水力机组参数测量 (1)

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1、6 水力机组参数监测,2,6 水力机组参数监测,3,6.1 概述,6.1.1水力机组参数监测的目的和内容,6.1.2机组参数的测量方法,6.1.3机组参数的测量工具,4,6.1. 水力机组参数测量的目的和内容,1、测量目的为保证电站的安全运行和实现经济运行；为考查已投入运行机组的性能，促进水力机械基础理论的发展，提供和积累必要的数据资料，就必须对水电站及机组的有关水力参数进行测量监视。其中有些是经常的连续的监测，有些则是为某种特定的目的在试验时进行的测量。水电站必须设置先进的而完整的水力监测装置。 2、测量内容对大中型水电站来说，需对拦污栅前、后压差，水电站上、下游水位及装置水头，水轮机工作水

2、头和引用流量等水力参数进行测量，根据需要还要在某些机组上设置水轮机汽蚀、压力脉动、真空度、振动与轴向位移的测量装置。,5,6.1.2非电量电测法,1、概念在描述水电站及水力机组工作状态的参数中多数为非电量，传统的机械式测量方法，无法满足水电站的自动化要求，为此都采用电气的方法来测量，即非电量电测法。 2、优点 1测量范围大 、灵敏度好、精度高； 2可连续测量且便于显示和记录； 3能对测量结果进行数学分析和处理； 4惯性小，特别适应测量过渡过程； 5便于测量元件的标准化和系列化。,6,3、原理框图典型的非电量电测系统原理方框图如图所示，它由传感器、电气测量仪表、测量电路和稳压电源四部分组成。,1

3、传感器：用于将非电量变换为电量，这是所有非电量电测系统必不可少的单元； 2测量电路：用于将传感器输出的电量转化为电气测量仪表所能直接接收的电量； 3电气测量仪表：根据测量电路输出的电量，显示被测参数的大小或动态记录被测参数的变化过程； 4稳压电源：用于为测量系统提供优质可靠的电源。,7,6.1.3传感器,1. 传感器定义传感器是一种借助检测元件将一种形式的信息转换为另一种形式信息的装置。从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号按一定函数关系（一般为线性）转换成电信号，以便采用电气仪表进行测量的装置，它是非电量电测系统中的核心元件。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。,8,2. 传感器的构成传

4、感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,3、分类 1按是否需外加能源分；自源、它源 2按被测参数类型分：压力、位移、振动、温度 3按测量的原理分：电阻、电容、电感、压电,9,6.1.4机组参数的测量工具,6.1.4.1压力压差传感器,6.1.4.2位移传感器,6.1.4.3振动传感器,6.1.4.4温度传感器,10,6.1.4.1压力压差传感器,压力压差传感器可将被测介质的压力或压差转换为电信号输出。一般是用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。其主要类型有：

5、 应变式：基于电阻应变原理，利用应变片配合适当的弹性元件而工作，其特点是精度高、体积小、重量轻、测量范围广和固定频率高等； 电感式：利用位移电感变换器在位移因压力变化而变化时，其输出电压相应变化的原理来工作的； 压电式：以某些电介质的压电效应为基础进行工作的。所谓压电效应是指当晶体发生机械变形时，它们的相对两面上将发生异号电荷。（不能用于静态测量，只能用于动态测量）,11,12,13,14,15,6.1.4.2位移传感器,位移传感器可将位移量转换为电量。按位移的特征，分为线位移和角位移。常用的位移传感器有： 电位器式：属于电阻式的一种，它可将位移或其他能够转换为位移的物理量变换为电阻值的变化。

6、其结构简单，采取补偿措施后线性度也较好，且可用于对大位移的测量；,16,电感式：利用电感线圈在电磁场中电感（自感或互感）的变化、将机械位移转变为电量的传感器称为电感式位移传感器。电感式位移传感器由铁芯、线圈与衔铁所组成，当衔铁相对于电感线圈的位置改变时，磁路的磁阻发生变化，使电感线圈中的电势发生变化，利用此原理，将机械位移量转换为电量输出 。其具有结构简单、工作可靠、灵敏度高和输出功率大等优点,17,电容式位移传感器 ：利用电容极板间覆盖面积变化时其电容量变化的原理制成的位移传感器称为电容式位移传感器。电容的活动极板呈直线位移时为线位移传感器，活动极板呈角位移时为角位移传感器。电容式位移传感器

7、采用差动式结构 。,18,电涡流传感器（用于小位移测量） 利用涡流效应制作的小位移传感器，尤其适用于动态位移测量，例如测转动机械轴的摆度等。电涡流传感器测位移为非接触式测量，它利用传感器探头与被测金属表面距离变化测量二者之间的相对位移。,19,20,6.1.4.3振动传感器（又称拾振器）,1根据测量参考坐标的不同，分为两类。 相对式：有两个相对运动的部分，一个固定在相对静止的物体上作为参考点，另一个用弹簧压紧在振动物体上，将振动直接刻划在记录纸上或转换成电量输送给测振仪；（适于在一定的频率和振幅范围内工作） 绝对式（或惯性式）：通常是一个由质量块、弹簧组成的惯性系统，整个传感器装在被测物体上，

8、由于惯性力、弹力和阻尼力的组合作用而使质量块对壳体做相对运动，来反映被测振动（水电站常用的形式）；,21,2根据测量原理分为电阻式、电容式、电感式、磁电式、压电式等。水电站常用： 磁电式速度传感器：其感应电动势正比于被测振动的速度；当传感器的壳体与振动物体紧固在一起时，壳体随物体一起振动，壳体连同线圈与与永久磁铁发生相对位移，线圈切割磁力线产生正比于被测物体振动速度的电动势，此电动势经过放大电路放大处理后输出相应的电压或电流。速度式传感器适用于测量频率较低（101000Hz）、振幅较小（1mm以下）的机械振动。,22,电容式加速度传感器：利用电容极板间间隙改变时电容量随之变化的原理测量振动加速

9、度。当传感器处于静止状态时，动极板处于两固定极板C的中间位置，形成的电容C1=C2。当传感器的质量块受加速度作用时，动极板与质量块在弹簧支持下以加速度a发生运动，动极板相对于固定极板位置发生改变，C1C2，由此形成的差动电容连同其位移信号反映了振动加速度的大小。,23,压电式加速度传感器：传感器产生的电荷正比于被测振动的加速度。测量时将传感器固定在被测物体上，当物体振动时， 传感器壳体随物体一起振动，压电晶体在质量块的惯性力作用下产生电荷，输出的电荷量与振动加速度成正比。,24,25,6.1.4.4温度传感器,1热电阻传感器 热电阻：利用电阻与温度呈一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温

10、元件。当被测件温度发生变化时，感温元件的电阻也随之发生变化。当我们知道其变化规律后，设法测出感温元件的电阻值，就可获得感温元件的温度，从而获得感温元件所在的环境温度。,26,2热电偶传感器 热电偶：由两种成分不同的导体A和B连接在一起构成的感温元件（当导体A和B的两个接点存在温差时，回路中将产生温差电势）。利用热电偶的特性，可获得被测环境温度与基准温度之间的差值，从而获得被测环境的实际温度。,27,6.2 机组水力参数的测量,6.2.2水电站水位和水头的测量,6.2.1水轮机流量测量,6.2.3压力与压差的测量,28,6.2.1水轮机流量测量,一、水轮机流量测量的意义与目的 1、测量意义有利于

11、实现水电站的经济运行。即在保证一定出力的情况下，使总的耗水量最小；或在一定流量下使机组的出力为最大。简言之：使机组在进行能量转换时总效率最高。 2、测量目的 准确获得原型机的真实效率； 制订机组之间或电站之间的优化运行方案； 准确掌握水库的运行情况，推求水库的漏水量。,29,二、水轮机流量测量的特点 水轮机流量大，实验室方法不适用于原型机，而且测量方法还受水轮机进水流道和出水流道的结构和布置的限制； 水轮机流道内流速分布曲线不规律，切随水轮机工框的变化而变化； 为保证电能的安全生产，安装时间和试验次数受到限制，给试验的组织与测定工作带来不便； 对测量精度的提高很困难。,30,三、水轮机流量测量

12、的基本方法 容器法（重量法、容积法） 节流法（孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴等） 堰流法（直角三角形堰、矩形堰、全宽堰） 差压法（蜗壳差压,弯头差压,流道差压,尾水管差压） 流速面积法 水锤法 浓度法 超声波法 计量仪表法（电磁流量计,涡轮流量计,涡街流量计等）,31,6.2.1.1流速仪法测流,一、基本原理 流速仪法测流，是一种古老的测流方法，在最佳测试条件下可达到11.5%的精度，成果可靠，使用较广。我国绝大多数电站水轮机的效率试验都采用此法。 使用流速仪法测流，是将若干个流速仪布置在测流断面上，测出断面上各测点的流速，然后对断面流速分布进行积分，即可得到流量。 水轮机测流只能用旋桨式流

13、速仪。,32,流速仪是利用螺旋桨转速测流速的仪器，它由螺旋桨、壳体、计数机构等部件所组成。螺旋桨承受水流速度而旋转，壳体内的计数机构有一小齿轮和桨叶转轴相连，当螺旋桨转动一圈，通过小齿轮带动计数齿轮转过一个齿，而当计数齿轮转完一周(10个齿或20个齿)时，电触头即接通一次，发出一个脉冲信号，经信号记录仪将其记录下来。根据记录时间内脉冲信号的次数，利用流速仪的传动系数，可以计算出螺旋桨的转速。再由转速计算出 水流流速。,33,二、测流断面的选择采用流速仪法测流的主要条件是必须选择良好的测流断面，以保证最大可能的测流精度。 测流断面应具有一定的尺寸，以确保测流的精度； 测流断面必须具有规则的几何形

14、状，并能进行几何丈量； 测流断面应与水流方向垂直； 测流断面应位于管道的直线段； 测流断面与水轮机进口（或出口）断面间不允许存在流量损失； 必须防止冰块、脏物、悬浮物进入测流断面。,34,三、流速仪布置及流量计算选定断面后，须进一步确定测速点数及其布置方式。测速点数的多少应以能反映断面上流速分布的全貌为原则。测点过少，每点流速代表的面积较大，影响测流精度；测点过多，扰乱水流速度的自然分部，也影响精度。按流速分布测量流量时，一般采用等截面积加权平均法。对圆形断面，将其分成若干个等面积的同心圆环，在两条相互垂直的直径上与圆环的分界线各个交点上布置流速仪；对于矩形管道，则将整个断面分成若干等面积的小

15、矩形，在各个小矩形的对角线交叉点上布置流速仪或用其他方式布置。最后根据相应的计算准则求出平均流速。,35,1、相关规程 圆形过水断面圆形过水断面直径不得小于1.4m，测点常布置在两根互相垂直的（与水平呈45度）或有相同圆心角的同心圆直径上，下图分别为4个、6个和8个半径支臂时，支臂的布置形式。支臂上的流速仪的间距用等面积法来确定，每个半径不少于3台，中心必须有1台。,36,每一半径测点Z为： IEC 60041:1991 建议JEC 157:1980 建议每个半径测点位置，JEC 157:1980建议 式中： 自圆心至第n号测点的距离；圆管半径除圆心外每个半径的测点数目,注：边壁流速仪距管壁至

16、少应为流速仪旋转直径的0.75倍，相邻流速仪的间距应大于流速仪直径的1.2倍。,37,JEC 157:1980推荐圆形断面测点布置如右图，各测点所在圆的半径如下表所示。断面各测点的权值相等，每一直径上的平均流速等于该直径上各测点流速的算术平均值，整个断面的平均流速为各测 点流速的 算术平均 值。,38,矩形或梯形断面对矩形或梯形断面，测点位置的布置主要根据断面流速分布情况来确定。在断面中部流速分布较均匀，测点间距可大些；在侧壁、底部和水面附近，流速变化较大，测点间距应小些；测量断面测点布置数Z为： IEC 60041:1991 建议IEC规定：在矩形断面上至少需要布置25个测点，分布在5条水平线与5条垂直线的交点上。 JEC 157:1980 建议式中： 测流断面的面积；,注：近自由水面布置的流速仪距水面至少应等于流速仪的旋转直径。,39,上述等截面积加权平均方法是建立在管道断面上流速分布呈线性关系的基础上。实际上不论层流还是紊流，壁面附近的速度梯度远远大于中心处的梯度。同时工程上按此方法对大断面的测量还受诸多限制。国际标准ISO 3966推荐使用“对数线性”和“对数切比雪夫”方法。,