三峡水利枢纽地下电站机组流量测量与效率分析

曲立娜　负剑虹

摘要：根据美国Accusonic公司18声路大口径超声波流量计的技术特点，并结合三峡水利枢纽地下电站30号机组和31号机组的测流需求，建立了一套实时有效的流量测量系统。该系统能实现在线效率计算与分析，并给出了系统的整体设计方案及技术实现;可在系统中对机组流量计装置进行远程控制，也可以通过独立设计的切换箱控制现地单元来读取其他机组流量计装置的换能器所测量到的信号;同时还能结合人机界面进行在线计算水轮机效率、绘制效率曲线及管道流态分布图等。运用该系统，对三峡水利枢纽电站机组进行了现场效率实验，结果表明该系统的测流精度和所提供的数据完全能够满足试验的要求。

关键词：流量测量;水轮机效率;超声波流量计;Modbus协议;地下电站;三峡水利枢纽

中图法分类号：TV734

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.030

1背景介绍

三峡工程是世界上最大的水利枢纽工程，安装有32台700MW的巨型水轮发电机组[1]。为了保证这个大型水利工程能够合理利用水资源和进行科学调度，必须获取机组的水轮机效率。水轮机效率是保证水轮机高效运转、也是水电站机组检修后现场试验的重要技术指标。实时流量、水头等都是计算水轮机效率的重要参数。超声波流量计是当前水电站流量测量的最佳技术手段，因其高精度、高可靠性适用于大型圆形管道和矩形管道，而且原理上不受管径的限制，因而在当前大流量测量中得到了广泛应用[2]。与计算机通信等信息技术相结合，可以建立一套有效的效率测量分析系统，以便对机组的长期运行进行监测并提供反应机组特性的实时数据，达到科学用水和实现电厂经济运行的目的[3-5]。

2水轮机流量测量与效率计算

2.1水轮机效率计算公式

首先，计算出机组的效率，机组效率计算公式如下：

公式

式中，V为机组效率，%;P为机组的有功功率，W;ρ为水的密度，kg/m3;g为加速度，m/s2;Q为水轮机的过水流量，m3/s;H为工作水头，m，其中，H=Hj+Hz，Hj为净水头，Hz为动水头，单位均为m[6-7]。

水轮机效率计算公式如下：

公式

式中，Y为水轮机的效率，%;V为机组的效率，%;η为发电机的效率，%。

通过公式（1）中机组效率计算公式可以看出，水轮机的过水流量Q是计算水轮机效率的一个重要参数，也是流量测量系统的关键所在。

2.2水轮机流量测量装置的选择

三峡水利枢纽中的流量过流断面尺寸巨大，地下电站引水蜗壳压力钢管进口的最大直径为12.4m。从进口开始，断面逐渐缩小，截面半径从6.2m到2.1m不等，尺寸及重量均为国内之最，由坝体进水口延伸到下游水轮机蜗壳的前部，管内的水流流速约为0～8.5m/s之间。三峡水利枢纽电站的初期水头为61～94m，后期水头为71～113m，每年汛前库水位降到145m时，水头变幅很大。地下电站水轮机的额定流量大约为900m3/s，最大流量约为1020m3/s。综合考虑到地下电站现场的安装条件及测量精度、流态多变等问题，最终地下电站30，31号机组采用了美国Accusonic公司生产的型号为7500的大口径18声路内敷式超声波流量计装置来测流，并针对该装置开发出了流量测量与效率分析系统软件[8-9]。

3流量测量与效率分析系统整体构架

3.17500超声波流量计装置的组成

7500流量计装置由2台现地单元组成，分别是7500主机A，7500从机B（以下简称7500A，7500B），7500A带有数据显示功能。每台机组均由36支换能器组成18声路布置在蜗壳前的压力钢管上，使用高强度防水铜轴电缆，将换能器测量的信号分别连接到7500的主机和从机上。7500主机和从机通过RS-485总线实现与流量测量和效率分析系统主机柜的通讯。7500系列流量计的通讯方式采用标准的ModBus协议，从流量计装置获取的信号量包含有机组流量、流速、声速及增益等。同时，为了防止流量测量与效率分析系统出现系统故障而不能进行数据传送，7500流量计的主机会将流量数据以模拟量的方式发送到机组的监控系统作为备用数据存储。换能器具体的安装布置如图1所示。

3.230號或31号机组与28号机组流量计装置实现相互测量

地下电站的30，31号机组采用相同的流量计装置和测流系统进行测流。28号机组的整个流量计装置和测流系统采用的是其他生产厂家的。为了满足现场效率试验的需要，也为了使流量测量能够得到更加高精度的数据，3台机组流量计现地单元的设计在安装上与其他机组不同。30号或31号机组的流量计装置主机通过切换箱的切换，可以接收到28号机组流量计装置的换能器所送上来的信号。同理，28号机组的流量计主机也可以接收到30号或31号机组流量计装置的换能器所送上来的信号，以实现互测功能。不同厂家流量计装置的主机可以去测量其他流量计装置的换能器信号，流量计主机的测量精度是不同的，这样更能反映出真实的流量值。

在三峡水利枢纽电站所有机组的测流系统中，这3台机组是唯一采用了该设计方案的。其安装连接情况如图2所示。

3.3流量测量系统总体结构

由水轮机的效率计算公式可以看出，水轮机的流量、工作水头、有功等是计算水轮机效率不可缺少的重要参数，也是流量测量系统必须要获取的。因此，测流系统需要与机组LCU（现地控制单元）、机组振摆等采集到的数据实现相互共享。

为了方便水轮机效率相关数据的管理，在本系统中，将30号31号机组和28号机组的数据全部在一个人机界面中统一进行处理。同时，采用研华工业控制计算机作为流量测量与效率分析系统的主机，系统的整体构架如图3所示。

4流量测量与效率分析系统实现功能

4.1系统对外通讯功能

系统中的通信方式全部采用Modbus标准通信协议[10-11]

（1）作为Modbus主站，系统与流量计主机和从机进行通讯，获取流量等数据;同时，可以向流量计装置的主机写入、修改控制参数，对流量计装置实现远程控制。

（2）作为Modbus从站，系统与机组LCU通讯，获取来自机组的净水头、有功、无功、导叶开度以及蜗壳压力差等数据。

（3）作为Modbus主站，系统与振摆通讯，获取振摆输出的净水头。

（4）作为Modbus从站，系统将采集到和计算出的几个能反应机组特性的数据，比如水轮机效率、耗水率、累计流量，累计漏水量等传送给机组LCU。

（5）在电厂现场进行效率试验的时候，测流系统作为Modbus的主站，通过网络方式将30号机组和31号机组的数据与28号机组流量计采集到的主要数据进行交换，把本机测量到的数据传送给对方。

4.2人机界面功能

系统能够提供方便、直观的界面操作，实现以下功能：

（1）可通过界面直接对流量计装置进行参数设置，实现对流量计装置的远程控制;

（2）可以在线计算水轮机效率，并实时显示;

（3）根据获取的数据，对机组水流断面可以实时绘制出流态分布图并显示出来;

（4）实时监控系统与所有外界设备进行通讯的通讯状态;

（5）在界面中可进行人工设置参数，自动绘制出各种能反映机组特性的曲线图;

（6）在界面中完成历史数据的查询与导出;

（7）可以实时显示每一台机组的所有实时数据。

4.3数据存储与检索功能

系统中采用轻型的关系数据库SQLite来管理数据的存储、检索、统计分析等，相比大型商用数据库，其读写速度更快，便于维护。同时，还创建了以Mem-cached作为高速缓存与历史数据库协同工作的模式，将采集到的原始数据经过软件内部计算、分析处理后写入高速缓存，由相应的后台服务端进行读写，即写入历史库和前端界面显示。

历史库提供丰富的数据记录功能，以不同時间间隔提供两种记录数据的方式。一种是按照每一秒钟存储;一种是按照每小时存储，以方便对不同的数据进行统计并生成报表。提供不同的数据查询方式并以表格的方式导出，可按机组查询，也可按与流量、效率相关的数据进行分类查询。同时，为了数据能长期安全保存，系统会定时对历史库进行数据备份[12-13]。数据库存储过程如图4所示。

5流量测量精度与模型数据对比

为了验证该系统中流量计的测量精度和水轮机模型计算流量的试验结果，在特定的工作水头下，对31号机组进行了变负荷试验，并由流量测量与效率分析系统记录下整个过程的相关数据。通过人工设置后，系统会自动从数据库中获取到一定时间内稳定工况状态下的流量数据，从中选择几组特征数据进行实验。通过对表1的试验结果进行分析可知，在特定的试验水头下，流量测量与效率分析系统采集上来的流量数据和模型试验计算出来的流量数据之间的误差较小，在0.7%以内[14-15]。这也说明了模型计算流量试验的准确度[16-18]。

另外，根据选取的31号机组在特定水头下的实测9组流量数据和模型计算的流量数据，计算出了水轮机的效率，并绘制出了真机效率曲线和模型效率曲线的拟合图，如图5所示。由图5可以看出，模型流量数据计算出来的水轮机效率和根据实测流量计算出来的水轮机效率非常接近，误差很小。同时，也证实了机组流量测量的精度对效率计算的影响程度[19-20]。

6结语

三峡水利枢纽地下电站水轮机流量测量与效率分析系统是在采用了国外厂家生产的流量计装置的基础上设计开发出来的。该系统具有与机组监控系统、振摆系统以及其他机组测流装置进行通讯的功能，并可实现对机组流量计装置的远程控制，完成机组流量相关数据的采集、效率计算、流态分布的曲线绘制、数据分析以及导出等功能。系统需求和测量精度完全能够满足水轮机现场效率试验的要求，具有通用性和扩展性。而且一台机组的现地单元通过控制可以去读取其他机组安装的不同厂家流量计装置的换能器的信号，可以实现不同机组、不同厂家流量计之间的互测。在国内的水电站机组测流中，该系统是唯一采用了该设计方式的。

系统在三峡水利枢纽地下电站安装投运以来，运行状况稳定，数据测量准确，为电站的日常监测和现场效率试验提供了实时准确的数据，保障了电站科学合理的调度，实现了经济运行。同时，三峡水利枢纽电站也是在国内首次使用了大口径18声路超声波流量计进行测流的，它的成功运行，可为其他电站流量测量系统的建立提供技术参考。

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引用本文：曲立娜，贪剑虹.三峡水利枢纽地下电站机组流量测量与效率分析[J].人民长江，2019，50（4）：172-175.

Flow measurement and efficiency analysis on underground powerhouse in Three Gorges Projec

QU Lina，YUN Jianhong

（1.Nanjing Sunrise Electric System Control Co.Ld.，Nanjing 210003，China;2.Shanxi Water and Power Survey and DesignInstitute，Xi' an 710000，China）

Abstract：Given the technical features of the 18 acoustical circuit large diameter ultrasonic flow meters that are manufacturedby Accusonic，an US company，and in order to measure water flow for unit 30 and unit 31 of Three Gorges underground hydropower station，a set of real time and effective flow measurement system was established.The system is able to conduct on-lineefficiency calculation and analysis.This paper introduces the overall design scheme as well as technical implementation.The system can remotely control unit flow meter device and read the signal captured by the transducer of other unit flow meter through independently-designed locale control unit of switching box.At the same time，we can calculate the efficiency of hydraulic turbine，plot the efficiency curve and the scattergram of the distribution of pipeline flow regime by a human-machine interface，andetc.The system was used to test the efficiency of the units of Three Gorges underground power station，and the test results showedthat its accuracy and the data fully met the standards.

Key words：flow measurement;turbine efficiency;ultrasonic flow meter;Modbus agreement;underground powerhouse;ThreeGorges hydropower project