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差压测流

水轮发电机组效率测量装置

汤宁平　陈明凯

　　摘　要　介绍了采用蜗壳差压法测量水轮发电机组效率的原理和用MCS51单片微机及新型接口芯片实现的测量装置的硬件和软件的设计方案以及装置的主要功能特点。

　　关键词　水轮发电机　效率　单片微机

1　概述

　　水轮发电机组效率特性是机组的基本动力特性，是评价机组优劣的主要指标之一。

水电站厂内经济运行的实施就是建立在机组的效率特性之上的。

因此应对水轮发电机组的效率及水流量进行在线监测，以此来指导水电站厂的经济运行。

本装置就是根据这一需要开发研制的。

装置由功率变送器、差压变送器、压力变送器等传感器和微机数据采集与处理系统组成，可对水轮机水流量，发电机输出及水轮机工作水头等主要参数进行实时在线监测，从而求出水轮机组的机组效率、日累积发电量、日累积用水量、发电耗水率、开机耗水量等各个经济运行参数，并自动显示记录和打印输出。

测量参数可远程传输到上位计算机，实现集中监控。

2　基本测量原理

　　根据水力学原理，水轮发电机组的总效率为

（1）

式中　NG——发电机输出的有功功率，kW

　　　Q——水轮机引用流量，m3/s

　　　H——水轮机工作水头，m

由式

（1）可知，欲获得机组在任何工况下的效率，必须同时测得机组的三个运行参量：

水轮机工作水头H，水轮机引用流量Q和发电机输出的有功功率NG。

2.1　水轮机工作水头测量

　　水轮机的工作水头即真正作用于水轮机工作轮使其作功的全部水头，其数值等于水轮机进出口水流的总能量之差。

不同形式的水轮机其工作水头的具体表示方法不同，反击式水轮机工作水头的表达式［1］为

（2）

式中　Z2——进口断面压力变送器安装高程，m

　　　P2——进口断面压力变送器读数，mH2O

　　　V2——水轮机进口断面平均流速，m/s

　　　Z3——尾水出口断面压力变送器安装高程，m

　　　P3——尾水出口断面压力变送器读数，mH2O

　　　V3——尾水出口断面平均流速

上式表明水轮机的工作水头由位置水头、压力水头和速度水头三部分组成。

2.2　水轮机流量测量

　　水电站经常性的测流方法，在具有蜗壳的条件下，可采用蜗壳差压测流法。

对于水头大于10m以上的水轮机，其流量Q与压差h之间的关系为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

式中　K——蜗壳流量系数，可通过水轮发电机组原型效率试验测定得到

　　从式（3）可看出，根据已经测定的水轮机蜗壳流量系数K，测得水轮机蜗壳上两固定测压孔的压力差，就可计算得水轮机的流量。

2.3　发电机输出电功率测量

　　发电机输出电功率，采用三相功率变送器自动测量，其表示的有功功率为

NG=KiKvCnNw　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

式中　Cn——有功功率变送器常数

　　　Nw——有功功率变送器读数值

Ki，Kv——电流互感器和电压互感器的变比

3　测量装置的设计

　　根据上述测量原理，设计测量装置应完成以下检测和计算。

3.1　蜗壳差压测量与水轮机流　量的计算

　　蜗壳差压测量采用1151DP型差压变送器，将蜗壳上两个固定的测压孔通过引压管接入差压变送器，差压经差压变送器后转换为4～20mA的电流信号，送入微机信号采样处理系统。

微机按式（3）可计算出水轮机流量。

3.2　压力测量与水轮机工作水头计算

　　水轮机进口断面压力与尾水出口断面压力的测量，采用二台1151GP型压力变送器。

将两处的测压管直接接入压力变送器。

水压经过压力变送器后转换为4～20mA电流信号送入信号采样与处理系统。

测量的压力为

P=CpNp

式中　Cp——压力变送器单位读数系数

　　　Np——压力变送器读数

按式

（2）可计算出水轮机工作水头，式中Z2、Z3在压力变送器安装后可得到。

水流速度可按V=Q/S式计算。

其中Q为水轮机的水流量，已在前面得到，则有V2=Q/S2，V3=Q/S3。

其中，S2和S3分别为蜗壳进口断面面积和尾水管出口断面面积。

3.3　电功率测量与计算

　　发电机输出有功功率采用功率变送器测量，转换为4～20mA电流信号送入信号采样与处理系统按式（4）计算出NG。

3.4　其他运行参数的计算

　　微机系统通过上述四个采样通道实时监测到蜗壳进口压力P2，尾水管出口压力P3，水流量Q和发电机出力等四个运行参数。

利用这些参数，还可计算出水轮发电机组的其他经济技术指标：

　　效率　

日累积发电量=∑NGΔt（kW．h）

　　日累积用水量=∑QΔt（m3）

式中　Δt－－采样周期

4　测量装置的硬件设计

　　测量装置硬件的设计采用MCS－51单片机系统［2］及相应的接口电路，包括巡回检测电路、时钟和显示驱动电路、打印机接口电路、与上位机串行通信电路等。

图1为装置的硬件电路原理框图。

图1　测量装置电路原理框图

4.1　巡回检测电路

　　如图2所示，装置测量参量经取样、滤波电路，利用一片CD4051多路开关进行巡回切换取样，然后经放大器放大后送到ICL7135A/D转换器。

在7135与单片机的连接上，本设计仅利用了7135的BUSY引脚的信号。

根据7135的工作原理［3］，BUSY信号波形如图3所示，其脉冲宽度等于转换器对输入电压积分的INT相与对基准电压反积分的DE相之和。

由于INT相的宽度是固定不变的，等于10000Tclk，因此BUSY信号的脉冲宽度与INT相宽度之差，与输入的模拟电压信号大小成正比。

这样，将BUSY信号连到8032的INT1引脚，并设置单片机外部中断1有效，定时／计数器T1工作在定时器状态，且IT1=1。

当BUSY信号的下降沿时，INT1产生中断，在其中断程序中读入T1的计数值。

该值减去7135的INT相时间，即得到A/D转换的数值。

用上述方法实现的A/D转换分辨率决定于定时器时钟频率，因此比7135通用方法的分辨率高。

例如，当7135的工作时钟频率fclk=250kHz，T1的时钟频率为500kHz（即单片机的振荡频率为6MHz）时，转换数字总读数可达±40000。

另外此法单片机与7135的连线只有一根，因此接线简单，单片机采样操作方便。

图2　巡回取样及A/D转换电路

图3　ICL7135ABUSY信号波形

4.2　时钟和显示驱动电路

　　由于装置测量的参数多，要求同时显示多个参数，因此，装置在显示电路的设计上采用了三片8位数字显示驱动芯片ICM7218B，可同时显示累积量（用水量、用电量）、水流量、电功率、机组效率等。

通过按键切换，还可显示其他机组运行参数。

本装置需要定时记录水轮发电机组各运行时刻的各种运行参数，因此对时钟电路要求高。

设计采用了DALLAS公司的DS12887芯片。

该芯片有秒、分、时、日、月、年的计时功能，断电情况下运行10年以上不丢失数据，仍走时，保证准确定时记录各运行参数，且免除停电后要重新进行时间较准的烦事。

5　软件设计

　　软件包括一个主程序，一个INT1中断子程序和串行通信中断子程序。

5.1　INT1中断子程序

　　该子程序完成以下操作：

读入TL1、TH1数值，巡回开关切换，采样数据的排序存放。

采样数据采用N=8的滑动平均数字滤波，四个采样通道的数据分别存放在8032的内部RAM中，每个通道的数据分别占据16个字节，可存放8次采样数据。

5.2　主程序

　　主程序采用模块化设计，其流程图如图4。

工作过程如下：

首先进行系统初始化，然后调用键扫描子程序。

若有键按下，进行相应的按键命令操作。

接下来对蜗壳差压、蜗壳进口压力、尾水压力和电功率四个采样数据进行数字滤波，并计算出对应的参数。

在此基础上求得工作水头、水流量和机组效率，并每隔ΔT时间，进行用水量和用电量的累积计算，且求出发电耗水率等。

每隔2min记录保存机组效率，并在每日的零点记录保存上日的全日用水量、发电量。

主程序最后调用显示子程序，刷新显示各运行参数。

图4　主程序流程图

5.3　串行通信子程序

　　该子程序根据上位机发出的传送指令，将各运行参数上行传送到上位机，供整个电站的计算机管理系统使用。

作者单位：

福州大学　350002

　1998－09－29收到稿件。

漫湾水电厂机组动能参数在线监测

范华秀　游维涛　程焱发　　　　　王子伟　冯剑涛

〔文摘〕　论述了水轮机、水泵和大管道流量监测的方法，介绍了漫湾水电厂机组动能参数在线监测系统，这对于解决水电厂流量效率等动能参数的监测计量问题具有普遍应用意义。

〔关键词〕　水轮机　流量　效率　动能参数　监测

〔分类号〕　TP216

On-linesurveillanceofdynamicparametersof

theManwanhydropowerplant'ssets

FanHuaxiu,YouWeitao,ChengYanfa,andothers

WuhanuniversityofHEE,430072;ManwanhydropowerplantofYunnanprovince

Abstract　Introducedtheon-linesurveillanceofdynamicparametersoftheMHP'ssetsandexpoundedthesurveillancemethodofflowquantityofhydraulicturbine,pumpandlargecondiut.ItisofuniversalsignificanceforsolvingsurveillanceandmeasureproblemofHP.

Keywords　hydraulicturbine,flowquantity,efficiency,dynamicparameter,surveillance

　　漫湾水电站是澜沧江干流上一座以发电为主要效益的大型水电站，位于云南省云县境内，装有5台混流式机组，总装机容量为5×250MW，于1994年建成发电。

　　为了加强电厂经济技术指标考核管理，实现水量平衡计算自动化，提高发电效益，漫湾电厂与武汉水利电力大学合作，采用该校研制生产的YLX-02型水电机组流量效率监测计量装置，输出参数包括：

发电流量、日用水量、累计用水量、开机耗水量、下游水位、工作水头、拦污栅压差、发电耗水率、机组效率等15个动能参数，已于1996年4月投入运行。

经过30个月运行考验表明：

该装置工作可靠，运行稳定，数据准确，操作维护简便，自动化水平高，是目前适用于水电机组流量效益等动能参数监测计量的功能齐全、技术先进和性能价格比较高的装置，已取得良好效果。

1　流量监测方法

　　流量监测是机组动能参数监测的核心。

随着科技的进步，目前能用于水轮机、水泵和大管道过水流量在线监测的方法有：

电磁法、超声波法、差压法。

1.1　电磁法

　　根据电磁感应原理，当导电液体沿测量管段与交变磁场的磁力线成垂直方向流过时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势的大小与液体流过测量管段的平均流速成正比，由下式表示：

E=KBVD　　　　　　　　　　　　　　　　　　

（1）

式中：

E——感应电势（V）；

　　　D——电极间距离（m）；

　　　B——磁通密度（T=Wb/cm2）；

　　　V——平均流速（m/s）;

　　　K——与磁场分布及轴向长度有关的系数。

　　由此原理制成的电磁流量计，在国内已经系列化，如开封仪表厂生产的VWB型电磁流量计最大直径为1.6m，上海光华仪表厂生产的LDG-S型电磁流量计最大直径1.2m。

　　然而，电磁流量计的价格几乎与管径成正比，大口径的电磁流量计价格很高，如D=1.6m的电磁流量计约10万元1台，而且目前最大的口径也只有1.6m，因此不适用于大中型水电站。

即使管径D≤1.6m的小水电站和泵站，采用电磁流量计将增加厂房宽度，增大工程费用，也是不可取的。

所以电磁流量计多用于供水部门，用来监测输水管道的流量和用水量。

1.2　超声波法

　　水流对超声波的传播具有携带作用，称携带效应。

当超声波在管道中同一声路顺流传播和逆流传播时，就会产生传播时间差，这一时间差值Δt与水流在声路上的平均流速V成正比，由下式表示：

（2）

式中：

C——超声波在静水中传播速度，约为1500m/s；

　　　L——声路长度（m）；

　　　θ——超声射线与水流方向（管轴线）之间的夹角；

　　　Δt——超声波顺、逆流传播时间差（s）。

　　由此原理研制成功的超声波流量计已达到实用阶段，如开封仪表厂生产的LEFM-801B型超声波流量计，已在许多供水部门和大型水电站使用，换能器有插入式、夹持式和帽贝式等多种形式，可供选用。

此外，南京电力自动化研究所开发出的SP-911型超声波流量计，也在若干大型水电站投入运行。

　　然而，超声波流量计由于价格昂贵，只适用于大型水利水电工程。

其次，对安装使用条件也要求较严格，如4声路流量计要求等径直管段长L≥7D（管径）；否则要采用交叉4声路，换能器将增加一倍，费用更高。

再次，换能器装在压力钢管上，安装工程量大，维护困难。

超声波流量计的最大优点是：

无需现场标定即可使用。

1.3　差压法

　　当水流通过截面变化的流道时，其动能和压能会互相转化产生压力差；当水流通过弯道时，动量发生变化也会产生压力差；当水体在流动过程中由于摩阻的作用，在不同断面和部位之间同样会产生压力差。

这些压力差与通过截面的流量存在一定的函数关系，只要测出压力差就可以求得流量，这种方法称为差压法。

　　不论以何种方式产生的压力差，其流量Q与压差ΔH的关系均由下式表示：

　　　　　　　　　　　　　　　（3）

式中：

ΔH——由于动能或动量变化产生的压力差（mH2O）；

　　　K——与雷诺数有关的流量系数。

　　压差ΔH可采用差压变送器测得，最困难的是流量数系K值的现场标定。

我们在多年的测流理论研究和现场实践中，总结出了一种参数辨识法，在不停机情况下即可确定K值，精度满足运行监测要求，解决了差压法测流的这一道难关。

　　近年来，武汉水利电力大学开发研制的差压式微机型流量监测计量装置已经系列化，其功能也已扩展到整个机组动能参数的监测与计量。

装置费用较低，约为超声波流量计的1/5。

安装调试不影响机组正常运行，操作维护简便。

适用于任何型式水电站（泵站）和水轮机（水泵），现已在数十座水电站和水泵站投入运行，包括混流式、轴流式、贯流式、冲击式和可逆式水轮机。

混流式、轴流式水泵和压力输水管取得了很好的效果。

鉴定认为：

“该装置技术指标达到了国际先进水平”，“是90年代的换代产品”。

2　机组动能参数在线监测系统

　　监测系统由如下部分构成：

测量断面及引压系统，采样变送器，YLX-02型微机流量效率监测仪，上位计算机。

系统构成框图见图1。

图1　机组动能参数在线监测系统框图

2.1　测量断面及引压系统

　　对于有蜗壳的混流式、轴流式和斜流式水轮机，流量测量断面都无例外地选在蜗壳上。

水流在蜗壳中流动时，由于受离心力作用，动量发生变化，因而在不同流线之间产生压力差，外侧压力大，内侧压力小，压力差ΔH与通过的流量Q之间的关系由式（3）所描述。

测量断面通常选在蜗壳进口旋转45°的位置处，此处的水流已完成由直线运动到圆周运动的过渡，符合等速矩定律，并且有较大的流量和断面尺寸。

外测压孔（高压测孔）设在蜗壳外壁，内侧压孔（低压测孔）设在靠近固定导叶处，见图2a。

为了在调试时选择适当的压差，内测压孔通常设置2～3个。

　　蜗壳进口压力、尾水位和工作水头的测量断面，通常布置在蜗壳进口前压力钢管的适当位置和尾水管出口处。

测压孔设在侧壁，并用均压环管连接，切忌设在底部，以免泥沙堵塞，也切忌设在顶部，以免漂浮物堵塞和空气进入，见图2b、图2c。

a　蜗壳45°断面测压管布置　　b　蜗壳进口断面测压管布置　　　c　尾管出口断面测压管布置

图2　测量断面布置图

　　引压系统埋设管路采用φ25mm镀锌管，水管采用φ15mm镀锌管。

引压管在接至差压和压力变送器之前设置稳压器，以消除或减弱压力波动。

稳压器内焊有两块阻尼片，各钻有4个φ3mm小孔，水压脉动经稳压器2次扩容和阻尼作用后，出口压力将趋于稳定，见图3。

在引压系统顶部设集气筒和排气阀，以提高测量精度和稳定性，见图3。

图3　引压管及差压变送器布置图

2.2　采样变送器

　　采样变送器包括：

差压变送器1只，压力变送器2只，三相有功功率变送器1只。

变送器的输入分别为蜗壳45°断面压差、蜗壳进口压力、尾管出口压力和机组有功功率，输出均为4-20mADC统一信号，此信号即为流量效率监测仪的采样信号，见图1。

　　差压和压力变送器配用由美国引进生产的系列产品，功率变送器配用由瑞典引进生产的系列产品，精度均为0.5级。

该变送器性能稳定，温漂和零漂小，线性误差小，使整个监测系统的准确度得到保证。

2.3　YLX-02型微机流量效率监测仪

　　监测仪是监测系统的核心部分，采用武汉水利电力大学开发研制的YLX-02型装置，它包括电源板、主机板（数据处理板）、显示板和通讯接口，构成一完整系统，通过软件实现各种监测计量功能。

　　在YLX-02型监测仪中，CPU采用运算控制能力强，功能价格比高的96系列单片微机。

在电路中扩展了一片2764作为程序存储器，一片6264作为数据存储器，一片8255作为拨码开关输入数据用。

为了提高系统的可靠性，电路中设计了掉电检测和数据掉电保护电路。

为了同上位机通讯，还设置了RS-232串行口电路。

其硬件原理框图见图4。

图4　YLX-02型监测仪硬件原理框图

　　监测仪的软件设计，采用了模块程序设计技术。

根据系统功能，将整个软件划分成若干个功能相对独立的模块，为每一个模块设计算法和程序流程，并按流程编制程序。

　　监控软件从功能上可划分为以下几个模块：

①系统初始化，②信号采集和处理，③显示程序块，④定时器中断服务程序。

监测仪的主程序框图见图5。

图5　YLX-02监测仪软件框图

2.4　上位计算机

　　监测仪的数据输出由面板上的LED数码管显示。

此外，为了适应计算机监控的需要，监测仪还设有RS-232C通讯接口，已实现与上位计算机联网。

　　对于有计算机监控的水电站和水泵站，监控机即为本系统的上位机，数据和图形曲线直接在监控机显示和打印报表。

至上位机的字符、字节和波特率等通讯规约，应统一按原电力部“电力系统通信规约”制定。

3　结语

　　综上所述，可得出如下结论：

（1）差压法是水轮机、水泵和大管道流量监测方法中费用最节省，安装调试和运行维护最简便的方法，适用于各种机型和条件，可在水电站和水泵站设计中普遍采用。

（2）微机型监测装置是现代微机技术在机组动能参数监测领域中的应用，具有自动化水平高、功能齐全、技术先进和性能价格比高等优点，已取得很好效果，可在水电站和水泵站设计中大力推广应用。

作者单位：

范华秀　游维涛　程焱发（武汉水利电力大学　430072）

　　　　　王子伟　冯剑涛（云南漫湾水电厂　云县　675800）

参考文献

　1.范华秀等.水电机组流量效率监测计量装置研制.武汉水利电力大学学报，1994；

（2）：

208～215.

　2.范华秀.水电站测流新技术.武汉：

武汉水利电力大学出版社，1987.

　3.陈建译.8098单片机原理及应用技术.北京：

电子工业出版社，1995.

　4.何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京：

北京航空航天大学出版社，1990.

　5.谢荣松、戴邦昌.水电机组数量效率监测计量装置在下马岭电站投入运行.电信息报.1993-01-20.

（收稿日期：

1998-12-08）

（责任编辑：

刘征湛）