一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统及方法与流程

本发明公开了一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统及方法，属于机械效率测量技术领域。

技术背景

水轮机的效率是确定水轮机能量综合性能的最主要因素，清楚地知道水轮机各个工况的效率能够更为精确地指导电站的合理安全运行。为了求得水轮机的工作效率，需要测量水轮机的输出功率、工作水头以及过流流量这几个参数。水轮机的输出功率通常无法直接获得，最常用的方法是以发电机的功率换算得出；水轮机的工作水头是指水轮机蜗壳进口和尾水管出口截面处单位重量的水流能量差，作为水轮机最基本的参数一般电站都已布置了测量装置可直接读取得知；而过流流量的测量方法繁多，包括流速仪法、毕托管法、示踪法、吉普森法等。吉普森法用于流量测量在国内的应用还十分的少，因此基于此方法的试验装置系统还有待于进一步完善。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统及方法，利用关闭水轮机导叶瞬间有压管道瞬变流水锤压力升高和流量变化来计算过流流量，从而导出水轮机效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统，包括：直引水钢管，水轮发电机组，测量断面水锤压力汇集装置，断面压力信号拦截阀，压力及功率变送装置，数据采集模块和数据可视化模块；

所述水轮发电机组与所述直引水钢管串联，通过直引水钢管将水引至水轮发电机组；

所述测量断面水锤压力汇集装置共有两组，分别安装于直引水钢管的上下游过流断面处，将由水锤引起的升高水压力传导至压力及功率变送装置处；

所述断面压力信号拦截阀有两个，分别串联到两组测量断面水锤压力汇集装置所在的线路上，用于收集上下游断面的水压力值；

所述压力及功率变送装置位于压力信号传导线路汇合点的后方，用于将水压力信号转换为直流电压信号进行输出；并且用于将发电机的三相交流电信号转换为直流电压信号进行输出；

所述数据采集模块采集压力及功率变送装置输出的实时直流电压信号；

所述数据可视化模块用于将所述数据采集模块采集的数据以图形曲线形式进行显示。

前述的测量断面水锤压力汇集装置安装在直引水钢管的外侧，且其管路环绕于直引水钢管的过流断面，所述测量断面水锤压力汇集装置安装的上下游过流断面距离应不小于10倍的直引水钢管当量直径。

前述的测量断面水锤压力汇集装置包括3个在直引水钢管的过流断面上周向均匀分布的压力测孔，周向过流管道，直流弯管和三通管；所述压力测孔内安装径向压力测孔管道，左右两个径向压力测孔管道与周向过流管道通过直角弯管相连，另外一个径向压力测孔管道与周向过流管道通过三通管相连；所述周向过流管道环绕在直引水钢管外表面。

前述的在测量导叶完全关闭后的漏水流量时，仅打开一个断面压力信号拦截阀，得到直引水钢管中自由液面下降的高度，进而计算得到漏水流量。

前述的压力及功率变送装置包含两套转换电路，一路用于采集水压力信号，一路用于采集三相交流电信号；所述转换电路为dc直流电源、压差传感器/功率变送器和采样电阻组成的串联电路；压差传感器用于采集两处断面压力信号拦截阀输出的水压力值，得到上下游过流断面的水压力差值，转换为采样电阻两端的直流电压信号输出至数据采集单元；功率变送器用于采集发电机的三相交流电信号，转换为采样电阻两端的直流电压信号输出至数据采集单元。

前述的dc直流电源电压为+24v，输出电流4～20ma。

一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)打开水轮发电机组，使水轮发电机组稳定运行一定时间；

(2)打开两个断面压力信号拦截阀，并接通各个模块的供电电源，使各个模块处于工作待机状态；

(3)迅速关闭导叶，由此操作所产生的水锤升高压力通过压力测孔内的径向压力测孔管道传导至压力信号拦截阀处；

(4)压力及功率变送装置中的压差传感器采集两个压力信号拦截阀的压力信号，得到上下游过流断面的水压力差值，转换为采样电阻两端的直流电压信号输出至数据采集单元；功率变送器采集发电机的三相交流电信号，转换为采样电阻两端的直流电压信号输出至数据采集单元；

(5)数据采集模块持续采集压力及功率变送装置输出的直流电压信号，最终以实时曲线的形式通过数据可视化模块展现；

(6)改变水轮机的不同运行工况，重复步骤(1)～(5)，得到不同的压力实时曲线，均通过数据可视化模块展现；

(7)根据压力实时曲线采用吉普森迭代积分得到过流流量q，同时结合功率变送器所得到的水轮机功率p以及水电站运行净水头h，计算得到该电站水轮发电机组的运行效率η。

前述的步骤(3)中，导叶关闭前记录时间不得少于20秒，导叶完全关闭后，曲线记录时间至少包括4个压力波。

前述的步骤(7)中，运行效率的计算公式为：

其中，γ为水的重度，

p的求解为：对发电机的电信号进行时均化处理，得到发电机的功率p′，进而计算水轮机功率p，p＝η′p′，其中，η′为发电机的效率。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

相比于其他流量测量方法，该系统具有装置安装拆卸方便、数据通讯实时灵活以及实验成本极大减少的优点。

附图说明

图1是本发明的利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统的整体结构示意图；

图2是上下游两个过流断面测量断面水锤压力汇集装置的结构示意图；

图3是上下游两个过流断面测量断面水锤压力汇集装置中压力测孔的局部结构示意图；

图4是压力变送器与压力传感器布置的电路示意简图；

图5是本发明的利用直引水管路水锤的水轮机效率测试方法的流图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明在计算水轮机工作效率中，其过流流量测量基于吉普森法，该方法通过水锤动量方程推导得出流量的计算公式。其基本步骤是利用迅速关闭阀门(导叶)所产生的水锤增压波得到压力时间曲线，然后积分关闭阀门过程期间的瞬时压力差并结合直引水管道固有的参数，即管道系数来得到流量。

如图1所示，本发明提供一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试系统，包括直引水钢管1，水轮发电机组2，测量断面水锤压力汇集装置3，断面压力信号拦截阀4，压力及功率变送装置5、数据采集模块6和数据可视化模块7。水轮发电机组2与直引水钢管1串联，通过钢管将水引至机组。测量断面水锤压力汇集装置3共有两组，分别安装于直引水钢管1的两个不同断面处，即过流断面，同时需要保证上下游过流断面距离应不小于10倍的钢管当量直径。将由水锤引起的升高水压力传导至压力及功率变送装置5处；断面压力信号拦截阀4分别串联到两组测量断面水锤压力汇集装置3所在的线路上；压力及功率装置5置于压力信号传导线路汇合点的后方，其负责协调分工两处测量断面水锤压力汇集装置3，并且能够将水压力信号转换为电压信号以便于输出。

图2和图3分别是上下游两个过流断面测量断面水锤压力汇集装置的整体和局部结构示意图，该装置安装在直引水钢管1的外侧，且其管路环绕于直引水钢管1的过流断面。在直引水钢管的过流断面上均匀布置3个压力测孔3-4，即每两个相邻压力测孔间的角度为120度。每个压力测孔内均安装径向压力测孔管道，左右两个径向压力测孔管道与周向过流管道3-1通过直角弯管3-3相连，另外一个径向压力测孔管道与周向过流管道3-1通过三通管3-2相连。周向过流管道3-1环绕在直引水钢管1外表面。参见图3，压力测孔通过一段直径很小的径向压力测孔管道3-4-2将直引水钢管的截面压力传导至外面，在每个径向压力测孔管道外部布置一个防水夹层3-4-1，并通过橡胶密封条3-4-3密封以保证不会出现漏水现象。

水轮机导叶迅速关闭产生的升压通过上述断面水锤压力汇集装置传导至压力信号拦截阀4处，压力信号拦截阀4的作用是试验中同时打开两个信号阀门，这样便可以获得上下游断面的压力差值；并且试验后若想进一步提高精度，在测量导叶完全关闭后的漏水流量时，可以仅打开一个信号阀门，拦截另一侧的压力信号，得到直引水钢管中自由液面下降的高度，即可换算得到漏水流量。

图4是压力及功率变送装置的电路示意简图，该示意图包括dc直流电源5-1、压差传感器5-2、采样电阻5-3以及电压表5-4。其中，直流电源电压为+24v，输出电流4～20ma。将上述上下游两个过流断面测量的原始压力数据输入到压差传感器5-2中，求得差值，即可得到实时变化的电压时间样点，这些样点数据通过数据采集模块6进行采集。本发明中除了需要对压力信号所转换的电压信号进行采集，还需要对发电机的三相交流电信号进行采集，即压力及功率变送装置包含两套一样的转换电路，一路用于采集水压力信号，一路用于采集三相交流电信号。两路转换电路完全一样，对于采集三相交流电信号时，其信号来源为三相交流电，且需要将压差传感器更换为功率变送器。三相交流电信号和水压力信号的采集是可以同时进行的，在两信号都转换为电信号后最终可以同时显现在同一显示设备上。

所述压力及功率变送装置工作步骤如下：

(1)接通装置电路开关，使电路工作稳定；

(2)采集过程中通过测量采样电阻两端电压来将压力信号或交流电信号转换为直流电压信号；

(3)压力及功率变送装置是由单独电源供电的，因此试验后需要切断电源并对实验仪器进行整理。

试验过程中，采集的样点数据最终可以通过专业分析软件以实时曲线的形式展现在终端显示设备中。在试验过程中，可以通过该实时曲线监测设备的工作状态或者是与预期目标压力时间曲线相对比；试验后，可以在进行降噪处理后直接对其进行积分从而得到过流流量。

基于上述系统，本发明提供一种利用直引水管路水锤的水轮机效率测试方法，如图5所示，包括以下步骤：

(1)打开水轮发电机组t1，使t1稳定运行一定时间；

(2)打开两处断面压力信号拦截阀，并接通各个数据模块的供电电源，使各个数据模块处于工作待机状态；

(3)一切准备完毕后，迅速关闭导叶；由此操作所产生的水锤升高压力通过压力测孔内的径向压力测孔管道传导至压力信号拦截阀处；

(4)压力及功率变送装置中的压差传感器通过将两个压力信号拦截阀接收到的压力信号做差，计算获得上下游过流断面的压力差值；

(5)功率变送器将发电机交流电信号转换为直流电压信号；压差传感器将压力信号拦截阀输出的压力信号转换为直流电压信号；

(6)数据采集模块持续采集输出的直流电压信号，最终通过专业分析软件以实时曲线的形式通过数据可视化模块展现；

(7)对发电机的电信号进行时均化处理，便可以得到发电机的功率p′，这样便间接得到了水轮机功率p，p＝η′p′，其中，η′为发电机的效率，一般可取0.98；而水压信号转换的实时曲线即为压力时间曲线，采用吉普森迭代积分便可得到过流流量q；

(8)改变水轮机的不同运行工况，重复(1)～(7)的步骤，得到不同的实时曲线，均通过数据可视化模块展现；

(9)根据压力实时曲线采用吉普森迭代积分得到过流流量q，同时结合功率变送器所得到的水轮机功率p以及水电站运行净水头h，最终可以得到该电站水轮发电机组的运行效率η。

步骤(3)关闭导叶的时间约等于水轮机组停机时间，导叶关闭前记录时间不得少于20秒，导叶完全关闭后，曲线记录时间至少包括4个压力波。

步骤(9)中效率的计算公式为：其中，γ为水的重度。

图5所示的流程框图，箭头前后方框框中代表的分别是源结果和目标结果，箭头侧边的方框代表得到目标结果所使用的工具及方法。通过图5所示的流程框图可以清晰的掌握本发明设计的全部思路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。