多聲路時差法管道流量計在滿拉水電站的應(yīng)用

楊 軍

（西藏滿拉水利樞紐管理局，西藏 江孜 857400）

多聲路時差法管道流量計在滿拉水電站的應(yīng)用

楊 軍

（西藏滿拉水利樞紐管理局，西藏 江孜 857400）

流量計是水電站引水系統(tǒng)流量測量的關(guān)鍵設(shè)備，滿拉水電站使用一種多聲路時差法管道流量計，該設(shè)備結(jié)合當(dāng)代微電子及數(shù)字處理技術(shù)，兼具高性能及便于操作的特點，滿足水電站對水輪機的效率測量、運行狀態(tài)監(jiān)測及水資源管理的要求，實踐證明該設(shè)備在高原應(yīng)用是可靠和成功的。

水電站；多聲路時差法；流量計

0 引言

近年我國淡水資源匱乏的問題日益突出，對水電站水資源的利用和管理，從過去的粗放方式，逐步向著精細(xì)化的方向發(fā)展。隨著水電“能源接續(xù)地”目標(biāo)的提出，西藏地區(qū)的水力發(fā)力工程陸續(xù)開工建設(shè)，政府部門對水能水資源的管理方式也步入了新的階段，這對水電站水資源的有效使用效率提出了新的要求，對發(fā)電用水流量的高精度測量提出了更高的要求，滿拉水電站地處西藏日喀則地區(qū)，屬西藏滿拉水利樞紐工程的重要組成設(shè)施，2014 年對原有測流系統(tǒng)進(jìn)行了更新改造，安裝采用了多聲路超聲時差法管道流量計。

1 流量測量在水電站應(yīng)用的意義

1.1 實時監(jiān)測水輪機的效率

水輪機效率特性是水電站運行及調(diào)度的一項重要技術(shù)指標(biāo)。它要求流量測量具有極高的精度及可靠性，過去一般使用流速儀，壓力時間等方法，這些方法基本都是一次性的，無法實現(xiàn)水輪機流量及效率的長期在線監(jiān)測[1]。近年來高精度超聲波流量計已成為水電站壓力鋼管在線流量測量的唯一有效手段。

1.2 用于壓力鋼管爆破保護(hù)及水輪機的運行狀態(tài)監(jiān)測

水電站的壓力鋼管爆破漏水會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，對于一些存在地質(zhì)和環(huán)境危害的工程，需要考慮裝設(shè)壓力鋼管爆破監(jiān)測系統(tǒng)。壓力鋼管的爆破保護(hù)是通過對壓力鋼管的漏水量進(jìn)行監(jiān)測來實現(xiàn)的，在被保護(hù)管段的兩端裝設(shè) 2 臺流量計，相互間進(jìn)行通訊，通過對 2 個流量的比較，可以發(fā)現(xiàn)管道是否漏水。用于漏水監(jiān)測的 2 臺流量計必須有相同或相近的特性，測量精度要高，重復(fù)性要好，工作要穩(wěn)定可靠。超聲波流量計正好具備這些特性，因此水電站的壓力鋼管漏水監(jiān)測系統(tǒng)，幾乎都是由超聲波流量計構(gòu)成的。滿拉水電站附近的羊卓雍湖抽水蓄能電站，由于工作水頭高（近 800 m），地質(zhì)和環(huán)境條件復(fù)雜，因此裝設(shè)了多聲路超聲波流量計構(gòu)成的壓力鋼管爆破監(jiān)測系統(tǒng)。

水輪機導(dǎo)葉漏水量也可用來輔助監(jiān)測水輪機的運行狀態(tài)，水輪機經(jīng)過長期運行，其導(dǎo)葉會因氣蝕及泥沙磨損，致使漏水量變大。進(jìn)入引水鋼管的雜物將導(dǎo)葉卡住，或水輪機剪斷銷斷裂，也會導(dǎo)致漏水量突然增大。監(jiān)測水輪機漏水量有助于監(jiān)視水輪機引水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過大修前后漏水量的變化情況可以評估維修效果[2]。

1.3 用于水資源管理及環(huán)境保護(hù)

滿拉水電站地處青藏高原中西部，海拔 4 256 m。近年來隨著干旱及雪山退化的加劇，以及人類對水資源的開發(fā)利用量不斷增大，致使對生態(tài)系統(tǒng)的干擾不斷加大，甚至超出生態(tài)系統(tǒng)的承載能力。國家對西藏提出的建設(shè)生態(tài)環(huán)境安全屏障要求，使政府水職能部門對水電站水資源管理加大了力度，愈加嚴(yán)格，近期提出了生態(tài)流量的概念，高精度流量計對水電站上游水庫及下游河道環(huán)境保護(hù)有著十分重要的作用和意義。

2 流量測量系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)及安裝

2.1 時差超聲波流量計的流速測量原理

時差法流量計是利用超聲波在流體中傳播特性測量流量的流量計，測量其順流傳播時間（td）和逆流傳播時間（tu）的差值，從而計算出流體流動的線平均速度。工作原理圖如圖1 所示。

流體的軸向線平均流速 νm可用下式表示：

式中：tu為超聲波在流體中逆流傳播的時間；td為超聲波在流體中順流傳播的時間；L 為聲道長度；νm為流體的軸向線平均流速；φ 為聲道角。

2.2 多聲路時差法流量計的流量積分

對于直徑較大的圓管，流態(tài)復(fù)雜多變，為了提高測量精度一般采用多聲路的布置方式，如圖2 所示。在測量管段內(nèi)按照一定的規(guī)則設(shè)置多條聲道，將各條聲道測得的管道軸向線平均流速采用相應(yīng)的積分方法進(jìn)行積分計算，得到管道內(nèi)通過測量斷面的流量?？刹捎?2，4 和 8 聲路，流量積分公式為

式中：D 為管道直徑；n 為測量斷面上的聲路數(shù)；Wi為第 i 聲路的加權(quán)系數(shù)；νi為第 i 聲路上的線平均流速。

2.3 流量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

流量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由電子機箱、換能器和電纜組成。電子機箱又分為現(xiàn)地（前置）測量及（后臺）顯示處理單元。顯示處理單元可以配置不同數(shù)量的現(xiàn)地測量單元；而每個現(xiàn)地測量單元可以配置不同數(shù)量和類型的換能器。

流量測量系統(tǒng)靈活、模塊化的配置特點，使其能用最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)的方案，來測量 1 條、多條管道或渠道的流量。

現(xiàn)地測量單元安裝在測量管道附近，具有 IP66防護(hù)性能，可以用較短的信號電纜連接換能器，信號衰減小，抗干擾能力強。

顯示控制單元安裝在控室內(nèi)，通過串行總線連接多個現(xiàn)地測量單元，通訊距離可達(dá) 1 km 以上。顯示控制單元可同時對多臺機組的流量進(jìn)行監(jiān)測，可計算所有機組的流量和。全中文軟件操作方便，有信號波型顯示功能，便于故障診斷。有所有機組的歷史數(shù)據(jù)庫，便于集中管理。

顯示控制單元由進(jìn)口原裝工控機構(gòu)成，采用低工耗無風(fēng)扇 CPU 板及半導(dǎo)體固態(tài)硬盤，LCD 彩色液晶顯示器，可靠性極高，可長期連續(xù)無故障運行。

2.4 流量測量系統(tǒng)的安裝

安裝斷面一般選擇在蝸殼入口上游具有較長直管段的鋼管上。最好使安裝斷面的上下游都有一定長度的直管段。

一般換能器的類型需要根據(jù)現(xiàn)場的條件確定，即根據(jù)水輪機的工作水頭、壓力鋼管的直徑和鋼管是暴露的還是埋設(shè)的等現(xiàn)場條件選擇換能器。

對于埋設(shè)的管道，可選用內(nèi)裝式換能器并與對應(yīng)的換能器座配合使用。內(nèi)裝式換能器安裝在管道內(nèi)壁，需要將換能器電纜從壓力鋼管內(nèi)引出。有專用的穿纜器對電纜引出處進(jìn)行密封。內(nèi)裝式換能器上的超聲波工作單元是雙備份的，可在管道外進(jìn)行切換，克服了不能進(jìn)壓力鋼管檢修換能器的限制。

在直管段很長的情況下（一般上游要有 〉 10 D的直管段），在壓力鋼管上布置 4 個聲路，流量計測量精度就可以達(dá)到相應(yīng)要求。如果直管段較短，需要布置 2 個斷面共 8 個聲路，并用交叉聲路布置方法消除因直管段短造成的橫流影響，才能達(dá)到相應(yīng)的測量精度要求。滿拉水電站就采用了交叉 8 聲路的布置安裝。

3 滿拉水電站流量測量系統(tǒng)的特點及技術(shù)

滿拉水電站流量測量系統(tǒng)利用當(dāng)代電子技術(shù)發(fā)展前沿成果，結(jié)合運用 32 位浮點 DSP 處理器及大規(guī)模 FPGA 門陣列，通過高速運算的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)流量計模擬方式進(jìn)行信號檢波處理，具有測量分辨率高，抗干擾性強，適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境等優(yōu)點。

3.1 兼具高分辨率及抗干擾性的信號檢波處理技術(shù)

流量計使用了抗干擾性強的相關(guān)信號檢波方式，結(jié)合高速浮點 DSP 運算。相關(guān)信號檢波利用超聲波信號的特征，在發(fā)射時加以特定的調(diào)制，在接收時按其特征進(jìn)行針對性的數(shù)字濾波，可以在強噪音環(huán)境及信號嚴(yán)重崎變場合，準(zhǔn)確地檢出信號。

滿拉水電站地處高原，水溫長年在 6℃ 以下，特別在汛期洪水到來時，水中泥沙含量會突然大增。這時使用傳統(tǒng)的流量計會出現(xiàn)信號丟失或錯誤讀數(shù)，新技術(shù)的采用解決了這一問題。

3.2 采用多脈沖同步測量工作方式

由于水電站壓力鋼管平直段較短，管道內(nèi)呈現(xiàn)脈動流狀態(tài)，流速分布在空間及時間上都是變化的。傳統(tǒng)的流量計采用順序式測量方式，即使是多聲路，測量數(shù)據(jù)仍然波動較大，需經(jīng)長時間平均才能穩(wěn)定，而長時間平均又會降低流量計的動態(tài)響應(yīng)性能。

新型流量計采用多脈沖同步測量工作方式，即流量計的各個聲路（包括每個聲路的正逆方向）同時進(jìn)行同步測量。這樣可以在同一瞬間完成整個管道內(nèi)的流速測量及積分，每秒可進(jìn)行多達(dá)40 次以上的測量，加以平均得到的測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。

3.3 簡易直觀的調(diào)試診斷功能

超聲波測流系統(tǒng)是一種專業(yè)性較強的測試設(shè)備，其運行維護(hù)對于電廠班組難度較大。新型流量計采用 Windows兼容的圖形界面，操作維護(hù)方便直觀，如圖4 所示。在流量計大屏幕彩色顯示器上，可顯示設(shè)備內(nèi)部各項參數(shù)、變量。還可以顯示各個聲路的信號波形及數(shù)據(jù)，由此可監(jiān)測設(shè)備各個部分的運行狀況，診斷設(shè)備故障。

3.4 歷史數(shù)據(jù)記錄

新型流量計具有豐富的歷史數(shù)據(jù)記錄功能，它可以按規(guī)定的時間間隔記錄流量，累計流量及其他有關(guān)數(shù)據(jù)。便于流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，分析和整理。還可以根據(jù)需要，形成日、月流量等報表。

3.5 流量測量精度保證

由于水電站應(yīng)用的大口徑超聲波流量計必須在現(xiàn)場安裝，無法進(jìn)行實流標(biāo)定。現(xiàn)場安裝條件復(fù)雜，影響安裝精度因素較多。為保證流量計的現(xiàn)場測流的準(zhǔn)確度，由中國計量科學(xué)研究院組織進(jìn)行了大量的理論及實驗研究，制訂了《大口徑超聲流量計非實流校準(zhǔn)規(guī)范》[3]。流量計性能符合現(xiàn)場條件，安裝及效驗過程滿足上述規(guī)范，即可保證流量測量精度達(dá)到要求。

在流量計傳感器安裝過程中，使用了激光經(jīng)緯儀定位，激光測距儀測量幾何尺寸，流量計測流可以達(dá)到較高精度。

4 結(jié)語

多聲路超聲時差法管道流量測量系統(tǒng)在滿拉水電站安裝及投入運行以來，引水流量測量準(zhǔn)確可靠，操作和維護(hù)方便，性能穩(wěn)定。達(dá)到電站發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢測，及水資源計量管理的要求，特別是為保障滿拉水利樞紐水庫的科學(xué)合理調(diào)度提供確切數(shù)據(jù)支撐，保證了下游生態(tài)、農(nóng)牧業(yè)、生產(chǎn)生活的用水需求。

[1] 宋振滬，霍殿中.超聲波流量計及其在水電站中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，1984 (1): 62-70.

[2] 劉秀良.應(yīng)用超聲波測流技術(shù)進(jìn)行水電站機組流量效率試驗[J].水電廠自動化，2000 (B12): 26-29, 39.

[3] 孟濤，王池，陳海濱，等.用模型實驗方法研究三峽電站流量計準(zhǔn)確度[J].計量學(xué)報，2010 (6): 509-512.

Application of Pipe Flow Meter of Multi-path Time Difference Method in Manla Hydropower Station

YANG Jun
(Administration of Water Conservancy in Tibet Manla, Jiangzi 857400, China)

Flow meter is key equipment of flow measurement in hydropower station water diversion system.Pipe flow meter using multi-path time difference method has been installed in Manla hydropower station.The instrument combines with the latest electronics and digital processing technologies, realizes high performance and easy operation.It meets the specific requirements of turbine efficiency monitoring, turbine state monitoring, and water resources management.The practice proves that the equipment is reliable and successful application in Plateau.

hydropower station; multi path time difference method; flowmeter

P335

A

1674-9405(2014)06-0047-04

2014-10-29

楊 軍（1977－），男，四川射洪人，碩士，長期從事水利水電工程信息化方面研究。