水輪發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)流量及水頭測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

成漢森

(廣東粵海飛來峽水力發(fā)電有限公司樂昌峽分公司，廣東 樂昌 512200)

1 概 述

樂昌峽水利樞紐工程是廣東水利建設(shè)重點(diǎn)工程，是一座以防澇為主，結(jié)合發(fā)電，改善下游灌溉、航運(yùn)、供水等綜合利用的水利樞紐，是北江上游關(guān)鍵性防洪控制工程。樂昌峽水電站的發(fā)電廠房為地下式廠房，位于左岸壩肩山體內(nèi)，電站內(nèi)安裝有3臺(tái)混流立式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量44 MW，總裝機(jī)容量132 MW。為了加強(qiáng)電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)組流量及用水量在線監(jiān)測(cè)，提高自動(dòng)化水平和發(fā)電效益，經(jīng)過不斷測(cè)試和比對(duì)，利用水輪機(jī)原有的架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)計(jì)算得出機(jī)組發(fā)電實(shí)時(shí)流量及水頭。

經(jīng)過運(yùn)行考驗(yàn)表面，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可廣泛用于水輪發(fā)電機(jī)組。

2 流量監(jiān)測(cè)

2.1 水輪機(jī)流量監(jiān)測(cè)的意義

隨著電力市場(chǎng)的建立和完善，提高水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益成為企業(yè)利潤增長的突破口。在來水量和水庫庫容一定的前提下，盡可能將機(jī)組安排于高效率期間運(yùn)行，降低單位發(fā)電量耗水率，是提高水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平的重要途徑。

2.2 水輪機(jī)流量監(jiān)測(cè)的方法

流量監(jiān)測(cè)的方法主要有電磁法、超聲波法、差壓法，幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)；其中差壓法是水輪機(jī)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)方法中費(fèi)用最為節(jié)省、安裝調(diào)試方便，對(duì)水輪機(jī)組的正常運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生影響的方法。根據(jù)水輪機(jī)廠家的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙，樂昌峽水電站的廠房位于大壩左岸的地下，為混流半傘式水輪機(jī)組，額定水頭42 m，額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min。在每臺(tái)機(jī)的金屬蝸殼上，設(shè)置了蝸殼壓力測(cè)量斷面，安裝了相應(yīng)的測(cè)壓管，具備實(shí)施蝸殼差壓法測(cè)量流量的條件。

2.3 差壓法監(jiān)測(cè)原理

當(dāng)水流通過截面變化的流道時(shí)，其動(dòng)能和壓能會(huì)互相轉(zhuǎn)化產(chǎn)生壓力差；當(dāng)水流通過彎道時(shí)，動(dòng)量發(fā)生變化也會(huì)產(chǎn)生壓力差。水流在流動(dòng)過程中由于摩阻的作用，在不同斷面和部位之間同樣會(huì)產(chǎn)生壓力差，這些壓力差通過截面的流量存在一定的函數(shù)關(guān)系；對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，流量Q與蝸殼測(cè)流斷面內(nèi)外側(cè)壓差P的關(guān)系由下式表示[1]：

(1)

式中，ΔH為蝸殼內(nèi)外側(cè)壓差；K為蝸殼流量系數(shù)，一般機(jī)組建好，K為常數(shù)，蝸殼內(nèi)外側(cè)壓差可通過實(shí)際測(cè)量采集。

樂昌峽水電站蝸殼內(nèi)外側(cè)壓差采集口如下所示(見圖1)。

通過2CYB壓差變送器可直接簡便而精確地測(cè)量到蝸殼壓差數(shù)據(jù)，只要能確定蝸殼流量系數(shù)，即可以測(cè)出水輪發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。根據(jù)蝸殼設(shè)計(jì)理論[2]，假設(shè)蝸殼中水流沒有損失，則水流在蝸殼中的流動(dòng)符合等速矩規(guī)律，可通過伯努利方程式推導(dǎo)出來；該系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，不受水流速度及水頭的影響。蝸殼流量系數(shù)可通過額定水頭和額定發(fā)電量時(shí)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反算，但額定水頭難以達(dá)到，可通過水輪機(jī)廠家的出廠資料查到該數(shù)據(jù)；但是蝸殼流量系數(shù)K會(huì)受蝸殼制造、安裝階段和安裝條件的制約，產(chǎn)生一定的誤差。實(shí)際中可根據(jù)水情數(shù)據(jù)得出的某一時(shí)間段的平均值，對(duì)蝸殼流量系數(shù)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整和校準(zhǔn)，以達(dá)到最優(yōu)數(shù)據(jù)。

3 工作水頭監(jiān)測(cè)方法

水輪機(jī)工作水頭是指水輪機(jī)進(jìn)口斷面與尾水管出口斷面總單位能量之差，如公式(2)所示[2]：

(2)

V1=Q/F

(3)

式中，α1為動(dòng)能不平均系數(shù)，取為1；Z1為蝸殼進(jìn)口壓力表安裝高程(m)；Z2為尾水出口壓力表安裝高程(m)；P1為蝸殼進(jìn)口壓力(Pa)；P2為尾水出口壓力(Pa)；V1為蝸殼進(jìn)水口斷面平均流速(m/s)；V2為尾水管出水口斷面平均流速(m/s)；Q為實(shí)測(cè)流量(m3/s)；g為重力加速度(m/s2)；ρ為水的密度，數(shù)值為1.0×103kg/m3；F1為蝸殼進(jìn)口斷面面積(m2)。

其中，蝸殼出口壓力與尾水出口壓力差可通過壓差變送器采集到，水頭壓差采集口如下所示(見圖2)。

將公式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得

(4)

由于樂昌峽水電站采用的差壓變送器采集蝸殼進(jìn)口壓力與尾水管出口壓力的壓差值，相當(dāng)于蝸殼進(jìn)口壓力表安裝高程與尾水出口壓力表安裝高程相等，可得：Z1-Z2=0；而P1-P2可直接通過壓差變送器1CYB采集得出結(jié)果。根據(jù)前面得出的機(jī)組的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，只需要知道蝸殼進(jìn)口截面積和尾水出口截面積即可以確定V1和V2，截面積可通過機(jī)械圖紙上查詢后計(jì)算得出。式中重力加速度及水的密度均為常數(shù)，至此參數(shù)均可確定，工作水頭可以計(jì)算得出結(jié)果[3]。

4 機(jī)組流量及工作水頭在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：壓差測(cè)量系統(tǒng)、采樣變送器、水頭流量微機(jī)監(jiān)測(cè)儀、上位計(jì)算機(jī)(見圖3)。

差壓變送器采集到數(shù)據(jù)，通過4_20 mA模擬量傳送至流量水頭測(cè)量儀，測(cè)量儀通過采集的壓差數(shù)據(jù)換算成流量數(shù)據(jù)和水頭數(shù)據(jù)再通過4_20 mA數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控PLC，由此構(gòu)成整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，針對(duì)機(jī)組不同工況對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見表1)[4]。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

由于蝸殼內(nèi)外壓力差相對(duì)較小，所以實(shí)際流量跟理論流量會(huì)有偏差，但偏差值相對(duì)較小，可正常采集到實(shí)際流量。工作水頭因?yàn)闀?huì)有流量損失，所以工作水頭會(huì)比毛水頭偏小一點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)也是比較準(zhǔn)確的。以后如有可能，建議采用其他的測(cè)流量方法與該數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，更能檢驗(yàn)該裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度。

6 實(shí)現(xiàn)過程常見問題探討及處理

差壓法測(cè)流及凈水頭，雖然簡單實(shí)用，但是僅僅靠理論得出的K值及計(jì)算出相應(yīng)的截面積即可實(shí)現(xiàn)機(jī)組流量及凈水頭的測(cè)量；理論與實(shí)踐總是存在差異，如設(shè)備的選型及靈活的數(shù)據(jù)選擇方式，一個(gè)數(shù)據(jù)選錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真，這也是樂昌峽水電站建成以來總是無法得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的原因。

6.1 穩(wěn)壓

由于水輪發(fā)電機(jī)水流不是一直不變的，機(jī)組出力、導(dǎo)葉開度、勵(lì)磁電流、系統(tǒng)電壓等均可能造成該水流出現(xiàn)較大的波動(dòng)；而蝸殼的壓差本身就比較小，這種擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致誤差變得非常大。為解決以上矛盾，需要從兩個(gè)方面來考慮[4]：第一方面是考慮在取壓口采取必要的阻尼穩(wěn)壓措施，讓其壓力差不會(huì)因?yàn)楦鞣N工況的擾動(dòng)而造成較大的影響。第二方面是選用合適的差壓變送器。由于蝸殼流量壓差在滿負(fù)荷低水頭的時(shí)候壓力差也僅僅在十幾帕,因此必須選用量程及精度適合的變送器。樂昌峽水電站采用了40 Pa量程的變送器進(jìn)行采集，增加了穩(wěn)壓管，使得采集的數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

6.2 安裝方法

想要測(cè)量較為準(zhǔn)確的壓力差，第一要確保差壓變送器高壓及低壓管道安裝的正確性，不能將較高的壓力管道接到變送器低壓管道里，反之同理。第二在任何時(shí)候測(cè)壓管內(nèi)部都不能有空氣，防止氣堵現(xiàn)象，測(cè)量壓管要保持暢通、無泄漏；因此在安裝完成后要檢查管路是否有泄漏，對(duì)差壓變送器取壓口進(jìn)行排氣。最好在管路上安裝排水口，因?yàn)槲仛と嚎谂c變送器接口之間的管路較細(xì)，管內(nèi)的水流動(dòng)性較差，容易產(chǎn)生微生物堵塞的情況；因此加裝排水口定期對(duì)管內(nèi)的死水進(jìn)行排出，可保持管內(nèi)的暢通。

6.3 測(cè)量參數(shù)

根據(jù)水頭測(cè)量公式，需要采集到蝸殼進(jìn)口壓力表安裝高程及尾水出口壓力表安裝高程，但實(shí)際上將該兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入水頭流量效率儀里得到的水頭數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的；因?yàn)樗^的測(cè)量采用的也是差壓變送器，雖然蝸殼進(jìn)口取壓口和尾水出口取壓口相差數(shù)十米，但是到了變送器后都是同一水平面，因此該兩個(gè)高程差應(yīng)為0，無需考慮。

7 結(jié) 語

(1)蝸殼壓力差測(cè)流量的方法實(shí)現(xiàn)簡單，不需要加裝過多的采集儀器，在水電站中廣泛使用；但由于蝸殼壓力差本身數(shù)據(jù)偏小，需要配置合適量程和精度的差壓變送器。

(2)采用差壓變送器采集蝸殼進(jìn)水壓力與尾水出口壓力來測(cè)量工作水頭的方法可計(jì)算出更精確的工作水頭；同時(shí)需要注意的是該方法不需要考慮兩壓力采集的高程差，計(jì)算更加簡便。

(3)微機(jī)型監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)化水平高，已取得很好的效果，應(yīng)在水電站設(shè)計(jì)和技術(shù)改造中大力推廣應(yīng)用。