差压测流

水轮发电机组效率测量装置

汤宁平　陈明凯

摘　要　介绍了采用蜗壳差压法测量水轮发电机组效率的原理和用MCS51单片微机及新型接口芯片实现的测量装置的硬件和软件的设计方案以及装置的主要功能特点。
智慧社区管理系统关键词　水轮发电机　效率　单片微机

1　概述

水轮发电机组效率特性是机组的基本动力特性，是评价机组优劣的主要指标之一。水电站厂内经济运行的实施就是建立在机组的效率特性之上的。因此应对水轮发电机组的效率及水流量进行在线监测，以此来指导水电站厂的经济运行。本装置就是根据这一需要开发研制的。装置由功率变送器、差压变送器、压力变送器等传感器和微机数据采集与处理系统组成，可对水轮机水流量，发电机输出及水轮机工作水头等主要参数进行实时在线监测，从而求出水轮机组的机组效率、日累积发电量、日累积用水量、发电耗水率、开机耗水量等各个经济运行参数，并自动显示记录和打印输出。测量参数可远程传输到上位计算机，实现集中监控。

2　基本测量原理

根据水力学原理，水轮发电机组的总效率为

(1)

式中　NG——发电机输出的有功功率，kW
　Q——水轮机引用流量，m3/s
　H——水轮机工作水头，m
由式(1)可知，欲获得机组在任何工况下的效率，必须同时测得机组的三个运行参量：水轮机工作水头H，水轮机引用流量Q和发电机输出的有功功率NG。

2.1　水轮机工作水头测量

水轮机的工作水头即真正作用于水轮机工作轮使其作功的全部水头，其数值等于水轮机进出口水流的总能量之差。不同形式的水轮机其工作水头的具体表示方法不同，反击式水轮机工作水头的表达式［1］为

(2)

式中　Z2——进口断面压力变送器安装高程，m
　P2——进口断面压力变送器读数，mH2O
　V2——水轮机进口断面平均流速，m/s
　Z3——尾水出口断面压力变送器安装高程，m
　P3——尾水出口断面压力变送器读数，mH2O
　V3——尾水出口断面平均流速
耐热粘合剂上式表明水轮机的工作水头由位置水头、压力水头和速度水头三部分组成。

2.2　水轮机流量测量

水电站经常性的测流方法，在具有蜗壳的条件下，可采用蜗壳差压测流法。对于水头大于10 m以上的水轮机，其流量Q与压差h之间的关系为

(3)

式中　K——蜗壳流量系数，可通过水轮发电机组原型效率试验测定得到
从式(3)可看出，根据已经测定的水轮机蜗壳流量系数K，测得水轮机蜗壳上两固定测压孔的压力差，就可计算得水轮机的流量。

2.3　发电机输出电功率测量

发电机输出电功率，采用三相功率变送器自动测量，其表示的有功功率为

NG=KiKvCnNw (4)

式中　Cn——有功功率变送器常数
　Nw——有功功率变送器读数值
Ki，Kv——电流互感器和电压互感器的变比果树防虫网

3　测量装置的设计

根据上述测量原理，设计测量装置应完成以下检测和计算。

3.1　蜗壳差压测量与水轮机流　量的计算

蜗壳差压测量采用1151DP型差压变送器，将蜗壳上两个固定的测压孔通过引压管接入差压变送器，差压经差压变送器后转换为4～20mA的电流信号，送入微机信号采样处理系统。微机按式(3)可计算出水轮机流量。

3.2　压力测量与水轮机工作水头计算

水轮机进口断面压力与尾水出口断面压力的测量，采用二台1151GP型压力变送器。将两处的测压管直接接入压力变送器。水压经过压力变送器后转换为4～20mA电流信号送入信号采样与处理系统。测量的压力为

P=CpNp

式中　Cp——压力变送器单位读数系数
　Np——压力变送器读数
按式(2)可计算出水轮机工作水头，式中Z2、Z3在压力变送器安装后可得到。水流速度可按V=Q/S式计算。其中Q为水轮机的水流量，已在前面得到，则有V2=Q/S2，V3=Q/S3。其中，S2和S3分别为蜗壳进口断面面积和尾水管出口断面面积。

3.3　电功率测量与计算

发电机输出有功功率采用功率变送器测量，转换为4～20mA电流信号送入信号采样与处理系统按式(4)计算出NG。

3.4　其他运行参数的计算

微机系统通过上述四个采样通道实时监测到蜗壳进口压力P2，尾水管出口压力P3，水流量Q和发电机出力等四个运行参数。利用这些参数，还可计算出水轮发电机组的其他经济技术指标：
效率　

日累积发电量=∑NGΔt(kW．h)
日累积用水量=∑QΔt(m3)

式中　Δt－－采样周期

4　测量装置的硬件设计

测量装置硬件的设计采用MCS－51单片机系统［2］及相应的接口电路，包括巡回检测电路、时钟和显示驱动电路、打印机接口电路、与上位机串行通信电路等。图1为装置的硬件电路原理框图。

图1更衣凳　测量装置电路原理框图

4.1　巡回检测电路

如图2所示，装置测量参量经取样、滤波电路，利用一片CD4051多路开关进行巡回切换取样，然后经放大器放大后送到ICL7135A/D转换器。在7135与单片机的连接上，本设计仅利用了7135的BUSY引脚的信号。根据7135的工作原理［3］，BUSY信号波形如图3所示，其脉冲宽度等于转换器对输入电压积分的INT相与对基准电压反积分的DE相之和。由于INT相的宽度是固定不变的，等于10000Tclk，因此BUSY信号的脉冲宽度与INT相宽度之差，与输入的模拟电压信号大小成正比。这样，将BUSY信号连到8032的INT1引脚，并设置单片机外部中断1有效，定时／计数器T1工作在定时器状态，且IT1=1。当BUSY信号的下降沿时，INT1产生中断，在其中断程序中读入T1的计数值。该值减去7135的INT相时间，即得到A/D转换的数值。用上述方法实现的A/D转换分辨率决定于定时器时钟频率，因此比7135通用方法的分辨率高。例如，当7135的工作时钟频率fclk=250kHz，T1的时钟频率为500kHz(即单片机的振荡频率为6MHz)时，转换数字总读数可达±40000。另外此法单片机与7135的连线只有一根，因此接线简单，单片机采样操作方便。

图2　巡回取样及A/D转换电路

图3　ICL7135A BUSY信号波形

4.2　时钟和显示驱动电路

由于装置测量的参数多，要求同时显示多个参数，因此，装置在显示电路的设计上采用了三片8位数字显示驱动芯片ICM7218B，可同时显示累积量(用水量、用电量)、水流量、电功率、机组效率等。通过按键切换，还可显示其他机组运行参数。本装置需要定时记录水轮发电机组各运行时刻的各种运行参数，因此对时钟电路要求高。设计采用了DALLAS公司的DS12887芯片。该芯片有秒、分、时、日、月、年的计时功能，断电情况下运行10年以上不丢失数据，仍走时，保证准确定时记录各运行参数，且免除停电后要重新进行时间较准的烦事。

5　软件设计

智能化控制系统软件包括一个主程序，一个INT1中断子程序和串行通信中断子程序。

5.1　INT1中断子程序

该子程序完成以下操作：读入TL1、TH1数值，巡回开关切换，采样数据的排序存放。采样数据采用N=8的滑动平均数字滤波，四个采样通道的数据分别存放在8032的内部RAM液态硅胶模具中，每个通道的数据分别占据16个字节，可存放8次采样数据。

5.2　主程序

主程序采用模块化设计，其流程图如图4。工作过程如下：首先进行系统初始化，然后调用键扫描子程序。若有键按下，进行相应的按键命令操作。接下来对蜗壳差压、蜗壳进口压力、尾水压力和电功率四个采样数据进行数字滤波，并计算出对应的参数。在此基础上求得工作水头、水流量和机组效率，并每隔ΔT时间，进行用水量和用电量的累积计算，且求出发电耗水率等。每隔2min记录保存机组效率，并在每日的零点记录保存上日的全日用水量、发电量。主程序最后调用显示子程序，刷新显示各运行参数。

图4　主程序流程图

5.3　串行通信子程序

该子程序根据上位机发出的传送指令，将各运行参数上行传送到上位机，供整个电站的计算机管理系统使用。

作者单位：福州大学　350002

　1998－09－29收到稿件。

本文发布于:2024-09-21 19:46:58，感谢您对本站的认可！

本文链接：https://www.17tex.com/tex/2/270966.html

上一篇：多点矩阵测量在环保设施中应用研究

下一篇：承德海富盛密封水流量控制开关HFO系列说明书