CN206369937U - 基于嵌入式arm平台的水轮发电机组效率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，包括：差压测量装置，其设置在水轮发电机组的蜗壳进口水平段；钢管压力传感器，其设置在水轮发电机组机组前主伐前端的压力管道处；蜗壳进口压力传感器，其设置在水轮发电机组的蜗壳进口管道处；尾水管出口压力传感器，其设置在水轮发电机组的尾水管出口管道处；功率变送器，其设置在电厂的测量盘或监测盘柜中；嵌入式ARM平台，其通过内部总线与差压测量装置、压力传感器和功率变送器连接；存储模块；通讯传输模块；显示模块。本实用新型实现了系统的集成化、小型化、低功耗化，同时其高速率、高精度的数据采集及信号处理为水轮发电机组效率测量提供了更先进的技术理念和实现方法。
Description
技术领域
本实用新型涉及效率测量装置，特别是一种基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置。
背景技术
近年来，在国家注重清洁能源和可再生能源的背景下，国内的水力发电蓬勃发展，水力发电技术也突飞猛进，从目前的趋势看，水轮发电机组和抽水蓄能机组的设计，越来越向高水头，高转速，高效率，大容量方向发展。水轮机作为一种动力设备的原动机，它的任务是把水流中的流量转化为机械能以便使水轮发电机将这机械能转化成电能。因此水轮机作为一种能量转换器，它的转换效率是最重要的指标，是评价能量转换装置优劣的最重要指标,水轮机效率越高,从水能转换为电能的效率也越高,水力能量损失越小。因而如何准确、快速、便捷地测量出机组效率指标是评价机组能量利用效果的重要方面。另外，在机组正常运行过程中，由于水轮发电机组由于空化引起机组转轮空蚀会导致转轮能量损失加大，机组效率和出力大幅下降。因此从机组健康安全运行的角度而言，实现机组效率的准确和快速测量，监测机组效率的变化发展趋势，也是间接监测水轮发电机组空化空蚀水平的重要手段。
在传统的水轮发电机组测量系统中，效率测量功能一般都是一个在线测量系统或者综合测试系统的一个子系统，一般不单独设计独立的效率测量装置。上述综合系统一般采用大型化的采集装置+信号处理装置的模式，主要特点为采集通道多、信号处理能力强，但而效率测量模块仅仅是上述系统中的一项子系统。但如果需要进行效率测量，就需要安置上述全部装置。因此也存在系统复杂、体积大的问题、携带、安装不方便的问题，另外抗震、防尘等效果也不好，对环境要求比较高。另外传统的综合测量系统大多采用基于X86架构的采集处理装置，此装置在处理能力强大的同时，也带来的功耗巨大和无法小型化的缺陷。
实用新型内容
针对所提到的问题，本实用新型提供了一种基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，包括：
差压测量装置，其设置在水轮发电机组的蜗壳进口水平段，用于感测设置在所述蜗壳进口水平段的两个出水口之间的压差值；
压力传感器，其包括钢管压力传感器、蜗壳进口压力传感器和尾水管出口压力传感器，
所述钢管压力传感器，其设置在水轮发电机组机组前主伐前端的压力管道处，用于感测所述压力管道的水流压力值；
所述蜗壳进口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的蜗壳进口管道处，用于感测所述水轮发电机组的蜗壳进口管道的水流压力值；
所述尾水管出口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的尾水管出口管道处，用于感测所述水轮发电机组的尾水管出口管道的水流压力值；
功率变送器，其设置在电厂的测量盘或监测盘柜中，用于将二次测量的参数变为4-20mA电流信号；
嵌入式ARM平台，其通过内部总线与所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器连接，所述嵌入式ARM根据接收的感测数据和内置的效率测量方法，实时计算水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率；
存储模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于存储所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据；
通讯传输模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于向外部设备或外部系统传送所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据；
显示模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于显示所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据。
优选方案是：所述通讯传输模块接口提供RS-232/485和RJ45形式。
优选方案是：所述显示模块的显示设备为触摸式液晶屏，屏幕尺寸为6英寸，分辨率为800X600。
优选方案是：所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器利用FGPA技术实现模数(A/D)转换和数据采集。
优选方案是：所述差压测量装置为超声流量传感器或差压传感器。
优选方案是：所述内置的效率测量方法包括超声波测流法、蜗壳差压法或水锤法。
本实用新型基于嵌入式ARM平台的水电机组效率测量装置主要完成以下功能：对效率测量相关的压力、差压、流量及机组有功功率等参数的进行同步实时采集、并能实时计算和显示、存储、传输机组的效率、耗水率等关键效能指标，以便于用户随时掌握机组当前的效能信息，为现场工作人员从优化调度和安全运行提供相关依据。本实用新型提出的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置系统通过结构上的改进和专用化的设计，用先进的FPGA+嵌入式ARM芯片代替传统基于X86体系综合测量系统，实现了系统的集成化、小型化、低功耗化，使该测量装置在恶劣环境的工业现场运行稳定性及安全性得到显著的提高，同时其高速率、高精度的数据采集及信号处理为水轮发电机组效率测量提供了更先进的技术理念和实现方法。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实用新型提供了一种基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，包括：差压测量装置，其设置在水轮发电机组的蜗壳进口水平段，用于感测设置在所述蜗壳进口水平段的两个出水口之间的压差值，，所述差压测量装置为超声流量传感器或差压传感器；压力传感器，其包括钢管压力传感器、蜗壳进口压力传感器和尾水管出口压力传感器，所述钢管压力传感器，其设置在水轮发电机组机组前主伐前端的压力管道处，用于感测所述压力管道的水流压力值；所述蜗壳进口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的蜗壳进口管道处，用于感测所述水轮发电机组的蜗壳进口管道的水流压力值；所述尾水管出口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的尾水管出口管道处，用于感测所述水轮发电机组的尾水管出口管道的水流压力值；功率变送器，其设置在电厂的测量盘或监测盘柜中，用于将二次测量的参数变为4-20mA电流信号；嵌入式ARM平台，其通过内部总线与所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器连接，所述嵌入式ARM根据接收的感测数据和内置的效率测量方法，实时计算水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率，所述内置的效率测量方法包括超声波测流法、蜗壳差压法或水锤法；存储模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于存储所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据；通讯传输模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于向外部设备或外部系统传送所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据，所述通讯传输模块接口提供RS-232/485和RJ45形式；显示模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于显示所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据，所述显示模块的显示设备为触摸式液晶屏，屏幕尺寸为6英寸，分辨率为800X600；所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器利用FGPA技术实现模数(A/D)转换和数据采集。
水轮发电机组效率测量原理
水轮机作为一种动力设备的原动机，它的任务是把水流中的流量转化为机械能以便使水轮发电机将这机械能转化成电能。因此水轮机作为一种能量转换器，它的转换效率是最重要的指标，是评价能量转换装置优劣的最重要指标。按照物理学概念，一个机械设备的效率是有功(功率)与总功(总功率)之比。或者描述为输出功率与输入功率的比值。对于水轮机组而言，即为水轮机轴功率与水流功率的比值。由于要测准水轮机轴功率难度太大，因此在原型试验中一般采用测取水力机组效率的方法。适用于现场效率测试的方法有流速仪测流法、热力学法、超声波测流法、蜗壳差压法、示踪法、水锤法及相对法等。现场实际主要采用超声波测流法、蜗壳差压法、水锤法完成机组效率的采集、计算。
超声波测流法、蜗壳差压法测量水轮机效率的基本原理
不论超声波测流法、蜗壳差压法都是在蜗壳进口处和尾水管出口处加装测压传感器获得蜗壳进口处和尾水管出口处的压力数据，再通过超声波测流法或蜗壳差压法获得机组流量，进而计算获得水轮机效率。
其中：ηt为水轮机效率，Ng为发电机功率，ηg为发电机效率，Q为机组流量，H为工作水头，g为当地重力加速度。其中Ng可以通过功率变送器直接采集获得，或者通过通讯采集获得。Q和H需要通过采集系统采集或者认为输入获得。
而Q则可以通过超声流量法直接测量获得或者采用通过量蜗壳差压计算获得。采用蜗壳差压法计算机组流量公式如下：
Q＝kΔHn
其中q为测量获得的蜗壳差压，k为该计算的蜗壳流量系统，n在大多数机组上为也就是说，对大多数机组而言，
而工作水头的计算方法如下：
其中A1为蜗壳进口压力传感器安装高程(m)，A2为尾水管出口压力传感器安装高程，P1为蜗壳进口压力传感器读数(kPa),P2为尾水管出口压力传感器读数(kPa),D为当地水密度，S1为蜗壳进口断面面积，S2为尾水管出口断面面积，a1为蜗壳进口断面处流速不均匀系数，通常取1，a2为尾水管出口断面处流速不均匀系数，通常取1。机组耗水率计算方法如下：
其中q为机组耗水率，Nt为水轮机出力。
水锤法测量效率的基本原理
水锤法，又称压差-时间法，由美国人N.R.吉普逊于1923年提出，故又称吉普逊法。当机组突然甩掉负荷、水轮机导叶迅速关闭时，压力钢管中水流速度很快减小到零，水流的动量转变成冲量，从而引起钢管内水压的升高，这种现象称水锤。水压力的升高与水流速度变化快慢有关，即与导叶关闭时间长短有关。导叶关闭时间越短，水流速度变化越快，因而水压力升高也越大。如能测出压力钢管中水压力变化的数值与过程，就可算出水流速度，从而可求出导叶关闭前通过水轮机的流量。水锤法最基本的原理是牛顿第二运动定律。其原理如下：
在理想流体中，假设有一定常流动管道横截面为A，上游横断面(下标为u)和下游横断面(下标为d)之间的有效长度为L，流体质量为ρLA，阀门关闭后，流速的变化为dv/dt，由此产生上下侧压差为ΔP＝Pd-Pu的关系为
如果t为流速变化时间，ξ为两断面之间的摩擦引起的压力损失，则有：
阀门关闭前的流量
其中Av1为阀门关闭后的泄漏流量。
在获得流量后，根据效率计算公式可以直接计算出机组效率。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，包括：
差压测量装置，其设置在水轮发电机组的蜗壳进口水平段，用于感测设置在所述蜗壳进口水平段的两个出水口之间的压差值；
压力传感器，其包括钢管压力传感器、蜗壳进口压力传感器和尾水管出口压力传感器，
所述钢管压力传感器，其设置在水轮发电机组机组前主伐前端的压力管道处，用于感测所述压力管道的水流压力值；
所述蜗壳进口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的蜗壳进口管道处，用于感测所述水轮发电机组的蜗壳进口管道的水流压力值；
所述尾水管出口压力传感器，其设置在所述水轮发电机组的尾水管出口管道处，用于感测所述水轮发电机组的尾水管出口管道的水流压力值；
功率变送器，其设置在电厂的测量盘或监测盘柜中，用于将二次测量的参数变为4-20mA电流信号；
嵌入式ARM平台，其通过内部总线与所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器连接，所述嵌入式ARM根据接收的感测数据和内置的效率测量方法，实时计算水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率；
存储模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于存储所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据；
通讯传输模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于向外部设备或外部系统传送所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据；
显示模块，其与所述嵌入式ARM平台连接，用于显示所述嵌入式ARM平台接收到的所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器感测的数据和实时计算出的水轮发电机组流量、机组效率和机组耗水率数据。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，所述通讯传输模块接口提供RS-232/485和RJ45形式。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，所述显示模块的显示设备为触摸式液晶屏，屏幕尺寸为6英寸，分辨率为800X600。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，所述差压测量装置、压力传感器和功率变送器利用FGPA技术实现模数(A/D)转换和数据采集。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，所述差压测量装置为超声流量传感器或差压传感器。
6.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的水轮发电机组效率测量装置，其特征在于，所述内置的效率测量方法包括超声波测流法、蜗壳差压法或水锤法。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111238582A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-06-05 | 国家电网有限公司 | 抽水蓄能机组尾水管流量测量方法 |
| CN112834926A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-05-25 | 安徽天道动力设备有限公司 | 一种发电机组电力输出稳定性检测系统 |
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