多声路超声波流量计在低水头电站的应用

1 前言

多声路超声波流量计在水轮机流量测量中得到成功应用，至今已有40多年的历史。40多年来，多声路超声波流量计经历多次更新与发展，最早只能在局部得到应用，而目前已逐步被全面推广。由于低水头电站的进水口和水轮机入口之间的直管段短，每台水轮机入口使用多个进水流道，每个流道的长度短且形状不规则，这使得流态更加不均匀；而且水流条件多变，因此要获得精确流量的测量方法受到很大限制。但目前相当数量的世界级大型水电站都属于低水头类型，所以在这种条件下研究、开发全新的或改进的测量方法以获得相对精确的流量测量方法变得非常重要。本文将以国内某低水头电站为例（下面简称HS电站），简单介绍一下多声路超声波流量计在低水头电站的实际应用。

2 超声波流量计的测量原理

超声波流量计是一种以超声波为媒介进行流量测量的流量计。测量原理示意图如图1所示。T1是安装于管道上游侧的换能器，T2是安装于下游侧的换能器，2个换能器构成一个测量声路。

假设超声波在静水中的传播速度为C，水流速度为V，2个换能器T1、T2间的距离为L，2换能器T1、T2所构成的声传播路径与管轴线的夹角为θ。

图1 测量原理示意图

当换能器T1发射，T2接收时，超声波从T1到T2的传播时间t₁₂为：

t₁₂=L/（C+V·cosθ）   （1）

当换能器T2发射，T1接收时，超声波从T2到T1的传播时间t₂₁为：

t₂₁=L/（C-V·cosθ）    （2）

由（1），（2）可得管道中该声路处的线平均流速：

V=L/（2·cosθ）·（1/t₂₁-1/t₁₂）    （3）

对所得的流速进行面积积分，即可获得流量：

Q=S·V   （4）

3 超声波声路配置

多声路超声波时差式测量法可测得沿声路方向的空间平均线流速，分布在整个流道测量断面上的多个声路，可用来采样横跨流态分布的各个高程处的平均流速，所以多声路超声波时差式测量方法在复杂、困难的水力条件下，也能进行在线流量测量并保持合理的精度和可重复性。而将各个高程处所测得的平均流速对相应的过流断面面积进行积分即可得到通过整个断面的流量，再将流量计所测得的通过进水口各个流道的流量进行求和即可得到机组总流量。

采用交叉断面的超声波声路布置则可以对由横流或涡流所产生的影响进行有效的监控和校正。在特定的垂直高程处交叉的两声路的流速测量，将具有下面的特征，与非轴向流速矢量方向更接近的声路流速明显增加，而与之交叉的声路流速将降低。将2个测量结果结合，可以得到声路高程处更为准确的平均轴向流速。大多数因水平横流或垂向涡流所引起的流量不确定性均可以采用这种方式来消除。

由于HS电站流道非常特殊，导致流态并不均匀，水流条件多变，所以在该流道测量水流量时应采用交叉断面的声路布置。为达到所需测量精度，在HS电站实际安装时采用交叉8声路安装方式。

4 超声波换能器的定位

由于机组进水流道结构比较复杂，在确定换能器位置时，角度测量采用激光经纬仪。换能器角度位置确定后，按照“高斯”积分方法分别找到每一个换能器的理论安装高程，根据安装高程，确定其具体位置。

进水流道及换能器的理论位置示意图见图2。图中，1A-8A、1B-8B均为换能器的安装所在位置。

图2 换能器理论位置安装示意图

在换能器全部安装完成后，需要将参与计算的所有参数重新复测，以确保在实际流量测量中使用准确可靠的数据，保证最后的测量精度。

5 低水头电站流量测量系统的结构

在目前已建成的低水头电站，每台机组一般设有2条进水流道，为保证机组运行时流量测量的准确可靠，必须在2个流道内分别安装1套超声波流量测量系统，并将2台流量测量系统实时监测到的流量值进行叠加，以作为单台机组运行时的实际进水流量。

6 机组运行后流量测量及效率试验

在完成换能器、换能器电缆的安装、换能器的无水调试后，流道内充水，向流量计主机输入测量参数，完成对流量计主机的调试工作后，进行单机流量测试，并同时进行流量和效率试验。

各工况下，稳定运行一段时间后，明显观察到流量数据比较稳定的条件下，开始记录该工况下的流量。某工况下的各声路流速及流量数据见表1。

表1 各声路流速及流道平均流量

通过表1、图3、图4可以看出各个声路的流速相对稳定，每一层的流速完全符合水力学原理，而测出流量数据在该工况下也同样相当平稳。

图3 各声路流速曲线

图4 流量过程曲线

7 结束语

多声路时差式超声波流量计可被有效地用来在低水头电站进行机组流量在线监测。采用这种方法测流量对机组进口流态不产生任何干扰和阻碍，且能灵活地适应各种变化的流道结构。