超声波测流法在水轮机效率试验中的应用

黄波，田海平，寇攀高

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

每提高0.1%水轮机的效率都会带来巨大的经济效益，为了保障水轮机在高效率区工作，在水轮机组新投运或改造后，有必要对水轮机进行效率试验。试验主要包括工作水头测量、功率测量、流量测量。其中流量测量是效率试验中最重要的环节，同时测量难度最大，工作量最多。目前国内水轮机效率试验常采用的流量测量手段有流速仪法、蜗壳差压法、超声波测流法等〔1-2〕。

流速仪法可方便测出过水断面的各个测点流速值，但前期安装及后期数据处理工作量大;蜗壳差压法操作简单但率定流量系数困难，且在多次效率试验中发现一些机组蜗壳差压均值较小，波动值却较大，难以保证测量精度;超声波测流法可以直接测量出水轮机流量，且安装方便，操作简单。

1 超声波测流原理

超声波测流法依据测量原理可以分为传播速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法，其中传播速度差法按测量物理量不同又可以分为时差法、相位差法和频差法〔2〕。目前应用于水电厂的超声波流量计一般都采用时差法。

时差法测流按布置形式可以分为“Z”型、“V”型、“N”型等。

本文就“Z”型布置方式进行讨论，其原理如图1。超声波传感器A与B径向对称外夹于压力钢管外壁。钢管内径为d，钢管壁厚为δ，其中d＞＞δ，传感器A与传感器B的传输距离为d/cosθ。超声波在管壁及传感器内部传输，需要一定时间，即为延迟时间τ0，τ0远小于超声波在钢管内的传输时间。设超声波在水体内的传播速度为c，钢管水流速度为V，钢管过流量为Q。

图1 “Z”型布置原理图

超声波顺流由传感器A传输到传感器B，传输时间为t1:

超声波逆流由传感器B传输到传感器A，传输时间为t2:

由式 (1)和式 (2)可得超声波顺流和逆流的时差Δt:

由于c2≫V2sin2θ，可得:

因此通过测量超声波顺流和逆流的时间差即可以计算出钢管内的水流速度及流量。

2 现场应用

2.1 试验基本情况

主设备基本参数:水轮机型号HLA5511C-LJ-134，额定转速375 r/min，额定水头31.7 m，额定流量为12.07 m3/s;发电机型号SF3300-16/3050，额定出力3 300 kW，额定效率95%。

2.1.1 试验内容

现场测量内容包括水头测量、功率测量、流量测量。

通过取蜗壳进口断面总能头与尾水管出口断面总能头相减进行水头测量。由于现场尾水管出口测点表计安装位置高于尾水位，不能采集到尾水管出口水压信号，并且尾水管出口直接入下游，因此将下游水位代替尾水管出口断面总能头。

流量测量采用超声波测流法。通过现场勘查，机组蝶阀前有一段明钢管，适合于进行超声波传感器测点布置。选用的超声波流量计，适用管径6～6 500 mm，流速测量范围0.01～25 m/s，采集精度为1%。根据现场情况，决定采用“Z”型布置方式。现场测量出钢管外径1 796.2 mm，钢管壁厚13.7 mm，计算出传感器探头安装轴向距离为564mm。

2.1.2 试验情况

现场进行36.8 m毛水头下不同负荷工况的效率试验。

在一个工况中，功率的波动值不超过平均功率的±1.5%，水头的波动值不超过平均水头的±1%，频率的波动值不超过额定频率的±0.5%。

在所有情况下，每个工况的工作水头均值H及频率均值f与规定值偏差应该满足下列要求:0.8≤H/Hsp≤1.2;0.9≤(f/fsp)≤1.1;0.99≤(f/≤1.01;其中fsp为额定频率，即为50 Hz;Hsp为换算水头。在整个试验过程中，功率因素始终保持为1。

2.2 试验结果分析

试验过程中工作水头范围为33.93～35.49 m，平均工作水头为34.84 m，为了便于评价，需将试验过程中各工况下的测试结果换算至同一水头，本文选择平均工作水头34.84 m，试验结果汇总见表1。根据表1，可以绘制出34.84 m工作水头下的水轮机、耗水率、效率特性曲线图，见图2。

表1 试验结果汇总表

图2 水头34.84 m效率、耗水率特性曲线

数据表明:34.84 m工作水头下，机组最高效率为92.66%，对应水轮机出力为3.95 MW，水轮机耗水率为11.38 m3/kWh。机组在3 MW以上负荷为高效区，宜保持在3 MW以上负荷运行。

3 试验总结

从试验过程中流量数据 (见图3)可见，在每一工况下流量数据离散性很小，说明超声波测流稳定性很好;换算后的流量特性曲线、耗水率特性曲线、效率特性曲线也符合水轮机性能规律。同时对比34.84 m水头下的原型水轮机效率曲线与模型水轮机效率曲线 (见图4)，两者变化规律基本一致。由此可见，超声波测流法在水轮机效率试验中准确可靠。

图3 试验过程流量数据

试验过程中的问题及注意事项:机组在低负荷区流量测量值的离散性较高负荷区大。在低负荷区，机组处于水力振动区，水流较为紊乱，流道内存在横流、旋流、逆流，流量波动较大;在高负荷区，水流较为平顺，流量波动较小。

图4 原型效率曲线与模型效率曲线对比

安装超声波传感器时，应该将管壁外壁打磨光滑，传感器表面应涂上足够的声耦合剂，并固定与管壁紧密接触，确保传感器与管壁之间无气泡。

现场同时还进行了其他机组的效率试验，发现采用“V”型布置，一定要确保2个超声波传感器在一条直线上，相比“Z”布置调试较为困难。

4 结束语

超声波测流法准确可靠，并且现场安装简便、实时性好、不干扰流场，可以很好地应用到水轮机效率试验中。但超声波测流法由于测量条件的限制，要求机组有一段足够长的直管段，而对于一些短流道、变截面的轴流式、贯流式机组难以满足，如何将超声波测流法应用到这类机组将有待研究。

〔1〕赵弦.水轮机效率测试系统研究〔D〕.武汉:华中科技大学，2011.

〔2〕刘晓亭.水力机组现场测试手册〔M〕.北京:水利水电出版社，1993.

〔3〕刘丽珺.基于时差法的超声波流量测试系统研究〔D〕.浙江理工大学，2009.