CN106918369A - 一种用于水电站压力主管流量测量的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水电站压力主管流量测量的装置及测量方法，其中，压力主管与前池相通，旁通管包括相互相通连接的弯管和直管，弯管通过三通管与压力主管相通连接，节流阀安装于三通管与弯管之间，用于测量直管内水流量的流量计安装于直管上，直管的出水口与溢流池相通连接。本发明公开了一种上述装置采用的测量方法，在所述旁通管内部液体流动的雷诺数Re≥1.3×10⁵的前提下，通过以下公式计算压力主管流量：ΔH＝K₁Q²+K₂q²。本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置可以通过调节节流阀，使得旁通管的雷诺数可以达到一定条件，以使压力主管与旁通管内水的流量之间不随流态变化，从而可以通过测量旁通管内水的流量计算得到压力主管内水的流量。

Description

一种用于水电站压力主管流量测量的装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种水电站压力主管流量测量设备，尤其涉及一种用于水电站压力主管流量测量的装置及测量方法。

背景技术

水电站的水轮机效率和状态在线监测是实现电站技术指标考核、实现经济运行和节能降耗的手段，将逐渐体现其实用性和对电站的重要意义，而流量是效率测量中的主要参数，但流量测量已经成为该工作陷入困境的主要原因和瓶颈问题，制约了水轮机效率测量工作的开展。

然而，为了能够对液体进行准确的测量，在测量装置的前后，必须敷设规定的直管段，在不满足此条件时，就会产生明显的误差。直管段的长度决定于管道的直径，且为直径的10～60倍。考虑到水电站压力主管的管径比较大，流量计安装位置前后需的直管段长度很难满足要求，因此，即使采用超声波流量计进行测量，测量结果的准确度也很低，从而给水电站机组优化运行带来困难。

专利申请号为“201210140121.7”的发明专利申请公开了一种大管径低压头水流量测量装置及方法，其测量装置包括水塔、循环水流量管道及凝汽器，在流量装置内的循环水流量的管道上设有旁通管道，在旁通管道前的主管道上设有取压孔；在旁路区间内的主管道上设有取压孔。该发明申请对现有流量测量装置进行了改造，并结合测量方法进行理论推导，目的在于解决管径大、压头低等现场循环水流量无法进行在线测量的问题。

但是，上述发明申请没有给出旁通管管径的确定方法，不能够进行作为产品规格化生产，缺少实用性；另外，该发明申请的测量方法中k值并未说明是常数，也没有说明是常数的条件，随着压差的不同会发生变化，每次使用时都需要测定，且过程较为复杂，导致整个方法的可实施性较差。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构确定且便于实施的用于水电站压力主管流量测量的装置及测量方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于水电站压力主管流量测量的装置，包括前池、压力主管、三通管和旁通管，所述压力主管是管径在1m以上的引水压力管道，所述压力主管与所述前池相通，所述旁通管包括相互相通连接的弯管和直管，所述弯管通过所述三通管与所述压力主管相通连接，所述用于水电站压力主管流量测量的装置还包括节流阀、流量计和溢流池，所述节流阀安装于所述三通管与所述弯管之间，用于测量所述直管内水流量的所述流量计安装于所述直管上，所述直管的出水口与所述溢流池相通连接。

优选地，所述旁通管的内径满足以下条件：

其中，q表示旁通管内的设计流量，单位是kg/s，ν表示旁通管内水的流速，单位是m/s，d表示旁通管的内径，单位是m，υ表示流体运动粘度，单位是m²/s，ρ表示水的密度，单位是kg/m³。只有满足该公式的旁通管，其流阻系数才和流速无关。

优选地，所述流量计为涡街流量计。

优选地，所述用于水电站压力主管流量测量的装置还包括用于将水流进行平稳处理的整流束和溢流窗，所述整流束安装于所述直管内且位于所述流量计与所述弯管之间，所述溢流窗设于所述直管的出水口并置于所述溢流池内。

所述用于水电站压力主管流量测量的装置还包括安装于所述旁通管上的阀门。根据应用需要，阀门可以为手动阀门或电磁阀门，一般安装在溢流窗与流量计之间，不测量时阀门常关，仅在测量时将其打开，避免浪费水资源，充分利用流体能量。

一种用于水电站压力主管流量测量的装置采用的测量方法，在所述旁通管内部液体流动的雷诺数Re≥1.3×10⁵的前提下，通过以下公式计算压力主管流量：

ΔH＝K₁Q²+K₂q²

其中，K₁和K₂为常数，ΔH为前池与溢流池液面的高差，其值不大于10米，避免旁通管内发生水力振动，保证测量精度，Q为压力主管流量，q为旁通管流量。

本发明的有益效果在于：

本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置通过设置从压力主管中取出部分水的旁通管并增加节流阀，可以通过调节该节流阀，使得旁通管的雷诺数可以达到一定条件，以使压力主管与旁通管内水的流量之间不随流态变化，从而可以通过测量旁通管内水的流量计算得到压力主管内水的流量，小管径的旁通管易于生产、成本低，且流量测量所需的直管长度也相应减小，其市场应用前景和社会效益可观；通过本发明所述测量方法，能够只需通过前池与溢流池液面的高差的测量即可实现根据测量旁通管内水的流量计算压力主管内水的流量的目的，而且测量精度高，解决了目前水电站压力主管流量测量准确度较低的问题，为水电站机组的经济稳定运行提供了必要的运行参数，对节能减排的大目标具有一定的实际意义。

附图说明

图1是本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置的结构示意图；

图2是本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置采用的测量方法的理论推导示意图；

图3是本发明所述压力主管与旁通管的流量关系曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置包括前池11、压力主管12、三通管3、旁通管、节流阀4、整流束6、涡街流量计8、阀门13、溢流窗9和溢流池10，压力主管12与前池11相通，所述旁通管包括相互相通连接的弯管5和直管7，弯管5通过三通管3与压力主管12相通连接，节流阀4的一端与压力主管12连接，节流阀4的另一端与弯管5的一端连接，用于测量直管7内水流量的涡街流量计8安装于直管7上，用于将水流进行平稳处理的整流束6安装于直管7内且位于涡街流量计8与弯管5之间，用于将水流进行平稳处理的溢流窗9设于直管7的出水口并置于溢流池10内，阀门13安装在涡街流量计8与溢流窗9之间的直管7上；包括弯管5和直管7的所述旁通管的内径满足以下条件：

其中，q表示旁通管内的设计流量，单位是kg/s，ν表示旁通管内水的流速，单位是m/s，d表示旁通管的内径，单位是m，υ表示流体运动粘度，单位是m²/s，ρ表示水的密度，单位是kg/m³，一般取为1000。

如图1所示，运行时，开启阀门13，流体(水电站的水)从前池11进入压力主管12，部分流体通过三通管3和节流阀4流入旁通管。节流阀4是整个装置内流动阻力最大的元件，它决定着旁通管内的流量q的大小，因此它也是决定旁通管内的流量q和压力主管12内的流量Q的比例关系，也即是旁路系数的大小的关键部件。流体接着流过弯管5，使流体的流动方向发生了90度的转变，然后进入直管7内。为了提高流体经过弯管5后的稳定性，便于更准确地测量流量q，在涡街流量计8前安装有整流束6。流体流过整流束6后到达涡街流量计8所在位置，流体在涡街流量计8处产生一系列的涡漩，涡街流量计8借此测量出旁通管内的流量q(旁通管内的流量q与直管7和弯管5内的流量相同)。流体最后经过溢流窗9后比较平稳的进入到溢流池10内。测量结束后，关闭阀门13，节约水资源。

如图1和图2所示，本发明所述用于水电站压力主管流量测量的装置采用的测量方法，在所述旁通管内部液体流动的雷诺数Re≥1.3×10⁵的前提下，通过以下公式计算压力主管流量：

ΔH＝K₁Q²+K₂q²

其中，K₁和K₂为常数，ΔH为前池与溢流池液面的高差，其值不大于10米，Q为压力主管流量，q为旁通管流量。

为了对本发明的可实施性和创造性进行说明，下面将本发明所述测量方法的具体推导过程详细描述如下：

如图1和图2所示，以0—0断面为基准面建立1—1断面到2—2断面之间的能量方程：

其中，Z表示流体所具有的位置能头，表示流体所具有的测压管能头，ρ表示流体的密度，单位是kg/m³，一般取为1000，表示流体所具有的速度能头，h_w表示流体的能量损失，α表示相应断面的动能修正系数，流速均匀分布，则α＝1，流速分布愈不均匀，则α值越大，在管流的紊流流动中，α＝1.05～1.1，在实际工程计算中，常取α＝1。上述流体即水电站中的水，下文亦同。

式(1)是1-1断面到2-2断面之间单位能量的关系，与流体流量总量分配无关。

因1-1断面为自由液面，则

则式(1)可以简化为：

又因为溢流窗9的出口压力为深度h(即溢流池10的液面与溢流窗9之间的高度)产生的静水压力，因此：

则

图2中的高度关系有所以

式中，ΔH为前池与溢流池液面的高差，h_w为流体流动过程中总的水头损失。

流体在流动过程中，水头损失包括沿程水头损失和局部损失两部分：

h_w＝Σh_f+Σh_j (4)

Σh_f表示沿程水头损失之和，Σh_j表示局部水头损失之和。

其中，沿程水头损失Σh_f为：

其中，λ₁、λ₂…λ_n为各段沿程阻力系数，l₁、l₂…l_n为各段管长，d₁、d₂…d_n为各段管径。

局部水头损失为流体流经各个流体元件时造成的损失，主要包括压力主管12的进口、三通阀3的进口、节流阀4、弯管5、整流束6、涡街流量计8、溢流窗9这几个主要阻力元件，因此：

式中，q为旁通管流量；d_出表示出口断面直径；λ_i为各段管路的沿程阻力系数，是各管段内部液体流动的雷诺数Re和管壁粗糙度的函数，ζ_j为各部件的局部阻力系数，与雷诺数和流动几何边界尺寸有关。

考虑到阻力损失包括压力主管12与旁通管两部分，则令压力主管12：

旁通管：

根据雷诺数计算公式

其中，v为管道中的流速，D为管道直径，υ为流体的运动粘性系数。

以常温水为例，其密度ρ＝1000kg/m³，运动粘度υ＝1.05×10^-6m²/s，速度v＝3m/s，旁通管的直径取0.065m，代入计算得Re＝1.85×10⁵，当雷诺数Re≥1.3×10⁵～2×10⁵时，所有的局部阻力系数都与Re无关，也就是上述的Σh_f恒为常数。考虑到压力主管12的管径远大于旁通管，雷诺数也在Re≥10⁵范围，故K₁和K₂为常数，在Re≥1.3×10⁵的情况下只和管道的形状、尺寸、粗糙度等有关系。也就是

ΔH＝K₁Q²+K₂q² (10)

公式(10)即为压力主管12的流量Q与旁通管流量之间的关系。在水电站正常运行的情况下，液面高差波动不大，那么可以得到两者之间的关系在管道的形状、流体元件确定的情况下，不随着流体的流态发生变化，系数K₁和K₂始终保持不变。

通过CFD数值模拟，前池11与溢流池10的液面高差应满足ΔH≤10m的条件，避免旁路通管内流速过大后出现空化现象导致旁通管内发生水力振动，从而保证测量精度。

流量关系解读如下：

在测量装置确定以后，压力主管12的流量与旁通管的流量的关系也就确定，大致如图3。可以看出，旁通管的流量q随着压力主管流量的降低而增加，主要是压力主管12流量的变化是通过调节下游水轮机的导叶开度实现的，压力主管12的流量变小，则压力主管12内流体的速度下降，压力主管12各处的压力增加，旁通管进口处的压力也随之增加，进而使得旁通管的流量增大。相反，当下游水轮机的导叶开度调大，压力主管12的流量增加，流速变大，使得旁通管进口压力变小，从而导致旁通管的流量减小。

旁通管管径的确定如下：

考虑到当旁通管中流体流动的雷诺数大于1.3×10⁵时，局部阻力系数才与流动无关，所以设计旁通管的直径满足如下公式：

又

则可以得到

通过查阅阻力手册可以计算得到K₁的值；考虑到节流阀4、整流束6、涡街流量计8、溢流窗9为非标准件，需通过水力试验或CFD数值模拟得到其局部阻力系数，进行K₂的计算，然后结合液位高差△H，即可绘制出压力主管12的流量Q与旁通管流量q的关系图，如图3所示，由图可知，压力主管12的流量Q与旁通管流量q之间呈反比关系。在实际使用时，通过测量获取旁通管流量q，然后直接查阅图表即可获得压力主管12的流量Q。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于水电站压力主管流量测量的装置，包括前池、压力主管、三通管和旁通管，所述压力主管是管径在1m以上的引水压力管道，所述压力主管与所述前池相通，所述旁通管包括相互相通连接的弯管和直管，所述弯管通过所述三通管与所述压力主管相通连接，其特征在于：还包括节流阀、流量计和溢流池，所述节流阀安装于所述三通管与所述弯管之间，用于测量所述直管内水流量的所述流量计安装于所述直管上，所述直管的出水口与所述溢流池相通连接。

2.根据权利要求1所述的用于水电站压力主管流量测量的装置，其特征在于：所述旁通管的内径满足以下条件：

$d<\frac{3.08\&times;q}{\mathrm{\&rho;}\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&upsi;}}\&times;{10}^{-5}$

其中，q表示旁通管内的设计流量，单位是kg/s，ν表示旁通管内水的流速，单位是m/s，d表示旁通管的内径，单位是m，υ表示流体运动粘度，单位是m²/s，ρ表示水的密度，单位是kg/m³。

3.根据权利要求1所述的用于水电站压力主管流量测量的装置，其特征在于：所述流量计为涡街流量计。

4.根据权利要求1所述的用于水电站压力主管流量测量的装置，其特征在于：所述用于水电站压力主管流量测量的装置还包括用于将水流进行平稳处理的整流束和溢流窗，所述整流束安装于所述直管内且位于所述流量计与所述弯管之间，所述溢流窗设于所述直管的出水口并置于所述溢流池内。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述所述的用于水电站压力主管流量测量的装置，其特征在于：所述用于水电站压力主管流量测量的装置还包括安装于所述旁通管上的阀门。

6.一种如权利要求1-4中任何一项所述的用于水电站压力主管流量测量的装置采用的测量方法，其特征在于：在所述旁通管内部液体流动的雷诺数为Re≥1.3×10⁵的前提下，通过以下公式计算压力主管流量：

ΔH＝K₁Q²+K₂q²

其中，K₁和K₂为常数，ΔH为前池与溢流池液面的高差，其值不大于10米，Q为压力主管流量，q为旁通管流量。