水轮机机组水力参数的测量.pdf

LOGO6 机组水力参数的测量机组水力参数的测量Company Logo26 机组水力参数的测量机组水力参数的测量3 1概述2传感器3 3电站上、下游水位和水头的测量4水轮机引、排水系统的监测3 5水轮机流量的测量6英布鲁电站的水力量测系统Company Logo36.1 概述概述6.1.1水电站水力测量的目的和内容水电站水力测量的目的和内容6.1.2非电量电测法的基本原理非电量电测法的基本原理Company Logo46.1.1水电站水力测量的目的和内容水电站水力测量的目的和内容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。Company Logo56.1.2非电量电测法的基本原理非电量电测法的基本原理1、非电量电测法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、非电量电测法的优点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。Company Logo66.1.2非电量电测法的基本原理非电量电测法的基本原理3、非电量电测法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。传感器被测参数测量电路稳压电源电气测量仪表1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。Company Logo76.2 传感器传感器6.2.2压力压差传感器压力压差传感器6.2.3位移传感器位移传感器6.2.4振动传感器振动传感器6.2.5温度传感器温度传感器6.2.1概述概述Company Logo86.2.1概述概述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。物理量物理量电量电量Company Logo92.传感器的构成传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。?VCompany Logo103、分类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Company Logo116.2.2压力压差传感器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：?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）Company Logo12名称名称MPM480A型压阻式压力变送器使用对象使用对象石油、化工、冶金、电力、水文等工业过程现场压力测量和控制使用方法使用方法两线制特点特点采用数字补偿技术，精度更高、稳定性更好，免调校量程量程-0.100.01100MPa供电电压供电电压1230VDC输出信号输出信号420mADC精度等级精度等级0.1%FSCompany Logo13名 称名 称MPM482型LCD数字显示压力变送器使用对象使用对象用于环境较恶劣，同时需进行压力显示和输出的场合，适用于各种有或无腐蚀性的液体、气体的压力测量使用方法使用方法用M201.5的压力接口直接安装于测量点上特点特点放大电路安装于铝合金壳体内，传感器元件封装于不锈钢壳体内。两线制，3位半液晶现场显示量程量程-0.100.01100MPa任意选择供电电压供电电压2040VDC输出信号输出信号420mADC精度等级精度等级0.1%FS|0.25%FS|0.5%FSCompany Logo14名称名称MDM4951DP型差压变送器使用对象使用对象液体、气体和蒸气的差压测量使用方法使用方法特点特点量程量程07.5kPa、037.4kPa、0186kPa供电电压供电电压输出信号输出信号420mADC精度等级精度等级Company Logo15420mADC名称名称MDM4951DP型P差压流量变送器使用对象使用对象液体、气体和蒸气的差压测量使用方法使用方法特点特点量程量程07.5kPa、037.4kPa、0186.8kPa供电电压供电电压输出信号输出信号精度等级精度等级输出电流信号与流量成正比Company Logo166.2.3位移传感器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。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；?电感式：它是根据电磁感应的原理，把被测位移转换为自感系数或互感系数的变化，再将自感系数或互感系数接入一定的转换电路，最后变为电信号输出。其具有结构简单、工作可靠、灵敏度高和输出功率大等优点?差动变压器式：属于电感式的一种，它利用线圈的互感作用而工作。具有灵敏度高和线性范围广等优点。?感应同步式：它是根据电磁耦合原理将位移转变成电信号。Company LCompany Logo186.2.4振动传感器（又称拾振器）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，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）；2根据测量原理分为磁电式、应变式、压电式等。磁电式速度传感器：其感应电动势正比于被测振动的速度；应变式加速度传感器：应变片电阻值的变化正比于被测振动的加速度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Company LCompany Logo206.2.5温度传感器温度传感器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。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。Company Logo216.3 电站上、下游水位和水头的测量电站上、下游水位和水头的测量6.3.2电站装置水头的测量电站装置水头的测量6.3.3水轮机工作水头的测量水轮机工作水头的测量6.3.1电站上、下游水位的测量电站上、下游水位的测量Company Logo226.3.1电站上、下游水位的测量电站上、下游水位的测量1测量目的(1)根据水位库容曲线按测定的水库水位确定水库的蓄水量，以制定水库的最佳运行方案；(2)按水位确定水工建筑物、机组及其附属设备的运行条件，以确保安全运行和指导经济运行；(3)按水位对梯级电站实行集中调度；(4)对有通航要求的河流，可按水位指导通航，以保证航运安全，在汛期可按上游水位制定防洪措施；(5)按下游水位推算水轮机吸出高度，为分析水轮机汽蚀原因提供资料；(6)根据上、下游水位之差求出的毛水头在能够同时测出水轮机工作水头的情况下，确定引水系统的水力损失；(7)对转桨式水轮机可根据电站水头调节协联机构，实现高效率运行。Company Logo236.3.1电站上、下游水位的测量电站上、下游水位的测量2测量方法(1)直读水尺：最简单的水位测量装置是直读水尺，直读水尺通常装在上游水库进水口附近(引水式水电站则设在调压井或压力前池)和下游尾水渠附近明显而易于观测的地方。优点是直观而准确，缺点是观测不够方便，故多用于中小型水电站的水位测量，在大中型电站中，一般作为水位测量的辅助装置。(2)液位计：大中型水电站都应利用自动装置对上、下游水位进行测量，目前常用的测量方法是采用浮标式遥测液位计和声波液位计。英布鲁电站采用投入式液位变速器测量电站上下游水位。投入式液位变送器为标准化和系列化产品，可根据使用环境、测量量程和输出信号的类型等选择合适的产品型号。Company Logo246.3.2电站装置水头的测量电站装置水头的测量电站装置水头的获得主要有两种途径：?根据对电站上下游水位的测量结果，通过计算获得?将上下游的压力水引至一差压测量装置，所获得的差压即为电站的装置水头。英布鲁电站采用的是前一种，即根据上下游水位的测量结果，通过计算机计算获得。Company Logo256.3.3水轮机工作水头的测量水轮机工作水头的测量1概述水轮机的工作水头是机组运行中一个重要参数，即真正作用于水轮机使其作功的全部水头。在数值上等于水轮机进出口水流的总比能之差，一般由位置水头、压力水头和速度水头三部分组成。反击式水轮机的工作水头可表示成：冲击式水轮机有：gvvPPZZH2)(10)(222121421+=2211411)210(zgvPazH+=Company Logo266.3.3水轮机工作水头的测量水轮机工作水头的测量2 2、水轮机工作水头的测量方法水轮机的工作水头一般由位置水头、压力水头和速度水头三部分组成。?位置水头：实际上是指蜗壳进口和尾管出口处的两压力水头的测量仪表位置之差，一旦测量仪表安装完毕，位置水头即为常数；?压力水头：采用压力表测量蜗壳进口和尾管出口处的压力，二者之差即为压力水头，或采用差压计直接测量蜗壳进口和尾管出口处的差压，该值即为压力水头；?速度水头：根据差压测流原理（参见第九章），在获得蜗壳进口与尾管出口的压差后，即可求得机组的流量，再由相应的断面面积，即可求出相应断面的速度，从而求得速度水头。Company LCompany LCompany LCompany Logo306.4 水轮机引、排水系统的监测水轮机引、排水系统的监测6.4.2蜗壳进口压力的测量蜗壳进口压力的测量6.4.3水轮机顶盖压力的测量水轮机顶盖压力的测量6.4.1进水口拦污栅前后压力差监测进水口拦污栅前后压力差监测6.4.4尾水管进口真空的测量尾水管进口真空的测量Company Logo316.4.1进水口拦污栅前后压力差监测进水口拦污栅前后压力差监测拦污栅在清洁状态时，其前后的水位差只有24cm。当被污物堵塞时，其前后压力差会显著增加，轻则会影响机组出力，重则导致拦污栅被压垮的事故。因此，一般水电站要设置拦污栅前后水位差监测设备，以便随时掌握拦污栅的堵塞情况，并及时进行清污，确保水电站的安全和经济运行。拦污栅前后压力差监测设备可选择与装置水头测量相似的设备，并考虑压力差超标时具有自动报警功能。英布鲁电站采用投入式液位变速器进行测量。Company Logo326.4.2蜗壳进口压力的测量蜗壳进口压力的测量在水轮机引水系统中，蜗壳进口断面的特性具有较大的意义。在正常运行时，测量蜗壳进口压力可得到压力钢管末端的实际压力水头值以及在不稳定流作用下的压力波动情况；在机组做甩负荷试验时，可测量水锤压力的上升值及其变化规律；在做机组效率试验时，可测量水轮机工作水头中的压力水头部分；在进行机组过渡过程研究试验中，可用来与导叶后测点压力进行比较，以确定在一定运动规律下导叶的水力损失变化情况，此时蜗壳进口压力相当于导叶前的压力。因此，所有机组都毫不例外的装设蜗壳进口压力测量装置。测量蜗壳进口压力所需的仪表一般选用精度较高的压力表或压力变送器。英布鲁电站同时采用压力变送器和压力表测量蜗壳进口压力Company Logo336.4.3水轮机顶盖压力的测量水轮机顶盖压力的测量在水轮机顶盖压力测量的目的是了解止漏环的工作情况，为今后改进止漏环的设计提供依据。在正常运行条件下，转轮上止漏环的漏水经由转轮泄水孔和顶盖排水管两路排出。当止漏环工作不正常时泄漏的水量增多，或泄水孔与排水管发生堵塞现象时，均导致顶盖压力增大，从而引起推力轴承负荷的超载，恶化推力轴承运行环境。测量水轮机顶盖压力所需的仪表可选用压力表或压力变送器。英布鲁电站同时采用采用压力变送器和压力真空表测量顶盖压力脉动真空。Company Logo346.4.4尾水管进口真空的测量尾水管进口真空的测量测量尾水管进口断面的真空度及其分布，其目的是分析水轮机发生汽蚀和振动的原因，还可检验补气装置的工作效果。由于尾水管的水流具有一定程度的不均匀性，因此要准确的测出尾水管进口断面上的压力分布，就必须沿测压断面半径上的各个点对流速和压力进行测量。这种测量只能在模型水轮机中可以近似地做到，在原型机组上是不可行的。因此，实际电站在测量尾水管进口真空度及其分布时，只测边界上的平均压力和流速。为了得到压力和流速的平均值，往往在尾水管进口断面上将各测点用均压环管连结起来然后再由导管接至测压仪表。测量尾水管进口真空度所需的仪表可选用压力表或压力变送器，在选择量程时，需考虑尾水管进口断面可能出现的最大真空度以及最高压力值。英布鲁电站同时采用采用压力变送器和压力真空表测量尾水管压力脉动和尾水管进口压力。Company Logo356.5 机组振动和轴向位移的测量6.5 机组振动和轴向位移的测量一、机组振动的测量一、机组振动的测量1、测量目的查找振动产生的原因，研究振动的特性与规律，以便提出减小机组振动的有效措施。避免超限的、经常性的振动对机组、系统甚至电厂造成危害。2、测量方法?机械式仪表的测振方法：利用机械式示振仪测量振动的位移量变化，并可用笔式记录装置测录振动的时间历程与波形相位，从而获得振动的频率和周期等；?振动的电测法：利用测振传感器来测定机组的振动状态及其特性。Company LCompany LCompany Logo38二、机组轴位移的测量二、机组轴位移的测量1、测量目的机组转动部分在运行时，由于作用在叶片上的力发生变化或支撑转动部分的工作不正常可能发生机组主轴的轴向位移，轴向位移过大会给机组的运行带来严重的后果，成为重大事故。2、测量方法可采用电感或电容式非接触位移传感器作为感受元件，将感受到的轴位移量转换为电信号，镜测量回路输给显示记录仪表，并根据需要发出相应的控制信号。Company Logo39对于监测大轴摆动情况，根据专家研究结果和我们的经验，通常可采用直接测量或间接测量两种方法，但间接测量方法可能导致信号失真和存在一定的误差。因此，大多数情况采用直接测量方法。而电涡流传感器比速度传感器或加速度传感器更能提供可靠的轴摆动状态参数，因而采用电涡流传感器直接监视大轴的摆动情况是非常有效的。Company LCompany LCompany LCompany Logo436.6 英布鲁电站的水力量测系统英布鲁电站的水力量测系统?全厂性量测项目英布鲁电站设置的全厂性量测项目包括上下游水位、电站水头和水库水温等。全厂性量测项目的测量结果直接进入计算机监控系统，并在计算机上进行显示。?机组段量测项目英布鲁电站设置的机组段量测项目主要有：拦污栅后水位、电站进口工作门槽后水位、蜗壳进口压力、蜗壳测流采用、尾水管压力脉动、尾水管进口压力、尾水管出口压力、水轮机工作水头、顶盖压力脉动真空、机组振动、主轴摆度、冷却水温、流量等。机组段量测及机组振动摆度采用集中显示方式，对拦污栅后水位和拦污栅压差测量结果送入计算机监控系统，并在计算机上进行显示。Company Logo446.6 英布鲁电站的水力量测系统英布鲁电站的水力量测系统