基于流体力学的水电站机组测流系统研究

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[摘 要]本文主要根据二滩水电站机组测流系统的现状，并结合流体力学理论，对不同测流元件进行比较与分析，着重从测流系统的设计结构、测量原理、安装位置、运行管理等方面介绍机组测流系统的优势与特点，供参考。

[关键词]过机流量；差压法；流量开关；热传递

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0284-02

作为20世纪中国建成投产的二滩水电站，安装有6台单机容量为550MW的混流式水轮发电机组，一直承担着区域电网的调频、调压和调峰任务。二滩水电站机组测流系统分为过机流量测量系统和导轴承冷却水测量。

若过流部件发生异常，必然会影响水轮机效率，使耗水率增大。因此对过机流量的精确测量，将提高二滩水电站的经济运行和设备管理水平，具有重要的现实意义。

二滩水电站导轴承冷却水流量信号作为开机条件的判断依据之一，采用的是德国TURCK公司的FCS-G1/2A4-AP8X-H1141型热式流量开关，分别检测上导、下导、水导、空冷器冷却水管道以及大轴补气水和主轴密封水流量，此流量开关输出开关量信号，直观且方便维护。

1、过机流量测量

1.1 过机流量测量原理

二滩水电站过机流量测量方法运用的是差压法测流原理。差压法是大型水轮机过机流量在线测量方法中目前较为成熟、在水电站运用较多的一种测量方法，具有维护简单方便、投资费用节省等优点。

二滩水电站的厂房位于大坝左岸的地下，采用混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，额定水头165m，额定容量582MW，额定流量367m？/s，额定转速142.9r/min，水轮机采用单机单管引水方式，6条竖井式压力管道平行布置，内径为9m。

在每台机的金属蜗壳上，设置了变径管道和蜗壳压力测量断面（A～E），并安装了相应的测压管。具备实施蜗壳差压法测流的条件。如图1所示：

经过许多现场试验证明：无论是圆形金属蜗壳或T形混凝土蜗壳，流量Q相当准确地正比于不同半径上两点压力差的平方根，即是通过坐标原点的直线

。蜗壳流量系数K对于同一个蜗壳上两个固定测压孔而言是一常数，对不同机组蜗壳或同蜗壳不同测压孔而言则是另一不同的常数。而K值在不同水头下又仍保持为常数，只在低水头（H

精确测量压差已不是问题，关键是要准确率定流量系数K值。

二滩水电站投运后，根据设备采购合同约定，选用5#机组由制造商GE请第三方公司进行了一系列的验收试验，通过水锤法率定蜗壳流量系数K蜗以及压力钢管变径段流量系数K变。

a.蜗壳差压流量系数K蜗

虽然系数K蜗通过理论计算可以得到，但在蜗壳制造、安装阶段，对各参数的尺寸精度要求不高，并受制造水平和安装条件的制约，真机与图纸存在差异。这种差异不但每台机不同，且因现场条件的限制难以准确测量。又因率定K蜗的试验工期太长，需要反复甩负荷，和费用高、系统影响太大等原因，故而难以实施。

b. 变径差压流量系数K蜗

图1中，水流Q在通过一段变径管的前后圆形断面后，其压力和速度发生变化，忽略水力损失，根据水流连续方程和伯努利方程，当测压高程一致时：

Q为流量，分别为变径管前后断面的面积、水流的速度、断面内径，为前后断面的水流压力、之差，为物理常数。

根据式（1）～（5）得出：

从上式可以看出，变径流量系数K变仅仅取决于两个测压断面的内径大小，可以通过将现场测量得到的实际尺寸带入公式（7）计算得到。二滩水电站6台水轮机引水变径前后断面内径（DA、DB）测量均值和流量系数K变计算结果如下：

由于水流总要受到摩阻的影响（水力损失），因此以上计算得到的K变偏大于实际值，需要用一个修正值μ来修正；μ称为文德里流量计系数。事实上，对于5号机，通过水锤法率定得到K变值（73.168）与计算值之比即为系数μ。

其值为0.980，与经验值完全吻合，这也证明测量计算和真机率定结果均是正确的。因此表2中各数值乘以μ，得到各台机的变径流量系数实用值如表3：

通过一系列的推导、测量、计算，对二滩水电站的每一台水轮机，得出了精确地差压测量系数K变。将这一结果运用于每台机的差压法流量测量装置中，从而实现二滩水电站水轮机过机流量的在线测量，其精度达到了现场实用标准。

1.2 过机流量测量回路

二滩水电站在每台水轮机测压盘内均安装了过机流量变送器（型号：3051CD4A22A1AM5B4C6；量程：0～25 MPa），运用差压法测量原理测量蜗壳内断面的压差值，经变送器输出为4～20mA电流值，送状态监测主机现地显示和经串口送CCS显示，如图2所示。

根据机组有功和过机流量的关系公式：

式中表示机组有功，Q表示过机流量，H表示水头，n表示机组效率。

当H和保持不变时，机组有功N与过机流量Q成正比，实时值曲线图如图3：

红色曲线表示机组有功，蓝色曲线表示过机流量。

2、导轴承冷却水流量监测

2.1 测流元件简介

二滩机组测流系统的流量开关都是采用的热传导工作原理，当水流量增大时，感温探头的温度降低，其热敏电阻阻值下降，根据这个变化的电阻值流量开关可以测得流量，并且送出一对开关量到CCS报警。二滩水电站机组测流系统选用德国TURCK的FCS-G1/2A4-AP8X-H1141型热式流量开关，分为220V AC和24V DC两种。图4

是24VDC流量开关原理图。

XZ-8流量处理模块将220VAC电源转换为24VDC，然后接受流量计送过来的模拟信号量，当模拟量到达一定的值以后送出DI信号至LCU。每台机组所有24V流量开关的DI信号公用一个COM端子。

220VAC流量开关为四线制：两根电源线，两根信号线。图5是220VAC流量开关原理图。

220VAC流量开关直接输出开关量，但因为电压等级较高，所以使用继电器K1进行中间隔离。

2.2 测流元件安装位置

a.上导、水导轴承冷却水管道流量开关安装位置，如图6所示：

图6中左右分别为上导、水导轴承冷却水管道流量开关安装位置。

上、水导轴承冷却水管道流量开关均安装在竖直管道上，管径为48mm，上导流量开关距离上下管段距离分别为4m和1m，水导流量开关距离上下管道距离分别为18cm和160cm均接近或大于四倍的管径，满足TURCK流量开关安装要求。但是上导冷却水水流向下，由于重力作用，容易出现水流不满管现象，流量开关探头表面容易受气泡影响，导致探头测量不准确，从而增加了缺陷率。目前正考虑更换安装位至水平管道处，以减少测量不准确现象。

b.空冷器、下导轴承冷却水管道流量开关安装位置，如图7所示：

图7中左右分别为空冷器和下导轴承冷却水流量开关安装位置。

空冷器冷却水管道上流量开关安装在水平管路上，管径为114mm，流量开关距离左右弯管段距离分别为50cm和100cm，均大于四倍管径，满足TURCK 流量开关安装要求，从历年统计数据看，空冷器冷却水管道上流量开关缺陷也不如其他机组冷却水测流用流量开关多。

下导轴承冷却水管道上流量开关安装在水平管道上，管径为85mm，流量开关距离左右弯管段距离为大于40cm（实际测量时有部分管段在墙体内部），大于四倍的管径，满足TURCK流量开关安装要求。

3、机组测流系统的特点

3.1 精确可靠

二滩水电站机组测流系统分为过机流量测量和导轴承冷却水测量。过机流量的测量要求准确可靠，因此采用的是差压法测量原理，通过变送器输出4～20mA标准量进入监控系统CCS显示。经过多年的运行实践，此法测量精度满足水电厂过机流量测量要求，测量变送器的可靠性也满足实际应用要求。

3.2 简便可靠

导轴承冷却水流量信号直接作为了开机条件判断，因此二滩水电站对导轴承冷却水的测量要求简便可靠。热传递原理的流量开关形状小巧，方便安装维护，特别是可调节式旋钮能够方便解决探头结垢问题。经过多年的运行实践，热式流量开关运行可靠，维护方便。

4、结语

热式流量开关和差压法测量变送器的综合运用，强化了二滩水电站机组测流系统的功能，保证了系统的可靠性，优化了系统的结构。多年的运行实践验证了二滩水电站机组测流系统的可靠实用性，为在建或筹建水电站提供参考。

参考文献

[1] 徐文峰，二滩水电站水轮机差压法流量测量，水电站机电技术，2011.

作者简介

韩勇（1988―），男，助理工程师，主要从事水电站计算机监控系统设备维护工作。

杨艳（1988―），女，助理工程师，主要从事水电站机电设备维护工作。

周佳（1987―），男，助理工程师，主要从事水电站计算机监控系统设备维护工作。

郑德芳（1986―），男，助理工程师，主要从事水电站计算机监控系统设备维护工作。

李桃（1987―），男，助理工程师，主要从事水电站计算机监控系统设备维护工作。