蝸殼差壓測(cè)流量的應(yīng)用

郝臨景

北京十三陵蓄能電廠,北京 102200

蝸殼差壓測(cè)流量的應(yīng)用

郝臨景

北京十三陵蓄能電廠,北京 102200

蝸殼差壓的流量系數(shù)C與導(dǎo)葉開度和水頭變化無關(guān)，這使得蝸殼差壓測(cè)流量應(yīng)用起來很方便。實(shí)踐過程中我們首先用效率試驗(yàn)的逆過程來驗(yàn)證此種方法的可行性，然后用高精度的超聲波流量計(jì)作對(duì)比試驗(yàn)，得到蝸殼差壓的流量系數(shù)C。

蝸殼差壓；超聲波流量計(jì)；系統(tǒng)標(biāo)定；流量

0 引言

十三陵蓄能電廠#3機(jī)大修要對(duì)#2水道進(jìn)行排空檢查。為防止排水速度過快導(dǎo)致高壓鋼管受損，要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的排水流量。另外，在機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和水輪機(jī)效率試驗(yàn)中，水輪機(jī)流量是必不可少的數(shù)據(jù)之一。

1 蝸殼差壓法監(jiān)測(cè)機(jī)組排水流量的可行性分析

1.1 理論上流量與蝸殼差壓之間的關(guān)系

我們考慮用蝸殼差壓法監(jiān)測(cè)機(jī)組排水流量，現(xiàn)在的條件是：蝸殼差壓變送器輸出的4～20mA的模擬量送到監(jiān)控，顯示一個(gè)差壓值。我們之所以選擇蝸殼差壓法，是因?yàn)樗脑肀容^簡(jiǎn)單，精度能滿足要求，常為水電站采用。其原理是具有一定流速的水流流經(jīng)水輪機(jī)蝸殼時(shí)，由于蝸殼中心線彎曲，水流在彎曲流道上產(chǎn)生離心力，使得蝸殼內(nèi)、外緣兩點(diǎn)間產(chǎn)生壓力差，根據(jù)伯努利方程：

由連續(xù)性方程：

p'1p'2——流體在兩個(gè)截面的靜壓力；

v1v'2——流體在兩個(gè)截面的平均流速；

ρ——流體（不可壓縮）密度；

g——重力加速度；

S1S2——兩個(gè)截面的截面積。

可以推導(dǎo)出通過水輪機(jī)的流量與蝸殼差壓之間的關(guān)系：

1.2 通過水輪機(jī)效率試驗(yàn)驗(yàn)證這種關(guān)系

為了驗(yàn)證測(cè)壓孔安裝準(zhǔn)確，實(shí)踐中蝸殼差壓可以反映水輪機(jī)相對(duì)流量，我們作了水輪機(jī)工況實(shí)驗(yàn)。根據(jù)水力發(fā)電的基本方程：

P=9.81HQ；

P——水流的理論出力；

H——水輪機(jī)的平均水頭；

Q——水輪機(jī)流量。

可以看出，如果蝸殼差壓可以反映水輪機(jī)相對(duì)流量，那么在短時(shí)間內(nèi)，即水頭變化很小的情況下，差壓變送器輸出電流就應(yīng)該和有功功率成線性關(guān)系。

因此，用SFC將蝸殼差壓變送器由線性輸出改為開方輸出，回路中串接電流表，監(jiān)視變送器4～20mA電流輸出。

將數(shù)據(jù)生成關(guān)系曲線便可以看出二者成線性關(guān)系，即蝸殼差壓可以反映水輪機(jī)相對(duì)流量。

2 流量系數(shù)C的標(biāo)定

然而這個(gè)流量究竟是多少呢？由于水流流態(tài)復(fù)雜，且產(chǎn)生差壓的部件制作工藝及安裝條件的差異難于采用理論計(jì)算的方法確定差壓與流量的關(guān)系，但裝置選定后，可采用公認(rèn)的測(cè)量技術(shù)對(duì)該差壓測(cè)流系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，即計(jì)算出式（1）中的流量系數(shù)C，從而保證流量結(jié)果的精確度。

2.1 標(biāo)定工具選擇

十三陵蓄能電廠采用的這種公認(rèn)的測(cè)量技術(shù)是超聲波頻差法測(cè)量流量。它是通過測(cè)量順流和逆流時(shí)超聲波的重復(fù)頻率差來測(cè)量流量的，與聲速無關(guān)，因而可以排除流體各物理參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

我們采用的設(shè)備是美國(guó)ORE公司生產(chǎn)的7500型超聲波流量計(jì)，配有7601型超聲波換能器和7520型終端。流量通過測(cè)量壓力鋼管上多對(duì)聲波換能器之間聲脈沖傳播時(shí)間差而確定。十六只7610型聲波換能器在壓力鋼管四個(gè)不同高度的弦上構(gòu)成八組水平聲道。換能器對(duì)構(gòu)成兩個(gè)相交的平面。每個(gè)平面與流動(dòng)方向形成65°的標(biāo)稱角。所有換能器必須用精密經(jīng)緯儀精確的確定它們?cè)趬毫︿摴苌系奈恢?。換能器布置圖略。

然后將聲道長(zhǎng)度、角度和壓力鋼管平均半徑值輸入到流量計(jì)。已知聲道長(zhǎng)度、夾角以及聲波沿聲道的傳播時(shí)間差，則可以計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的速度，采用十字交叉聲道時(shí)，可以確定一個(gè)趨于真值的平均速度矢量。利用這種十字交叉平面布置，當(dāng)平均流線與鋼管中心線不平行時(shí)，測(cè)得的流量值比單個(gè)測(cè)量平面布置得到的流量值準(zhǔn)確。對(duì)每個(gè)聲道測(cè)得的流速沿壓力鋼管的截面積積分，便得到流量。

2.2 標(biāo)定過程

下面我們通過#4機(jī)組性能試驗(yàn)說明一下蝸殼差壓變送器的標(biāo)定過程。

首先，將蝸殼差壓變送器測(cè)得的差壓值和超聲波流量計(jì)測(cè)得的水輪機(jī)流量轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流輸出，接入錄波儀，選擇發(fā)電工況開機(jī)，采集的數(shù)據(jù)。將采集到的離散數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，形成趨勢(shì)線，再用乘冪法擬合得到關(guān)系式：水輪機(jī)流量＝5.1436×蝸殼差壓值0.4897。

由上可以看出對(duì)照式一的系數(shù)5.1436偏大。所以，我們又將蝸殼差壓值開方處理后輸入計(jì)算機(jī)，得到蝸殼差壓和流量之間的關(guān)系曲線。二者成線性關(guān)系，其關(guān)系式：水輪機(jī)流量=4.8261×蝸殼差壓值0.5+0.7917對(duì)比式一Q=C×D0.5，我們可以得出流量系數(shù)C≈4.8261(該曲線未過（0，0）點(diǎn)屬于隨機(jī)誤差，可以忽略)。

利用得到的流量系數(shù)，在監(jiān)控DCS上進(jìn)行組態(tài)，我們就可以在監(jiān)控畫面上實(shí)時(shí)監(jiān)視到機(jī)組流量了。

3 應(yīng)用效果

實(shí)踐過程中這一技術(shù)在十三陵蓄能電廠#2水道排空作業(yè)中起到關(guān)鍵作用，運(yùn)行人員在中控室就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控排水流量。機(jī)組大修后這個(gè)流量信號(hào)直接接到狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置上，為其提供了必不可少的數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明這個(gè)方法行之有效，其它機(jī)組可以采用同樣的方法測(cè)量水輪機(jī)流量。在推廣過程中，我們發(fā)現(xiàn)了#3機(jī)蝸殼差壓測(cè)壓孔取錯(cuò)了，并利用大修機(jī)會(huì)及時(shí)作了糾正。

4 結(jié)論

1）蝸殼差壓測(cè)流量適用性強(qiáng)。由于超聲波流量計(jì)換能器要求安裝精度高，與之對(duì)應(yīng)的工作環(huán)境又十分惡劣，加之多次檢修球閥需要拆裝換能器，導(dǎo)致中心偏離產(chǎn)生噪聲干擾，所以超聲波流量計(jì)試用于新裝機(jī)組的高精度標(biāo)定，不適合日常計(jì)量使用。相反，差壓變送器一經(jīng)標(biāo)定，便可以部分的代替超聲波流量計(jì)的功能。其數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于水輪機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為效率試驗(yàn)提供可靠數(shù)據(jù)。

2）經(jīng)濟(jì)性好。水輪機(jī)組安裝完畢后，蝸殼差壓變送器測(cè)壓孔通常已經(jīng)預(yù)留好了，無須安裝新設(shè)備，日常維護(hù)量幾乎等于零。

3）可以作超聲波流量計(jì)的比對(duì)依據(jù)，由于蝸殼差壓測(cè)流量的原理獨(dú)特，可以作為檢修后的超聲波流量計(jì)的校驗(yàn)依據(jù)。

[1]李軍，賀慶之.監(jiān)測(cè)技術(shù)及儀表.

[2]十三陵蓄能電廠調(diào)試手冊(cè).

[3]VOITH水泵水輪機(jī)性能試驗(yàn)報(bào)告.

[TM622]

A

1674-6708（2010）24-0167-02

郝臨景，工程師，工作單位：北京十三陵蓄能電廠，從事水電機(jī)組檢修工作，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化