水力机组参数测量课件

6 水力机组参数监测水力机组参数监测16 水力机组参数监测水力机组参数监测3 1概述2机组水力参数的测量3 3水力机组非电量状态参数的监测4水力机组监测系统26.1 概述概述6.1.1水力机水力机组参数参数监测的目的和内容的目的和内容6.1.2机机组参数的参数的测量方法量方法6.1.3机机组参数的参数的测量工具量工具36.1.水力机水力机组参数参数测量的目的和内容量的目的和内容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。46.1.2非非电量量电测法法1、概念 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、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。53、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。66.1.3传感器感器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72.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。dV3 3、分类、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86.1.4机机组参数的参数的测量工具量工具6.1.4.1压力力压差差传感器感器6.1.4.2位移位移传感器感器6.1.4.3振振动传感器感器6.1.4.4温度温度传感器感器96.1.4.1压力力压差差传感器感器 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：u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；u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；u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）10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%FS11名名称称MPM482型LCD数字显示压力变送器使用使用对象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使用方法方法用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任意选择供电供电电压电压2040VDC输出输出信号信号420mADC精度精度等级等级0.1%FS|0.25%FS|0.5%FS12名名称称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特点点量量程程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13420mADC名名称称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特点点量量程程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146.1.4.2位移位移传感器感器 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：u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；15u电感式：利用电感线圈在电磁场中电感（自感或互感）的变化、将机械位移转变为电量的传感器称为电感式位移传感器。电感式位移传感器由铁芯、线圈与衔铁所组成，当衔铁相对于电感线圈的位置改变时，磁路的磁阻发生变化，使电感线圈中的电势发生变化，利用此原理，将机械位移量转换为电量输出。其具有结构简单、工作可靠、灵敏度高和输出功率大等优点16u电容式位移传感器：利用电容极板间覆盖面积变化时其电容量变化的原理制成的位移传感器称为电容式位移传感器。电容的活动极板呈直线位移时为线位移传感器，活动极板呈角位移时为角位移传感器。电容式位移传感器采用差动式结构。17u电涡流传感器（用于小位移测量）利用涡流效应制作的小位移传感器，尤其适用于动态位移测量，例如测转动机械轴的摆度等。电涡流传感器测位移为非接触式测量，它利用传感器探头与被测金属表面距离变化测量二者之间的相对位移。18196.1.4.3振振动传感器（又称拾振器）感器（又称拾振器）1根据测量参考坐标的不同，分为两类。u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）u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）；202根据测量原理分为电阻式、电容式、电感式、磁电式、压电式等。水电站常用：u磁电式速度传感器：其感应电动势正比于被测振动的速度；当传感器的壳体与振动物体紧固在一起时，壳体随物体一起振动，壳体连同线圈与与永久磁铁发生相对位移，线圈切割磁力线产生正比于被测物体振动速度的电动势，此电动势经过放大电路放大处理后输出相应的电压或电流。速度式传感器适用于测量频率较低（101000Hz）、振幅较小（1mm以下）的机械振动。21u电容式加速度传感器：利用电容极板间间隙改变时电容量随之变化的原理测量振动加速度。当传感器处于静止状态时，动极板处于两固定极板C的中间位置，形成的电容C1=C2。当传感器的质量块受加速度作用时，动极板与质量块在弹簧支持下以加速度a发生运动，动极板相对于固定极板位置发生改变，C1C2，由此形成的差动电容连同其位移信号反映了振动加速度的大小。22u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。测量时将传感器固定在被测物体上，当物体振动时，传感器壳体随物体一起振动，压电晶体在质量块的惯性力作用下产生电荷，输出的电荷量与振动加速度成正比。23246.1.4.4温度温度传感器感器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。252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。266.2 机机组水力参数的水力参数的测量量6.2.2水水电站水位和水站水位和水头的的测量量6.2.1水水轮机流量机流量测量量6.2.3压力与力与压差的差的测量量276.2.1水水轮机流量机流量测量量 一、水轮机流量测量的意义与目的一、水轮机流量测量的意义与目的1、测量意义 有利于实现水电站的经济运行。即在保证一定出力的情况下，使总的耗水量最小；或在一定流量下使机组的出力为最大。简言之：使机组在进行能量转换时总效率最高。2、测量目的w准确获得原型机的真实效率；w制订机组之间或电站之间的优化运行方案；w准确掌握水库的运行情况，推求水库的漏水量。28二、水轮机流量测量的特点二、水轮机流量测量的特点w水轮机流量大，实验室方法不适用于原型机，而且测量方法还受水轮机进水流道和出水流道的结构和布置的限制；w水轮机流道内流速分布曲线不规律，切随水轮机工框的变化而变化；w为保证电能的安全生产，安装时间和试验次数受到限制，给试验的组织与测定工作带来不便；w对测量精度的提高很困难。29三、水轮机流量测量的基本方法三、水轮机流量测量的基本方法w容器法（重量法、容积法）w节流法（孔板、喷嘴、文丘里管、文丘里喷嘴等）w堰流法（直角三角形堰、矩形堰、全宽堰）w差压法（蜗壳差压,弯头差压,流道差压,尾水管差压）w流速面积法w水锤法w浓度法w超声波法w计量仪表法（电磁流量计,涡轮流量计,涡街流量计等）306.2.1.1流速流速仪法法测流流 一、基本原理一、基本原理w流速仪法测流，是一种古老的测流方法，在最佳测试条件下可达到11.5%的精度，成果可靠，使用较广。我国绝大多数电站水轮机的效率试验都采用此法。w使用流速仪法测流，是将若干个流速仪布置在测流断面上，测出断面上各测点的流速，然后对断面流速分布进行积分，即可得到流量。w水轮机测流只能用旋桨式流速仪。31 流速仪是利用螺旋桨转速测流速的仪器，它由螺旋桨、壳体、计数机构等部件所组成。螺旋桨承受水流速度而旋转，壳体内的计数机构有一小齿轮和桨叶转轴相连，当螺旋桨转动一圈，通过小齿轮带动计数齿轮转过一个齿，而当计数齿轮转完一周(10个齿或20个齿)时，电触头即接通一次，发出一个脉冲信号，经信号记录仪将其记录下来。根据记录时间内脉冲信号的次数，利用流速仪的传动系数，可以计算出螺旋桨的转速。再由转速计算出水流流速。32二、测流断面的选择二、测流断面的选择 采用流速仪法测流的主要条件是必须选择良好的测流断面，以保证最大可能的测流精度。w测流断面应具有一定的尺寸，以确保测流的精度；w测流断面必须具有规则的几何形状，并能进行几何丈量；w测流断面应与水流方向垂直；w测流断面应位于管道的直线段；w测流断面与水轮机进口（或出口）断面间不允许存在流量损失；w必须防止冰块、脏物、悬浮物进入测流断面。33三、流速仪布置及流量计算三、流速仪布置及流量计算 选定断面后，须进一步确定测速点数及其布置方式。测速点数的多少应以能反映断面上流速分布的全貌为原则。测点过少，每点流速代表的面积较大，影响测流精度；测点过多，扰乱水流速度的自然分部，也影响精度。按流速分布测量流量时，一般采用等截面积加权平均法。对圆形断面，将其分成若干个等面积的同心圆环，在两条相互垂直的直径上与圆环的分界线各个交点上布置流速仪；对于矩形管道，则将整个断面分成若干等面积的小矩形，在各个小矩形的对角线交叉点上布置流速仪或用其他方式布置。最后根据相应的计算准则求出平均流速。341、相关规程w圆形过水断面 圆形过水断面直径不得小于1.4m，测点常布置在两根互相垂直的（与水平呈45度）或有相同圆心角的同心圆直径上，下图分别为4个、6个和8个半径支臂时，支臂的布置形式。支臂上的流速仪的间距用等面积法来确定，每个半径不少于3台，中心必须有1台。35每一半径测点Z为：IEC 60041:1991 建议JEC 157:1980 建议每个半径测点位置，JEC 157:1980建议 式中：自圆心至第n号测点的距离；圆管半径 除圆心外每个半径的测点数目注：边壁流速仪距管壁至少应为流速仪旋转直径的0.75倍，相邻流速仪的间距应大于流速仪直径的1.2倍。36 JEC 157:1980推荐圆形断面测点布置如右图，各测点所在圆的半径如下表所示。断面各测点的权值相等，每一直径上的平均流速等于该直径上各测点流速的算术平均值，整个断面的平均流速为各测点流速的算术平均值。37w矩形或梯形断面 对矩形或梯形断面，测点位置的布置主要根据断面流速分布情况来确定。在断面中部流速分布较均匀，测点间距可大些；在侧壁、底部和水面附近，流速变化较大，测点间距应小些；测量断面测点布置数Z为：IEC 60041:1991 建议 IEC规定：在矩形断面上至少需要布置25个测点，分布在5条水平线与5条垂直线的交点上。JEC 157:1980 建议式中：测流断面的面积；注：近自由水面布置的流速仪距水面至少应等于流速仪的旋转直径。38 上述等截面积加权平均方法是建立在管道断面上流速分布呈线性关系的基础上。实际上不论层流还是紊流，壁面附近的速度梯度远远大于中心处的梯度。同时工程上按此方法对大断面的测量还受诸多限制。国际标准ISO 3966推荐使用“对数线性”和“对数切比雪夫”方法。391、对数线性法w圆形过水断面 断面各测点的权值相等。每一半径上的平均流速等于该半径上各测点流速的算术平均值，整个断面的平均流速为各半径上平均流速的算术平均值。40w矩形过水断面 对矩形断面流速仪的布置，国家标准规定用26点法，各测点的位置如图，图中L、H为矩形的长与宽，x为沿矩形长边L方向，测点与一短边的距离。整个断面的平均流速由以下公式计算，其中权值如表所示。412、对数切比雪夫w圆形过水断面 断面各测点的权值相等。整个断面的平均流速为各测点流速的算术平均值。42w矩形过水断面 测点布置在若干条平行于矩形的长边和短边的直线的交点上，平行于短边的直线数目e和平行于长边的直线数目f都不得少于5，各测点在以矩形断面中心为原点的直角坐标中的相对位置如下表，取各测点的权值相等，则断面的平均流速等于各测点流速的算术平均值。434445对矩形断面流速仪的布置，JEC 157:1980 建议464748496.2.1.2水水轮机机蜗壳壳测流流 一、蜗壳测流的基本原理一、蜗壳测流的基本原理 蜗壳测流即蜗壳差压测流，是测量通过水轮机流量最简便的一种方法，大中型机组均采用此法测流。蜗壳中的水流是按等速度矩定律分布的，这样距机组中心越近，流速越大，压力越低；反之，流速越小，压力越高。因此，蜗壳任一断面上距机组中心不同的两点间存在着差压。蜗壳差压测流原理就是利用差压计测定蜗壳中两点的压力差，然后根据压差与流量之间的对应关系来确定水轮机的流量。50 如图所示，假定在流量为Q时，点1和2处的压力（同一水平面）分别为P1和P2，流速分别为v1和v2；流量为Q时，点1和2处的压力（同一水平面）分别为P1和P2，流速分别为v1和v2。当忽略局部损失时，两点间压差分别为：(1)(2)51根据水流相似理论有：即有：带入式(2)有：(3)(4)(5)(6)(7)由式(6)和式(7)有：(8)或52由以上分析可知，流量与压差之间存在关系式式中K为蜗壳流量系数，K具有如下特点：w对于某一蜗壳上两个固定测压孔，K是一个常数；w对于不同机组蜗壳或同一蜗壳上不同测压孔，K是另一个不同的常数；w在不同水头下K保持为一常数，但在水头不大于10m时，需进行必要修正。53二、测压孔的布置二、测压孔的布置 为了得到准确的水轮机流量与蜗壳压差的关系，必须很好地选择测压断面和测压孔的位置。w测压断面：应选在蜗壳的前半部当水流旋转4590度角的地方。w测压孔：可以布置在同一径向断面上，也可布置在蜗壳的任意两点，只要能符合所希望得到的压差值。一般低压测压孔应尽可能靠近水轮机旋转轴，设在两个固定导叶之间上方的蜗壳内缘壁上；高压测压孔应设在离旋转中心最远的地方，即蜗壳的外缘壁上，这样可获得较大的压差，且水的流态相对稳定，有利于提高测量精度。5455三、蜗壳流量系数三、蜗壳流量系数K K的率定的率定 蜗壳流量系数K在不同开度和不同水头下始终保持一个常数，这给蜗壳差压测流带来很大的便利。但K值只有通过机组的原型效率试验才能率定。K值的率定通常是与机组原型效率试验同时进行的，即在效率试验过程中实测各开度下的流量，同时用差压计测出相应流量下的蜗壳压差，根据不同开度下一系列实测的流量与压差值，就可绘制流量与压差均方根之间的关系曲线。56 如已有原型水轮机的运转综合特性曲线和发电机的效率曲线，则可通过测量发电机组的出力Nf、水轮机的工作水头H以及蜗壳差压h，获得流量与压差间的关系。具体步骤如下：(1)由发电机出力Nf，在发电机效率曲线上查对应的效率f，根据下式获得水轮机出力N：57(2)由水轮机出力N及机组工作水头H，在运转曲线上获得水轮机的效率t；(4)绘制流量Q与压差h均方根之间的关系曲线。(3)由水轮机出力N、水头H和效率t，求得水轮机的流量Q；586.2.1.3超声波法超声波法测流流 一、基本原理 超声波测流根据其测量原理可分为：传播速度差法、多普勒法、超声束偏位法和听音法。目前应用最广泛的是传播速度差法。超声波在大多数媒质中具有很强的穿透能力，当超声波在流动媒质中传播时，相对于固定座标系统来说，超声波的传播速度与媒质的流动速度有关。也就是说，超声波测流的物理实质是声能在流体中的传播速度受到该流体流速的影响，此即携带效应，顺流时传播速度快，逆流时传播速度慢。传播速度差法就是通过测量超声波在流动流体中传播速度的变化来测量流量的方法。59 根据其检测量的不同，传播速度差法又分为时间差法、相位差法和频率差法。时差法是测量超声波在顺流和逆流传播时的时间差。设超声波在静止流体中的传播速度为C，水流在声道线上的平均速度为V，超声射线与水流方向之间的夹角为，则顺流和逆流时超声波的传播速度分别为C+Vcos和C-Vcos，若发射器到接收器之间的距离为L，则顺流发射传播时间为：逆流发射传播时间为：60在常温下，C1500m/s左右，而V只有每秒数米，考虑到CV，故顺流和逆流传播时间差为对一定的换能器位置和媒质而言，和C是已知的，L实测求得，所以只要测出t，就可求得声道线上的平均流速V，进而求出流量。传感器部分主机部分61（2）超声波测流的声道布置超声波换能器有两种，一种是发射换能器，另一种是接收换能器。发射换能器利用压电材料的逆压电效应，将电路产生的发射信号施加到压电晶片上，使其产生振动，发出超声波，实现由电能到声能的转换。接收换能器是利用压电材料的压电效应，将接收到的声波，经压电晶片转换为电能，完成由声能到电能的转换。发射换能器和接收换能器是可逆的，即同一个换能器，既可以作发射用，又可以作接收用，由控制收发系统的开关脉冲来实现。按照换能器的布置方式的不同，分为：Z法(透过法)、V法(反射法)和X法(交叉法)，如图所示。62（3）超声波法测流的优缺点超声波法测流的优点是：采用非接触测量方式，对流场无干挠，不影响机组的正常运行和管路的正常工作；能进行动态测量，可直接测得瞬时流量和累计流量，实现流量、效率的长期在线实时测量和运行监测；应用范围广，没有最高流速限制，特别适用于大管径、大流量的测量；测流装置安装测试简便，使用灵活，维护方便。超声波测流的缺点是：超声波流量计对信号处理要求较高，设备比较复杂；水温变化对超声波传播速度有较大影响，温度变化较大时应对声速进行补偿；当水流中气体、泥沙或悬浮物达到一定含量时，对超声波传播与测流精度有影响。因此，超声波测流适用于清水或含沙量小于10kg/m3的水流。目前，超声波流量计已在水电站中广泛应用。我国南京自动化研究院开发的UF系列多声道超声波流量计，采用多声道流速测量加权积分计算流量，较好地解决了流态分布、信号处理、各种管道渠道现场定位安装等技术难题，可用于大尺寸过水断面流量的稳定准确测量，可测量圆管直径达15m、渠宽100m的过流量。636.2.1.4水水锤法法测流流 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。本方法主要记录导叶关闭过程中，包括导叶关闭前后压力波传送过程的压力-时间关系来实现流量测量的。这种流量测量方法的依据是牛顿第二运动定律。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（水锤现象）。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。64656.2.1.5 电磁流量磁流量计 一、基本原理 电磁流量计是以电磁感应定律为基础而工作的，如图所示。由非磁性材料制成的管道2内流过导电液体3(若流动方向为)，它相当于长度为直径D的导体切割磁力线，在两个电极间产生的感应电动势E为由平均流速与管道流通截面积的乘积可得断面流量为：66二、适用范围 电磁流量计适用于测量导电液体的流量，如水、污水、纸浆、矿浆、酸、碱及盐溶液等，它压力损失小，可以测量脉动流量和双向流量。测量中流量计读数不受介质密度、强度、温度、压力等影响，抗干扰能力强。但电磁流量计一般用于小尺寸管道的流量测量，而且造价比较高。检测器转换器67三、检测器与转换器 检测器由磁路系统、测量导管、电极、外壳和正交干扰调整装置等组成。磁路系统有直流磁场和交流磁场两种。直流磁场的缺点是电极容易产生极化现象，使检测器内阻增加，信号降低甚至断路。所以直流磁场一般仅用于测量不易发生极化现象的非电解性液体，如液态金属介质等。工业用检测器一般采用交流励磁的交变磁场，相应地在电极上产生交流信号，送至转换器转换为直流信号，以供显示、记录和调节、控制。但交变磁场的干扰较大。转换器把检测器输出的微弱信号进行阻抗匹配、放大、整流和滤波。同时抑制干扰信号，输出为0-10mA或4-20mA直流信号。686.2.2水水电站水位和水站水位和水头的的测量量1水电站水位测量目的(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。696.2.2.1水水电站上、下游水位与装置水站上、下游水位与装置水头的的测量量2水电站水位测量要求在自由水面处测量，水面坡降较小或无坡降；水流平稳，流速尽可能小，无漩涡或波动；测点距上、下游进、出水口较近；尽量设专用测井，以减少水面波动。3水电站水位测量方法(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。703水电站水位测量方法(2)用浮子式水位计测量在需要测量的水面上装设一浮子，当水位发生变化时，浮子随之上下移动，用浮子、标尺可直接测量出水位的变化。当水位有遥测要求时，可在浮子测量系统的基础上配备远传与显示装置，进行水位的遥测与自动显示，713水电站水位测量方法(3)用投入式液位变送器测量 大、中型水电站大多利用自动装置对上、下游水位进行测量。目前电站多采用投入式液位变送器测量电站上、下游水位。投入式液位变送器是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，利用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将压力信号转换成电信号，经过温度补偿和线性校正，变换成420mA DC标准电流输出，远传至中央控制室，供二次仪表或计算机进行集中显示、报警或自动控制。投入式液位变送器的传感器部分可直接投入水中，变送器部分可用法兰或支架固定，安装使用极为方便。723水电站水位测量方法(4)用超声波水位计测量超声波水位计通过安装在空气或水中的超声波换能器，将具有一定传播速度的声脉冲波定向朝水面发射。此声波束到达水面后被反射，部分反射回波由换能器接收并将其转换成电信号。从超声波发射到被重新接收，其时间与换能器至被测物体的距离成正比。检测该时间，根据已知的声速就可计算出换能器到水面的距离，然后再换算为水位。换能器安装在水中的，称之为液介式超声波水位计；换能器安装在空气中的，称之为气介式超声波水位计，后者为非接触式测量。734水电站水位测点的布置水电站对上、下游水位进行测量时，在拦污栅前、后各设一测点，在尾水出口处设一测点 745水电站装置水头测量方法 电站装置水头的获得主要有两种途径：u根据对电站上下游水位的测量结果，通过计算获得u将上下游的压力水引至一差压测量装置，所获得的测量结果即为电站的装置水头。756.2.2.2水水轮机工作水机工作水头的的测量量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：76冲击式水轮机有：772 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。w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；w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；w速度水头：根据差压测流原理，在获得蜗壳两测压点的压差后，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。7879806.2.3水水轮机引排水系机引排水系统的的监测水轮机引、排水系统的水力特性是水电站与水力机组的重要动力特性之一，为保证水电站和机组的安全与经济运行，需要对其进行监测。水轮机引、排水系统的监测包括：进水口拦污栅前后压力差、蜗壳进口压力、水轮机顶盖压力、尾水管进口真空度及其它特征断面压力等方面的测量。此外在寒冷地区还要设置冰凌监测，根据电站的需要还可能设置钢管防爆保护装置。通过对水轮机引、排水系统的监测，运行人员能随时了解在不同工况下各部分的实际运行情况，并根据需要对机组甚至电站的运行进行操作和控制。816.2.3.1进水口水口拦污栅前后前后压力差力差监测 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。826.2.3.2蜗壳壳进口口压力的力的测量量 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。836.2.3.3水水轮机机顶盖盖压力的力的测量量 在水轮机顶盖压力测量的目的是了解该处的压力脉动和止漏环的工作情况；对采用顶盖取水的技术供水系统，通过顶盖压力测量，了解供水压力的波动情况。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。846.2.3.4尾水管尾水管进口真空的口真空的测量量 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。856.2.3.5尾水管水流特性尾水管水流特性 尾水管的形状及其水流状态与水轮机的效率、汽蚀和运行稳定性有密切的关系。尾水管内部的水流情况十分复杂，有时会形成严重汽蚀，损坏过流部件，引起振动；有时产生强烈的压力脉动，影响机组的稳定运行。因此，测量尾水管有关断面的流速与压力分布，了解其内部水流状态，对于研究机组汽蚀和振动的原因、提高机组的运行稳定性十分必要。尾水管水流特性测定的主要内容是测量各特征断面的压力变化和水流旋转强度。一般在尾水管锥段入口和出口、肘管、扩散段入口和出口设置五个测量断面，每个断面取四个测点，如图7.40所示。III-III和I-I断面的测点所设置的测嘴应能够测量静压力和全压力。测量尾水管的压力脉动时，测量用的压力传感器应能同时测量正、负压力，并具有较高的频率响应特性，适合于脉动压力测量。866.3 水力机水力机组振振动监测6.3.2机机组摆度的度的测量量6.3.3机机组振振动监测与故障与故障诊断断6.3.1机机组振振动的的测量量876.3.1 机机组振振动的的测量量 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w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；w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。8889903、测量工况w空载无励磁变转速工况：判断振动是否由机组转动部件质量不平衡所引起。试验时发电机转子无励磁电流，机组以各种转速运行，测量机组各部位的振动（包括主轴摆度）。机组转速可以从额定转速的50%开始，以后每增10%20%测量一次，直至额定转速的120%左右为止。w空载变励磁工况：判定振动是否由机组电磁力不平衡所引起。试验一般在空载额定转速下进行，但在排除了机组振动是由于水力不平衡力所引起的原因后，为进一步分析机组电磁力不平衡的具体原因，还可以在额定转速下带一定负荷的情况下进行。试验时分别测定励磁电流为额定值25%、50%、75%和100%时机组各有关部位的振动。为了确切判定振动是否由于发电机定子与转子之间空气间隙不匀所引起，试验中还要测定发电机间隙。有时还应测量发电机定子铁芯的温度。913、测量工况w变负荷工况：查明机组振动是否由过水系统的水力不平衡所引起。该试验在机组额定转速下进行，分别测定负荷为其额定值25%、50%、75%及100%时机组各有关部位的振动。为查明振动是否由水力不平衡引起的具体原因，有必要测定机组过水系统各部位水流的脉动压力。w调相运行工况：这是区分机组振动是由水力不平衡力、还是由机械不平衡力或电气不平衡力所引起的一项重要试验。试验时机组并入电力系统运行，逐渐关闭导水机构至全关，然后供气压水，使机组转为调相工况运行。这时如机组振动减弱或消失，则振动是由于水力不平衡所引起；否则振动是出于其它原因。921、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引起机组主轴轴向位移和径向位移发生（摆度）变化。轴向位移变化大则造成机组台机等严重的后果，径向位移变化过大会引起机组的烧瓦或扫膛，甚至发展为重大事故。通过对摆度的监测，在径向位移出现异常时，可提醒运行人员采取必要的措施以应对。通过对机组摆度的测量，可以获得机组轴心轨迹的运行情况。2、测量方法w机械式仪表测量：利用机械式百分表测量位移间隙w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。6.3.2 机机组摆度的度的测量量 93 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。图19.1 前置器安装示意图949596976.3.3 机机组振振动监测与故障与故障诊断断 当机组出现异常振动时，可以通过现场实验的方法查明振动原因。而在机组正常运行时，可通过机组振动监测系统对机组进行监测，及时了解机组的运行状况。据统计，水轮发电机组约有80%的故障或事故都在振动信号中有所反映。故障诊断就是在机组振动监测的基础上，对机组振动信号进行分析，从中找出故障原因，并作出相应决策，以避免或减少更严重的机组损坏。因此，状态监测对机组安全、稳定运行尤为重要。1、测点选择 监测点的选择是获取机组运行状态信号的重要环节，由于水轮发电机组构件一般较大，其各处的振动值有一定的差别，测点选择是否合理直接影响到信号采集的真实性以及数据分析和故障诊断的可信度。一般来讲，测点的选择和布置取决于机组的运行性能、设备的结构特点和机组的运行规律，在满足状态监测、分析和故障诊断要求的基础上，选择最有代表性、最能准确捕捉运行设备状态的监测点，且测点应尽可能少。9899（2）信号分析 机组振动信号分析包括时域、频域、时差域和空间分析等几大类，既适用于确定性信号（含周期信号及非周期信号）的分析，也适用于随机信号的分析。（3）故障诊断2、水力机组振动监测与故障诊断系统水电机组振动监测与故障诊断系统主要包括实时监测、信号分析、故障诊断三大部分。（1）实时监测实时监测部分包括测点的布置、数据的采集、通讯和实时显示。传感器数据采集存储显示整形滤波隔离被测信号1006.4 水力机水力机组监测系系统6.4.1 水力量测系统水力量测系统实例：实例：u全厂性量测项目 某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。u机组段量测项目 某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。101某某电站的水力量站的水力量测系系统1021036.4.2状态监测系统状态监测系统1.主机（水轮机与发电机）的监测（1）主机运行参数的监测水头监测通过电站上、下游水位（包括拦污栅前、后水位）或水轮机进水口压力监测水轮机的工作水头。流量监测通过超声波流量计、蜗壳差压变送器或其他可实时测量水轮机流量的仪器测量水轮机的流量。功率监视（有功功率、无功功率、功率因数）通过发电机出口CT、PT监视发电机出口的有功功率、无功功率与功率因数等。励磁系统监视通过直流电压、电流变送器监测励磁电压与电流。104（2）主机设备状态参数监测发电机温度监测发电机定子线圈温度监视一般采用电阻型温度计Pt100、Cu50或温度变送器（RTD）测量。电阻型温度计需配相应的二次仪表才能指示温度值，常用的是温度巡测仪；RTD由Rt（热电阻）与采样处理电路所组成，可以将微小的热电阻信号转换为标准信号（020mA），供二次记录仪表或计算机数据采集系统直接引用。发电机定子温度监视要设多点，在发电机定子线圈专用温度测槽内设12个/25个/50个热电阻。由于测点多，因此必须用温度巡测装置。轴承温度监测水轮机导轴承、发电机导轴承、推力轴承的油箱温度、轴瓦温度均须监视，一般需将温度限制在70以下。为此，在各轴承油箱内及部分轴瓦中设置热电阻型或热电偶型温度计，将各温度信号通过温度巡测装置或RTD传送到计算机监视系统中。1052.机组辅助设备的监测（1）油系统监测油系统监测包括油温、油压、油质、油位的监测。油温的监测在集油槽、压力油槽、轴承油箱中可采用RTD温度变送器监视油温。油压的监测根据所测压力范围，选择采用压力变送器进行压力测量。油质的监测在轴承油箱、集油槽内设油混水信号器，以监视油质变化情况。油位的监测在集油槽、压力油槽、漏油箱、轴承油槽等处设油位计及油位变送器，进行现场观测与数据采集。同时，利用压力油槽、漏油槽的油位信号控制压力油泵与漏油泵的操作。106（2）供水系统监测技术供水系统的监测包括供水的压力、流量、温度及水流的通断。监测的对象有：发电机空气冷却器系统；各轴承冷却水系统；主轴密封水系统；空压机冷却水系统；主、备用供水母管的切换；主、备用供水泵的切换；供水管路上闸门和阀门的状态与开度。压力监测供水压力是技术供水的主要参数，发电机冷却供水管路及水轮机技术供水管路上均需装设压力监视装置，主要供水管路上宜装设压力变送器，可现地观察，并可将信号引入计算机监控系统。流量监测在水轮机轴承油盆冷却器与发电机空气冷却器供水管路上，需装设流量监测装置，以判断供水量是否满足冷却要求，并可根据供水流量值判断供水管路是否堵塞。107水温监视在发电机空气冷却器、各轴承油盆油冷却器供水管路上，均需装水温监视装置，测量供水温度，以保证冷却效果。水温监测宜采用插入式温度变送器，温度变送器带数字显示表头，并有420mADC的模拟输入，可接入计算机监控系统。此外，温度监视也可采用温度开关，用于控制与报警。水流通断监视机组冷却水、润滑水的通断作为开机的必要条件与机组保护信号必须进行监视。水流通断的监视，一般采用示流信号器或流量开关。示流信号器与流量开关的基本工作原理相同，即当管路中有流量通过时，利用水流的冲动作用或浮力使信号机构动作，将接点接通或断开，发出信号。常用的流量开关或示流信号器有浮筒式、靶式、热扩散式等多种形式。108闸门与阀门位置监视许多水电站技术供水设有主、备用管道，其上的闸门与阀门采用电动开关或液压阀进行操作，闸门的开、闭以及闸门位置可用行程开关控制，并用开度指示仪等辅助装置提供监视信号，接入二级仪表或计算机监控系统。（3）排水系统监测排水系统的监测主要是监视水位。当渗漏排水与检修排水采用集水井排水方式时，在集水井中设置水位监测装置，其目的为：防止集水井水位过高淹没水泵设备；自动控制排水泵的启、停。集水井水位监测可用液位开关与液位计，用于报警与控制水泵时多用浮子式水位计或液位开关。液位开关的接点容量较大，可直接作为水泵启、停的控制信号。监视水位变化时需用液位计，一般可选择投入式水位计，安装在集水井上方的数字显示表可现场指示水位，其输出信号可接入计算机监控系统。109（4）压缩空气系统监测包括空气压缩机、储气罐及制动系统的压力与温度监测。空压机监测主要监测空压机各级气缸的排气压力、排气温度、水冷式空压机的冷却水量等。对空压机各级气缸的排气压力采用压力开关进行监视，压力超过警戒值时发出报警信号，压力过高时作用于空压机停机。空压机出口压力采用压力变送器进行监视，接计算机监控系统；或装设带辅助接点的压力变送器，直接作用于控制空压机的启、停。空压机各级气缸的排气温度，采用温度变送器进行监视，排气温度过高时利用其辅助接点作用于报警。水冷式空压机的冷却水流量，采用耙靶式流量计或流量开关进行监视。冷却水中断时，作用于空压机停机。空压机工作、备用、故障等工作状态，用开关上的辅助接点与事故报警装置进行监视。110储气罐监视用压力变送器监视储气罐压力，控制空压机的启、停；用温度信号器监视储气罐温度。制动系统监测主要监测制动供气压力与制动闸位置。采用压力变送器监视制动管路和制动活塞的上、下腔压力；用制动闸行程开关监视制动闸位置。111