本發(fā)明涉及一種水電站壓力主管流量測(cè)量設(shè)備，尤其涉及一種用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

水電站的水輪機(jī)效率和狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)電站技術(shù)指標(biāo)考核、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能降耗的手段，將逐漸體現(xiàn)其實(shí)用性和對(duì)電站的重要意義，而流量是效率測(cè)量中的主要參數(shù)，但流量測(cè)量已經(jīng)成為該工作陷入困境的主要原因和瓶頸問題，制約了水輪機(jī)效率測(cè)量工作的開展。

然而，為了能夠?qū)σ后w進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，在測(cè)量裝置的前后，必須敷設(shè)規(guī)定的直管段，在不滿足此條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。直管段的長(zhǎng)度決定于管道的直徑，且為直徑的10～60倍?？紤]到水電站壓力主管的管徑比較大，流量計(jì)安裝位置前后需的直管段長(zhǎng)度很難滿足要求，因此，即使采用超聲波流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度也很低，從而給水電站機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行帶來困難。

專利申請(qǐng)?zhí)枮椤?01210140121.7”的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種大管徑低壓頭水流量測(cè)量裝置及方法，其測(cè)量裝置包括水塔、循環(huán)水流量管道及凝汽器，在流量裝置內(nèi)的循環(huán)水流量的管道上設(shè)有旁通管道，在旁通管道前的主管道上設(shè)有取壓孔；在旁路區(qū)間內(nèi)的主管道上設(shè)有取壓孔。該發(fā)明申請(qǐng)對(duì)現(xiàn)有流量測(cè)量裝置進(jìn)行了改造，并結(jié)合測(cè)量方法進(jìn)行理論推導(dǎo)，目的在于解決管徑大、壓頭低等現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水流量無法進(jìn)行在線測(cè)量的問題。

但是，上述發(fā)明申請(qǐng)沒有給出旁通管管徑的確定方法，不能夠進(jìn)行作為產(chǎn)品規(guī)格化生產(chǎn)，缺少實(shí)用性；另外，該發(fā)明申請(qǐng)的測(cè)量方法中k值并未說明是常數(shù)，也沒有說明是常數(shù)的條件，隨著壓差的不同會(huì)發(fā)生變化，每次使用時(shí)都需要測(cè)定，且過程較為復(fù)雜，導(dǎo)致整個(gè)方法的可實(shí)施性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種結(jié)構(gòu)確定且便于實(shí)施的用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置及測(cè)量方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

一種用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置，包括前池、壓力主管、三通管和旁通管，所述壓力主管是管徑在1m以上的引水壓力管道，所述壓力主管與所述前池相通，所述旁通管包括相互相通連接的彎管和直管，所述彎管通過所述三通管與所述壓力主管相通連接，所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置還包括節(jié)流閥、流量計(jì)和溢流池，所述節(jié)流閥安裝于所述三通管與所述彎管之間，用于測(cè)量所述直管內(nèi)水流量的所述流量計(jì)安裝于所述直管上，所述直管的出水口與所述溢流池相通連接。

優(yōu)選地，所述旁通管的內(nèi)徑滿足以下條件：

其中，q表示旁通管內(nèi)的設(shè)計(jì)流量，單位是kg/s，ν表示旁通管內(nèi)水的流速，單位是m/s，d表示旁通管的內(nèi)徑，單位是m，υ表示流體運(yùn)動(dòng)粘度，單位是m²/s，ρ表示水的密度，單位是kg/m³。只有滿足該公式的旁通管，其流阻系數(shù)才和流速無關(guān)。

優(yōu)選地，所述流量計(jì)為渦街流量計(jì)。

優(yōu)選地，所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置還包括用于將水流進(jìn)行平穩(wěn)處理的整流束和溢流窗，所述整流束安裝于所述直管內(nèi)且位于所述流量計(jì)與所述彎管之間，所述溢流窗設(shè)于所述直管的出水口并置于所述溢流池內(nèi)。

所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置還包括安裝于所述旁通管上的閥門。根據(jù)應(yīng)用需要，閥門可以為手動(dòng)閥門或電磁閥門，一般安裝在溢流窗與流量計(jì)之間，不測(cè)量時(shí)閥門常關(guān)，僅在測(cè)量時(shí)將其打開，避免浪費(fèi)水資源，充分利用流體能量。

一種用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置采用的測(cè)量方法，在所述旁通管內(nèi)部液體流動(dòng)的雷諾數(shù)re≥1.3×10⁵的前提下，通過以下公式計(jì)算壓力主管流量：

δh＝k1q²+k2q²

其中，k1和k2為常數(shù)，δh為前池與溢流池液面的高差，其值不大于10米，避免旁通管內(nèi)發(fā)生水力振動(dòng)，保證測(cè)量精度，q為壓力主管流量，q為旁通管流量。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置通過設(shè)置從壓力主管中取出部分水的旁通管并增加節(jié)流閥，可以通過調(diào)節(jié)該節(jié)流閥，使得旁通管的雷諾數(shù)可以達(dá)到一定條件，以使壓力主管與旁通管內(nèi)水的流量之間不隨流態(tài)變化，從而可以通過測(cè)量旁通管內(nèi)水的流量計(jì)算得到壓力主管內(nèi)水的流量，小管徑的旁通管易于生產(chǎn)、成本低，且流量測(cè)量所需的直管長(zhǎng)度也相應(yīng)減小，其市場(chǎng)應(yīng)用前景和社會(huì)效益可觀；通過本發(fā)明所述測(cè)量方法，能夠只需通過前池與溢流池液面的高差的測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)根據(jù)測(cè)量旁通管內(nèi)水的流量計(jì)算壓力主管內(nèi)水的流量的目的，而且測(cè)量精度高，解決了目前水電站壓力主管流量測(cè)量準(zhǔn)確度較低的問題，為水電站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)節(jié)能減排的大目標(biāo)具有一定的實(shí)際意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置采用的測(cè)量方法的理論推導(dǎo)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述壓力主管與旁通管的流量關(guān)系曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置包括前池11、壓力主管12、三通管3、旁通管、節(jié)流閥4、整流束6、渦街流量計(jì)8、閥門13、溢流窗9和溢流池10，壓力主管12與前池11相通，所述旁通管包括相互相通連接的彎管5和直管7，彎管5通過三通管3與壓力主管12相通連接，節(jié)流閥4的一端與壓力主管12連接，節(jié)流閥4的另一端與彎管5的一端連接，用于測(cè)量直管7內(nèi)水流量的渦街流量計(jì)8安裝于直管7上，用于將水流進(jìn)行平穩(wěn)處理的整流束6安裝于直管7內(nèi)且位于渦街流量計(jì)8與彎管5之間，用于將水流進(jìn)行平穩(wěn)處理的溢流窗9設(shè)于直管7的出水口并置于溢流池10內(nèi)，閥門13安裝在渦街流量計(jì)8與溢流窗9之間的直管7上；包括彎管5和直管7的所述旁通管的內(nèi)徑滿足以下條件：

其中，q表示旁通管內(nèi)的設(shè)計(jì)流量，單位是kg/s，ν表示旁通管內(nèi)水的流速，單位是m/s，d表示旁通管的內(nèi)徑，單位是m，υ表示流體運(yùn)動(dòng)粘度，單位是m²/s，ρ表示水的密度，單位是kg/m³，一般取為1000。

如圖1所示，運(yùn)行時(shí)，開啟閥門13，流體(水電站的水)從前池11進(jìn)入壓力主管12，部分流體通過三通管3和節(jié)流閥4流入旁通管。節(jié)流閥4是整個(gè)裝置內(nèi)流動(dòng)阻力最大的元件，它決定著旁通管內(nèi)的流量q的大小，因此它也是決定旁通管內(nèi)的流量q和壓力主管12內(nèi)的流量q的比例關(guān)系，也即是旁路系數(shù)的大小的關(guān)鍵部件。流體接著流過彎管5，使流體的流動(dòng)方向發(fā)生了90度的轉(zhuǎn)變，然后進(jìn)入直管7內(nèi)。為了提高流體經(jīng)過彎管5后的穩(wěn)定性，便于更準(zhǔn)確地測(cè)量流量q，在渦街流量計(jì)8前安裝有整流束6。流體流過整流束6后到達(dá)渦街流量計(jì)8所在位置，流體在渦街流量計(jì)8處產(chǎn)生一系列的渦漩，渦街流量計(jì)8借此測(cè)量出旁通管內(nèi)的流量q(旁通管內(nèi)的流量q與直管7和彎管5內(nèi)的流量相同)。流體最后經(jīng)過溢流窗9后比較平穩(wěn)的進(jìn)入到溢流池10內(nèi)。測(cè)量結(jié)束后，關(guān)閉閥門13，節(jié)約水資源。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明所述用于水電站壓力主管流量測(cè)量的裝置采用的測(cè)量方法，在所述旁通管內(nèi)部液體流動(dòng)的雷諾數(shù)re≥1.3×10⁵的前提下，通過以下公式計(jì)算壓力主管流量：

δh＝k1q²+k2q²

其中，k1和k2為常數(shù)，δh為前池與溢流池液面的高差，其值不大于10米，q為壓力主管流量，q為旁通管流量。

為了對(duì)本發(fā)明的可實(shí)施性和創(chuàng)造性進(jìn)行說明，下面將本發(fā)明所述測(cè)量方法的具體推導(dǎo)過程詳細(xì)描述如下：

如圖1和圖2所示，以0—0斷面為基準(zhǔn)面建立1—1斷面到2—2斷面之間的能量方程：

其中，z表示流體所具有的位置能頭，表示流體所具有的測(cè)壓管能頭，ρ表示流體的密度，單位是kg/m³，一般取為1000，表示流體所具有的速度能頭，hw表示流體的能量損失，α表示相應(yīng)斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，流速均勻分布，則α＝1，流速分布愈不均勻，則α值越大，在管流的紊流流動(dòng)中，α＝1.05～1.1，在實(shí)際工程計(jì)算中，常取α＝1。上述流體即水電站中的水，下文亦同。

式(1)是1-1斷面到2-2斷面之間單位能量的關(guān)系，與流體流量總量分配無關(guān)。

因1-1斷面為自由液面，則

則式(1)可以簡(jiǎn)化為：

又因?yàn)橐缌鞔?的出口壓力為深度h(即溢流池10的液面與溢流窗9之間的高度)產(chǎn)生的靜水壓力，因此：

則

圖2中的高度關(guān)系有所以

式中，δh為前池與溢流池液面的高差，hw為流體流動(dòng)過程中總的水頭損失。

流體在流動(dòng)過程中，水頭損失包括沿程水頭損失和局部損失兩部分：

hw＝σhf+σhj(4)

σhf表示沿程水頭損失之和，σhj表示局部水頭損失之和。

其中，沿程水頭損失σhf為：

其中，λ1、λ2…λn為各段沿程阻力系數(shù)，l1、l2…ln為各段管長(zhǎng)，d1、d2…dn為各段管徑。

局部水頭損失為流體流經(jīng)各個(gè)流體元件時(shí)造成的損失，主要包括壓力主管12的進(jìn)口、三通閥3的進(jìn)口、節(jié)流閥4、彎管5、整流束6、渦街流量計(jì)8、溢流窗9這幾個(gè)主要阻力元件，因此：

式中，q為旁通管流量；d出表示出口斷面直徑；λi為各段管路的沿程阻力系數(shù)，是各管段內(nèi)部液體流動(dòng)的雷諾數(shù)re和管壁粗糙度的函數(shù)，ζj為各部件的局部阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)和流動(dòng)幾何邊界尺寸有關(guān)。

考慮到阻力損失包括壓力主管12與旁通管兩部分，則令壓力主管12：

旁通管：

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式

其中，v為管道中的流速，d為管道直徑，υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

以常溫水為例，其密度ρ＝1000kg/m³，運(yùn)動(dòng)粘度υ＝1.05×10^-6m²/s，速度v＝3m/s，旁通管的直徑取0.065m，代入計(jì)算得re＝1.85×10⁵，當(dāng)雷諾數(shù)re≥1.3×10⁵～2×10⁵時(shí)，所有的局部阻力系數(shù)都與re無關(guān)，也就是上述的σhf恒為常數(shù)。考慮到壓力主管12的管徑遠(yuǎn)大于旁通管，雷諾數(shù)也在re≥10⁵范圍，故k1和k2為常數(shù)，在re≥1.3×10⁵的情況下只和管道的形狀、尺寸、粗糙度等有關(guān)系。也就是

δh＝k1q²+k2q²(10)

公式(10)即為壓力主管12的流量q與旁通管流量之間的關(guān)系。在水電站正常運(yùn)行的情況下，液面高差波動(dòng)不大，那么可以得到兩者之間的關(guān)系在管道的形狀、流體元件確定的情況下，不隨著流體的流態(tài)發(fā)生變化，系數(shù)k1和k2始終保持不變。

通過cfd數(shù)值模擬，前池11與溢流池10的液面高差應(yīng)滿足δh≤10m的條件，避免旁路通管內(nèi)流速過大后出現(xiàn)空化現(xiàn)象導(dǎo)致旁通管內(nèi)發(fā)生水力振動(dòng)，從而保證測(cè)量精度。

流量關(guān)系解讀如下：

在測(cè)量裝置確定以后，壓力主管12的流量與旁通管的流量的關(guān)系也就確定，大致如圖3?？梢钥闯?，旁通管的流量q隨著壓力主管流量的降低而增加，主要是壓力主管12流量的變化是通過調(diào)節(jié)下游水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度實(shí)現(xiàn)的，壓力主管12的流量變小，則壓力主管12內(nèi)流體的速度下降，壓力主管12各處的壓力增加，旁通管進(jìn)口處的壓力也隨之增加，進(jìn)而使得旁通管的流量增大。相反，當(dāng)下游水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度調(diào)大，壓力主管12的流量增加，流速變大，使得旁通管進(jìn)口壓力變小，從而導(dǎo)致旁通管的流量減小。

旁通管管徑的確定如下：

考慮到當(dāng)旁通管中流體流動(dòng)的雷諾數(shù)大于1.3×10⁵時(shí)，局部阻力系數(shù)才與流動(dòng)無關(guān)，所以設(shè)計(jì)旁通管的直徑滿足如下公式：

又

則可以得到

通過查閱阻力手冊(cè)可以計(jì)算得到k1的值；考慮到節(jié)流閥4、整流束6、渦街流量計(jì)8、溢流窗9為非標(biāo)準(zhǔn)件，需通過水力試驗(yàn)或cfd數(shù)值模擬得到其局部阻力系數(shù)，進(jìn)行k2的計(jì)算，然后結(jié)合液位高差△h，即可繪制出壓力主管12的流量q與旁通管流量q的關(guān)系圖，如圖3所示，由圖可知，壓力主管12的流量q與旁通管流量q之間呈反比關(guān)系。在實(shí)際使用時(shí)，通過測(cè)量獲取旁通管流量q，然后直接查閱圖表即可獲得壓力主管12的流量q。

上述實(shí)施例只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。