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多声路时差法管道流量计在满拉水电站的应用

时间:2017/10/28来源:未知

摘 要:流量计是水电站引水系统流量测量的关键设备,满拉水电站使用一种多声路时差法管道流量计,该设备结合当代微电子及数字处理技术,兼具高性能及便于操作的特点,满足水电站对水轮机的效率测量、运行状态监测及水资源管理的要求,实践证明该设备在高原应用是可靠和成功的。

0、引言:
  近年我国淡水资源匮乏的问题日益突出,对水电站水资源的利用和管理,从过去的粗放方式,逐步向着精细化的方向发展。随着水电“能源接续地”目标的提出,西藏地区的水力发力工程陆续开工建设,政府部门对水能水资源的管理方式也步入了新的阶段,这对水电站水资源的有效使用效率提出了新的要求,对发电用水流量的高精度测量提出了更高的要求,满拉水电站地处西藏日喀则地区,属西藏满拉水利枢纽工程的重要组成设施,2014 年对原有测流系统进行了更新改造,安装采用了多声路超声时差法管道流量计。

1、流量测量在水电站应用的意义:
1.1、实时监测水轮机的效率:
  水轮机效率特性是水电站运行及调度的一项重要技术指标。它要求流量测量具有极高的精度及可靠性,过去一般使用流速仪,压力时间等方法,这些方法基本都是一次性的,无法实现水轮机流量及效率的长期在线监测 [1]。近年来高精度超声波流量计已成为水电站压力钢管在线流量测量的有效手段。
 
1.2、用于压力钢管爆破保护及水轮机的运行状态监测:
  水电站的压力钢管爆破漏水会产生严重的后果,对于一些存在地质和环境危害的工程,需要考虑装设压力钢管爆破监测系统。压力钢管的爆破保护是通过对压力钢管的漏水量进行监测来实现的,在被保护管段的两端装设 2 台流量计,相互间进行通讯,通过对 2 个流量的比较,可以发现管道是否漏水。用于漏水监测的 2 台流量计必须有相同或相近的特性,测量精度要高,重复性要好,工作要稳定可靠。超声波流量计正好具备这些特性,因此水电站的压力钢管漏水监测系统,几乎都是由超声波流量计构成的。满拉水电站附近的羊卓雍湖抽水蓄能电站,由于工作水头高(近 800 m),地质和环境条件复杂,因此装设了多声路超声波流量计构成的压力钢管爆破监测系统。
  水轮机导叶漏水量也可用来辅助监测水轮机的运行状态,水轮机经过长期运行,其导叶会因气蚀及泥沙磨损,致使漏水量变大。进入引水钢管的杂物将导叶卡住,或水轮机剪断销断裂,也会导致漏水量突然增大。监测水轮机漏水量有助于监视水轮机引水系统的运行状态,通过大修前后漏水量的变化情况可以评估维修效果 [2]。
1.3、用于水资源管理及环境保护:
  满拉水电站地处青藏高原中西部,海拔 4 256 m。近年来随着干旱及雪山退化的加剧,以及人类对水资源的开发利用量不断增大,致使对生态系统的干扰不断加大,甚至超出生态系统的承载能力。对西藏提出的建设生态环境安全屏障要求,使政府水职能部门对水电站水资源管理加大了力度,愈加严格,近期提出了生态流量的概念,高精度流量计对水电站上游水库及下游河道环境保护有着十分重要的作用和意义。
 
2、流量测量系统的原理,结构及安装:
2.1、时差超声波流量计的流速测量原理:

 时差法流量计是利用超声波在流体中传播特性测量流量的流量计,测量其顺流传播时间(td)和逆流传播时间(tu)的差值,从而计算出流体流动的线平均速度。工作原理图如图 1 所示。
图 1	流速测量原理示意图
图 1 流速测量原理示意图
流体的轴向线平均流速 νm 可用下式表示:
 
νm = 2cosL φ (t1d - t1u )

 
 
PATH4 ν 4  
PATH3 ν 3 ν
PATH2 ν2  
PATH1 ν1  
图 2 满管中多声路布置、积分原理示意图(符合 IEC41 规程) 
图 2 满管中多声路布置、积分原理示意图(符合 IEC41 规程)
 

  流量测量系统灵活、模块化的配置特点,使其能用***优、***经济的方案,来测量 1 条、多条管道或渠道的流量。现地测量单元安装在测量管道附近,具有 IP66 防护性能,可以用较短的信号电缆连接换能器,信号衰减小,抗干扰能力强。显示控制单元安装在控室内,通过串行总线连接多个现地测量单元,通讯距离可达 1 km 以上。显示控制单元可同时对多台机组的流量进行监测,可计算所有机组的流量和。全中文App操作方便,有信号波型显示功能,便于故障诊断。有所有机组的历史数据库,便于集中管理。
  显示控制单元由进口原装工控机构成,采用低工耗无风扇 CPU 板及半导体固态硬盘,LCD 彩色液晶显示器,可靠性极高,可长期连续无故障运行。
  式中:tu 为超声波在流体中逆流传播的时间;td 为超声波在流体中顺流传播的时间;L 为声道长度;ν m 为流体的轴向线平均流速;φ 为声道角。

2.2、声路时差法流量计的流量积分:
 对于直径较大的圆管,流态复杂多变,为了提高测量精度一般采用多声路的布置方式,如图 2 所示。在测量管段内按照一定的规则设置多条声道,将各条声道测得的管道轴向线平均流速采用相应的积分方法进行积分计算,得到管道内通过测量断面的流量。可采用 2,4 和 8 声路,流量积分公式为
D2  n
Q = 2 i = 1Wi νi

 式中:D 为管道直径;n 为测量断面上的声路数; Wi 为第 i 声路的加权系数;νi 为第 i 声路上的线平均流速。

2.3、流量测量系统的结构:
 流量测量系统结构如图 3 所示,主要由电子机箱、换能器和电缆组成。电子机箱又分为现地(前量单元可以配置不同数量和类型的换能器。

2.4、流量测量系统的安装:
 安装断面一般选择在蜗壳入口上游具有较长直管段的钢管上。***好使安装断面的上下游都有一定长度的直管段。
 一般换能器的类型需要根据现场的条件确定,即根据水轮机的工作水头、压力钢管的直径和钢管是暴露的还是埋设的等现场条件选择换能器。
 对于埋设的管道,可选用内装式换能器并与对应的换能器座配合使用。内装式换能器安装在管道内壁,需要将换能器电缆从压力钢管内引出。有专用的穿缆器对电缆引出处进行密封。内装式换能器上的超声波工作单元是双备份的,可在管道外进行切换,克服了不能进压力钢管检修换能器的限制。
 在直管段很长的情况下(一般上游要有 > 10 D 的直管段),在压力钢管上布置 4 个声路,流量计测量精度就可以达到相应要求。如果直管段较短,需要布置 2 个断面共 8 个声路,并用交叉声路布置方法消除因直管段短造成的横流影响,才能达到相应的测量精度要求。满拉水电站就采用了交叉 8 声路的布置安装。
图 3	测量多个管道的流量测量系统结构
图 3 测量多个管道的流量测量系统结构


3、满拉水电站流量测量系统的特点及技术:
 满拉水电站流量测量系统利用当代电子技术发展前沿成果,结合运用 32 位浮点 DSP 处理器及大规模 FPGA 门阵列,通过高速运算的方式代替传统流量计模拟方式进行信号检波处理,具有测量分辨率高,抗干扰性强,适应现场恶劣环境等优点。
 
3.1、兼具高分辨率及抗干扰性的信号检波处理技术:
 流量计使用了抗干扰性强的相关信号检波方式,结合高速浮点 DSP 运算。相关信号检波利用超声波信号的特征,在发射时加以特定的调制,在接收时按其特征进行针对性的数字滤波,可以在强噪音环境及信号严重崎变场合,准确地检出信号。
 满拉水电站地处高原,水温长年在 6℃以下,特别在汛期洪水到来时,水中泥沙含量会突然大增。这时使用传统的流量计会出现信号丢失或错误读数,新技术的采用解决了这一问题。

3.2、采用多脉冲同步测量工作方式:
 由于水电站压力钢管平直段较短,管道内呈现脉动流状态,流速分布在空间及时间上都是变化的。传统的流量计采用顺序式测量方式,即使是多声路,测量数据仍然波动较大,需经长时间平均才新型流量计采用多脉冲同步测量工作方式,即流量计的各个声路(包括每个声路的正逆方向)同时进行同步测量。这样可以在同一瞬间完成整个管道内的流速测量及积分,每秒可进行多达40 次以上的测量,加以平均得到的测量数据更加准确稳定。

3.3、简易直观的调试诊断功能:
  超声波测流系统是一种专业性较强的测试设备,其运行维护对于电厂班组难度较大。新型流量计采用 Windows兼容的图形界面,操作维护方便直观,如图 4 所示。在流量计大屏幕彩色显示器上,可显示设备内部各项参数、变量。还可以显示各个声路的信号波形及数据,由此可监测设备各个部分的运行状况,诊断设备故障。

3.4、历史数据记录:
  能稳定,而长时间平均又会降低流量计的动态响应性能。
  新型流量计具有丰富的历史数据记录功能,它可以按规定的时间间隔记录流量,累计流量及其他有关数据。便于流量数据的统计,分析和整理。还可以根据需要,形成日、月流量等报表。

3.5、流量测量精度保证:
  由于水电站应用的大口径超声波流量计必须在现场安装,无法进行实流标定。现场安装条件复杂,影响安装精度因素较多。为保证流量计的现场测流的准确度,由中国计量科学研究院组织进行了大量的理论及实验研究,制订了《大口径超声流量计非实流校准规范》[3]。流量计性能符合现场条件,安装及效验过程满足上述规范,即可保证流量测量精度达到要求。
图 4	信号波形及信号数据
图 4 信号波形及信号数据
  在流量计传感器安装过程中,使用了激光经纬仪定位,激光测距仪测量几何尺寸,流量计测流可以达到较高精度。
 
4、结语:
多声路超声时差法管道流量测量系统在满拉水电站安装及投入运行以来,引水流量测量准确可靠,操作和维护方便,性能稳定。达到电站发电设备状态检测,及水资源计量管理的要求,特别是为保障满拉水利枢纽水库的科学合理调度提供确切数据支撑,保证了下游生态、农牧业、生产生活的用水需求。

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