4個試驗水頭，在機組最大水頭、最小水頭、額定水頭及中間水頭附近4個水頭下，按選定的工況點開展水輪機出力和效率試驗，同步采集記錄機組轉速、有功功率、水頭、流量、導葉開度、流道進口壓力、尾水壓力。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

以最大水頭附近的試驗水頭的測量結果為例，試驗結果匯總表如表1所示，根據表1數據，得到水輪機絕對效率與機組有功功率的曲線圖，如圖5所示。

表1 水輪機效率數據統計表

由表1及圖5可以看出，在試驗水頭下，實測水輪機效率隨功率的變化趨勢與模型試驗結果基本吻合；試驗最高效率為95.34%，與廠家提供的水輪機運轉特性曲線查得試驗水頭下對應的最高效率95.28%基本一致。

圖5 不同功率下水輪機效率測量結果

3.2 誤差分析

水輪機效率試驗總誤差由系統誤差和隨機誤差組成，由下式計算得到：

3.2.1 系統誤差

水輪機效率試驗的系統誤差由相關測試設備的精度決定。根據水輪機效率計算公式（公式4），效率試驗的系統誤差包括流量測量誤差、水頭測量誤差、功率測量誤差、數據采集設備誤差四部分，由下式計算得到：

（1）流量測量誤差

水輪機流量采用交叉5聲道（10聲道）超聲波流量計進行測量，試驗前對流量計進行了現場標定，測量流道尺寸、對應探頭角度等，計算得到超聲波流量計的測量誤差。根據流量計測量原理，其測量誤差來源主要包括幾何參數測量、時間參數測量和流速代表性，根據本次試驗現場標定結果：

（1）流道尺寸測量誤差uD=0.074%

（2）聲道距離測量誤差uL=0.016%

（3）聲道投影測量誤差ud=0.22%

（4）傳播時間測量誤差uT=0.069%

（5）流速積分計算誤差u∫=0.44%

得到流量測量誤差為：

（2）水頭測量誤差

試驗過程中選用DRUCK UNIK5000型壓力傳感器，測量蝸殼進口與尾水出口壓力值，傳感器精度為0.1%。水頭測量誤差為：

（3）功率測量誤差

有功功率變送器為0.2級，試驗用電壓互感器和電流互感器為0.2級，故功率測量誤差為0.35%。

（4）數據采集設備測量誤差

數據采集儀選用美國NI CompactDAQ9185網絡機箱配合C9205數據采集模塊，整體數據采集系統精度為0.5%。

（5）水輪機效率試驗系統誤差

水輪機效率試驗系統誤差為：

3.2.2 隨機誤差

在穩定工況下，通過對同一試驗工況點（一般選最優工況）進行連續10次的采集，根據效率測量值的離散程度，計算得到效率試驗的隨機誤差。經計算本次水輪機效率試驗的隨機誤差（fη）R=±0.36%。

3.2.3 水輪機效率試驗綜合誤差

經計算，本次試驗水輪機效率試驗綜合誤差為：

4 總結

（1）應用多聲道超聲波測流裝置對燈泡貫流式水輪機進行絕對效率測量，實測水輪機效率試驗綜合誤差小于1%，實測水輪機效率特性曲線光滑，各工況點沒有明顯的離散，因此取得的試驗數據及計算成果是可信的。

（2）在試驗水頭下，實測水輪機最高效率為95.34%，由水輪機生產廠家提供的水輪機運轉特性曲線查得試驗水頭下對應的最高效率為95.28%，實測結果滿足效率保證值要求。

（3）多聲道超聲波測流裝置現場安裝簡便、數據準確可靠，適用于燈泡貫流式水輪機的現場效率試驗，應用效果良好。