张继康 汪亚军 刘瑛

（安康水力发电公司 陕西安康 725000）

1 安康水电站机组安装超声波流量计的必要性

发电效率是水轮发电机组最重要的性能参数,为了有效地利用有限的水力资源和提高电力供应，需要对水轮发电机组的效率特性进行精确的评估，这就需要进行效率试验。有效的流量和效率试验结果是水轮机交接验收、优化运行、设备改造评估和制定检修计划的重要依据。所以水电站都希望进行精确的流量测量和绝对效率试验，近十几年来国际上这种需求在稳步增长。

目前，随着安康水电站计算机监控系统的完善和机组在线监测及状态检修系统的逐渐形成，对机组流量和效率的监测需要日益迫切，这有助于电站的优化运行和机组性能的准确评估，为电站降低运行成本，保证安全生产提供可靠的科学依据。所以有必要实现电站机组在线绝对流量监测。

在安康水电站安装超声波流量计可以取得以下效果。

1.1 水轮机的交接验收和设备改造评估现场试验

对原形机组进行现场流量、效率试验，可以判断新机组的性能是否达到合同规定要求和改造项目是否达到预期效果，是机组交接验收和设备改造评估的重要依据。大口径多声道超声波流量计是水轮机现场流量试验的有效手段，并为国际电工委员会规程IEC41《水轮机、水泵、水泵水轮机交接验收国际规程》和美国国家规程ASMEPTC18所认可，在国际上广泛应用。

1.2 水电站的经济运行

在水电站（特别是大型电站）按机组效率特性进行负荷分配，可以带来巨大的经济效益。超声波流量计既可以进行定期的稳工况流量效率试验，又能长期在线监测，为水电站的经济运行提供可靠依据。

1.3 水电站的状态检修

水电站实行状态检修可以带来显著经济效益。而机组的流量效率特性是机组的重要运行状态标志，是判断机组是否需要检修和检修质量的重要依据。

1.4 水电站设计评估和验证

装在电站压力钢管道蜗壳前的超声波流量计,除了能测得机组的流量用于绝对效率试验外,还可同时测得大量过去无法得到的进水口流速分布数据,如沿进水口的横向和垂向的流态分布、多流道间的流量分配和随时间变化的流动特性。这些数据对验证水电站设计和确定水轮机性能是非常有用的，为今后的水电站优化设计提供依据。

2 安康机组安装超声波流量计的可行性

安康水电站机组设计水头76m，水轮机型号HL220－LJ－550，属中水头大型混流机组。陕西电力科学研究院曾先后两次派员到安康水电站进行考察和技术交流，经过现场调研、查阅图纸，并将现场情况与有关流量计生产厂家进行了论证分析，认为可以提供适合安康机组需要的超声波流量计和现场安装试验技术。我国对于中水头电站的流量效率监测已有很成熟的技术，完全有把握实现安康水电站机组流量效率的在线监测。

因此，针对安康水电站当前情况，采用交叉多声路超声波时差测流法进行机组流量和效率在线监测完全可行。

3 安康机组流量效率在线监测方案

3.1 流道概况

所测流道为直径7.2m的压力钢管。直管段长度约11m。

3.2 流量测量方案

用八声路超声波流量计来监测流量。由于引水管道为混凝土内衬钢管，所以换能器都采用内装式换能器。即所有换能器都安装在管道内壁，换能器电缆沿钢管内壁附设，并用φ30的不锈钢管保护（不锈钢管焊接在管道内壁上），换能器电缆从预埋的电缆管或其它可引出电缆的地方引出，电缆的密封用专用的不锈钢穿缆器来密封。

超声波换能器采用65度的声路角来安装。

3.2.1 流量测量原理简介

图1 流速测量原理

超声波流量计是利用超声波作为媒介来测量流体的流速，如图1所示，TD1,TD2分别为安装在管道上下游的两个超声波换能器。V为水的流速，C为超声波在静水中的声速。

一般在管道中测量流量，需要布置多个声路，来测量多个流速。然后对流速进行加权积分计算流量。多个声路是按照IEC41-91规程来布置的，声路布置在交叉两个断面上，每个断面四个声路，共八声路。流量计测出八个声路的流速后，用加权积分的方法将流速对断面面积积分，即可得到流量。

图2 符合IEC41-91的八声路布置

其中：Q——为流量

D——管道直径

Ki——第i声路的积分系数

Vi——第i声路的流速

3.2.2 声路布置

内装式换能器在压力钢管内的布置如图3所示。

图3 内装式换能器声路布置，交叉安装断面－8声路配置

3.2.3 换能器及其电缆护管敷设

换能器布置在机组引水管道水平直管段的中间位置。换能器安装在换能器座上，而换能器座用不锈钢膨胀螺栓固定在管道内壁上，见图4。电缆护管用不锈钢膨胀螺钉固定在与换能器相对应的高程上，将换能器电缆引至管道电缆出口处经穿缆器后，引出电缆。

图4 换能器及其电缆护管在钢管内的布置

3.2.4 系统结构

整个系统结构如图5所示。

图5 系统结构

3.2.5 设备配置

国产设备配置：

4 结语

超声波流量计在安康水电站中水头大型混流水轮发电机组的成功应用，不仅解决了安康水电站流量效率在线监测的难题，而且对全国的同类电站相关工程实践及节能环保具有示范意义。一方面，根据机组的运行特性，尽可能使其在最优效率范围内运行，以较小的耗水率换取最大的经济效益，不仅节约了水资源，而且提高了发电效益：另一方面，机组在高效率区运行时能有效减小不良运行状况对机组造成的危害，有效延长机组的使用寿命，延长机组的检修周期，相应延长了机组的发电时间，降低了检修成本。

[1]钟敦美，夏洲，施冲，赵学东.水轮机效率在线检测分析系统[J].水电厂自动化，2002，(04).