多聲路超聲波流量計在低水頭電站的應用

1 前言

多聲路超聲波流量計在水輪機流量測量中得到成功應用，至今已有40多年的歷史。40多年來(lái)，多聲路超聲波流量計經(jīng)歷多次更新與發(fā)展，最早只能在局部得到應用，而目前已逐步被全面推廣。由于低水頭電站的進(jìn)水口和水輪機入口之間的直管段短，每臺水輪機入口使用多個(gè)進(jìn)水流道，每個(gè)流道的長(cháng)度短且形狀不規則，這使得流態(tài)更加不均勻；而且水流條件多變，因此要獲得精確流量的測量方法受到很大限制。但目前相當數量的世界級大型水電站都屬于低水頭類(lèi)型，所以在這種條件下研究、開(kāi)發(fā)全新的或改進(jìn)的測量方法以獲得相對精確的流量測量方法變得非常重要。本文將以國內某低水頭電站為例（下面簡(jiǎn)稱(chēng)HS電站），簡(jiǎn)單介紹一下多聲路超聲波流量計在低水頭電站的實(shí)際應用。

2 超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計是一種以超聲波為媒介進(jìn)行流量測量的流量計。測量原理示意圖如圖1所示。T1是安裝于管道上游側的換能器，T2是安裝于下游側的換能器，2個(gè)換能器構成一個(gè)測量聲路。

假設超聲波在靜水中的傳播速度為C，水流速度為V，2個(gè)換能器T1、T2間的距離為L(cháng)，2換能器T1、T2所構成的聲傳播路徑與管軸線(xiàn)的夾角為θ。

圖1 測量原理示意圖

當換能器T1發(fā)射，T2接收時(shí)，超聲波從T1到T2的傳播時(shí)間t₁₂為：

t₁₂=L/（C+V·cosθ）   （1）

當換能器T2發(fā)射，T1接收時(shí)，超聲波從T2到T1的傳播時(shí)間t₂₁為：

t₂₁=L/（C-V·cosθ）    （2）

由（1），（2）可得管道中該聲路處的線(xiàn)平均流速：

V=L/（2·cosθ）·（1/t₂₁-1/t₁₂）    （3）

對所得的流速進(jìn)行面積積分，即可獲得流量：

Q=S·V   （4）

3 超聲波聲路配置

多聲路超聲波時(shí)差式測量法可測得沿聲路方向的空間平均線(xiàn)流速，分布在整個(gè)流道測量斷面上的多個(gè)聲路，可用來(lái)采樣橫跨流態(tài)分布的各個(gè)高程處的平均流速，所以多聲路超聲波時(shí)差式測量方法在復雜、困難的水力條件下，也能進(jìn)行在線(xiàn)流量測量并保持合理的精度和可重復性。而將各個(gè)高程處所測得的平均流速對相應的過(guò)流斷面面積進(jìn)行積分即可得到通過(guò)整個(gè)斷面的流量，再將流量計所測得的通過(guò)進(jìn)水口各個(gè)流道的流量進(jìn)行求和即可得到機組總流量。

采用交叉斷面的超聲波聲路布置則可以對由橫流或渦流所產(chǎn)生的影響進(jìn)行有效的監控和校正。在特定的垂直高程處交叉的兩聲路的流速測量，將具有下面的特征，與非軸向流速矢量方向更接近的聲路流速明顯增加，而與之交叉的聲路流速將降低。將2個(gè)測量結果結合，可以得到聲路高程處更為準確的平均軸向流速。大多數因水平橫流或垂向渦流所引起的流量不確定性均可以采用這種方式來(lái)消除。

由于HS電站流道非常特殊，導致流態(tài)并不均勻，水流條件多變，所以在該流道測量水流量時(shí)應采用交叉斷面的聲路布置。為達到所需測量精度，在HS電站實(shí)際安裝時(shí)采用交叉8聲路安裝方式。

4 超聲波換能器的定位

由于機組進(jìn)水流道結構比較復雜，在確定換能器位置時(shí)，角度測量采用激光經(jīng)緯儀。換能器角度位置確定后，按照“高斯”積分方法分別找到每一個(gè)換能器的理論安裝高程，根據安裝高程，確定其具體位置。

進(jìn)水流道及換能器的理論位置示意圖見(jiàn)圖2。圖中，1A-8A、1B-8B均為換能器的安裝所在位置。

圖2 換能器理論位置安裝示意圖

在換能器全部安裝完成后，需要將參與計算的所有參數重新復測，以確保在實(shí)際流量測量中使用準確可靠的數據，保證最后的測量精度。

5 低水頭電站流量測量系統的結構

在目前已建成的低水頭電站，每臺機組一般設有2條進(jìn)水流道，為保證機組運行時(shí)流量測量的準確可靠，必須在2個(gè)流道內分別安裝1套超聲波流量測量系統，并將2臺流量測量系統實(shí)時(shí)監測到的流量值進(jìn)行疊加，以作為單臺機組運行時(shí)的實(shí)際進(jìn)水流量。

6 機組運行后流量測量及效率試驗

在完成換能器、換能器電纜的安裝、換能器的無(wú)水調試后，流道內充水，向流量計主機輸入測量參數，完成對流量計主機的調試工作后，進(jìn)行單機流量測試，并同時(shí)進(jìn)行流量和效率試驗。

各工況下，穩定運行一段時(shí)間后，明顯觀(guān)察到流量數據比較穩定的條件下，開(kāi)始記錄該工況下的流量。某工況下的各聲路流速及流量數據見(jiàn)表1。

表1 各聲路流速及流道平均流量

通過(guò)表1、圖3、圖4可以看出各個(gè)聲路的流速相對穩定，每一層的流速完全符合水力學(xué)原理，而測出流量數據在該工況下也同樣相當平穩。

圖3 各聲路流速曲線(xiàn)

圖4 流量過(guò)程曲線(xiàn)

7 結束語(yǔ)

多聲路時(shí)差式超聲波流量計可被有效地用來(lái)在低水頭電站進(jìn)行機組流量在線(xiàn)監測。采用這種方法測流量對機組進(jìn)口流態(tài)不產(chǎn)生任何干擾和阻礙，且能靈活地適應各種變化的流道結構。