1. 前言：需要高精度的流量測量

在水電站，試驗和評估水輪發(fā)電機性能的關(guān)鍵在于獲得精確的流量（機組流量）。流量、水頭、電能功率輸出是關(guān)鍵參數(shù)，必須知道彼此之間的關(guān)系，以確定實際的機組功率輸出與流量和單臺機組或整個電站輸出的效率特征之間的關(guān)系。

應(yīng)用于水電領(lǐng)域的各種流量測量技術(shù)在本世紀(jì)得到了發(fā)展和完善，這其中包括絕對和相對兩大類流量測量方法。它們被用于機組交接驗收試驗、優(yōu)化運行、設(shè)備改造評估和電站檢修計劃。描述真機性能可以提供為實現(xiàn)上述目的所需的必要信息，同時也可用來判斷新資金投資是否合理以及改造設(shè)備的性能是否得到提高。

在機組性能測試過程中，要求高精度，以獲得可重復(fù)性結(jié)果，（至少）在單臺機組試驗過程中結(jié)果要一致。為證明機組的絕對效率滿足新機組或機組改造合同規(guī)定的交接驗收標(biāo)準(zhǔn)，典型地要求高精度的機組流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要精度高、誤差低。為了適應(yīng)最大化水電廠輸出和有效使用水資源的需要，近十年來對高精度的流量測量和機組的絕對效率的更多要求在穩(wěn)步增長。

機組現(xiàn)場試驗和性能評估中廣泛采用的流量測量方法包括壓力-時間法、鹽水速度（濃度）法、染色-稀釋法、面積-流速測量（流速儀陣列）和超聲波時差法（Gulliver and Arndt 參考1.）。大多數(shù)方法已在有壓力鋼管的水電站或有其它好的、流態(tài)分布相對均勻的輸水結(jié)構(gòu)的電站中得到應(yīng)用。這些環(huán)境條件也很好地代表了水輪機模型試驗條件，從而提高了從模型機的性能來估計真機性能的認(rèn)識。

這些技術(shù)已經(jīng)提煉為水輪機試驗規(guī)程中嚴(yán)格規(guī)定的方法，并被美國機械工程師協(xié)會（American Scoiety of Mechanical Engineers）（ASME，參考2.）和國際電工委員會（International Electrotechnical Commission）（IEC，參考3.） 使用。水輪機制造商提供的性能保證通常要用這些規(guī)程中認(rèn)可的流量測量方法來驗證。

由于低水頭電站的進水口和水輪機入口之間的直管段短，因此要獲得精確流量的測量方法受到很大限制。典型的低水頭電站中，每臺水輪機入口使用多個進水流道，每個流道的長度短且形狀不規(guī)則，這使得流態(tài)更加不均勻，而且水流條件多變，這樣通常不再適合用規(guī)程中規(guī)定的測量方法來測量。相鄰機組的運行可能會造成這臺機組更大的流量變化，這使我們很難確定機組流量和閘門開度之間的關(guān)系。

由于相當(dāng)數(shù)量的世界級大型水電站都屬于低水頭類型，因此在這種條件下研究、開發(fā)全新的或改進的測量方法以獲得相對精確的流量測量方法變得非常重要。這將使電站優(yōu)化運行和有限水資源管理所需的水電性能評估更有意義。有更好的機組性能評估手段，有助于在分配資金資源以實現(xiàn)更大的發(fā)電效率作出決策——手中有機組的真實數(shù)據(jù)，是改造還是檢修這個問題很容易下結(jié)論。 這種信息不容易從水輪機模型試驗或數(shù)字計算機仿真中推導(dǎo)出來的。在實際的現(xiàn)場條件下進行精確的機組流量和效率測量才是關(guān)鍵。

2. 低水頭機組流量測量方法

低水頭電站入口復(fù)雜的、不均勻的水力學(xué)條件阻礙了傳統(tǒng)流量測量技術(shù)的直接應(yīng)用， 因為傳統(tǒng)的流量測量技術(shù)基于好的和有長直管段的流態(tài)條件下開發(fā)的。這種短而漸變收縮的進水口流道結(jié)構(gòu)會引起渦流、橫向軸流分量以及在垂向和水平方向的流態(tài)分布產(chǎn)生明顯的畸變。由于有攔污柵、魚群改道屏或其他突出結(jié)構(gòu)的存在而使條件更復(fù)雜化，有可能存在巨大的渦流、流體的分離和潛在的回流現(xiàn)象。從而導(dǎo)致不同電廠之間的流體特征缺少更多的一致性。以致于在特定的電站開發(fā)的技術(shù)和獲取的經(jīng)驗不能直接應(yīng)用于一些其他的低水頭電站，如果不仔細(xì)考慮潛在獨特的條件并適當(dāng)修改流量測量程序的話。

由于以上因素的存在，在低水頭電站，最高可達(dá)到的機組流量測量精度和可重復(fù)性低于壓力管道流量測量精度的2 到 3 倍。直到最近，在低水頭電站進行絕對流量和效率測量的技術(shù)幾乎都是基于面積-流速法，包括定點安裝的或進水口-橫向移動的流速儀矩陣。螺旋槳式流速儀， 即在相關(guān)的規(guī)程——該規(guī)程適用于有壓力鋼管的機組試驗——中規(guī)定那種流速儀，通常在機組的現(xiàn)場試驗程序中被使用；然而，也有使用其他流速傳感器的例子。(例如，見Voight and Gulliver，參考4.)。

在低水頭電站進水口進行流量測量所需要的流速儀（即點流速取樣）的數(shù)量通常是有壓鋼管測量所需要的2~3倍（Levesque，參考5.）。這樣，測流儀器本身可能會對流態(tài)產(chǎn)生明顯的干擾，這樣在測流量和機組導(dǎo)葉開度之間關(guān)系時增加了不確定性(測量誤差)。此外，可橫向移動的流速儀矩陣，在沿著入口流態(tài)分布移到不同的位置時，要求在一個完整的進水口流量測量循環(huán)過程中要有固定、穩(wěn)態(tài)的水流條件。

相對流測量，基于水輪機渦殼上的壓力測孔間（即Winter-Kennedy taps）或收縮的水輪機進口壓力測孔間的壓力差，通常被用來作為機組指標(biāo)試驗。對于這些例子，不能獲得機組的絕對流量，性能試驗數(shù)據(jù)可作為相對于機組峰值效率的一個指標(biāo)。盡管指標(biāo)試驗可以提供了機組效率曲線的形狀以及對應(yīng)峰值效率的導(dǎo)葉開度。但它不能明確機組的絕對效率（即功率輸出與實際的機組流量的關(guān)系），也不能用來確定實際機組與機組間在（功率）輸出效率方面的差異（Voight and Gulliver，參考4.）。與前面討論的絕對法測流技術(shù)一樣，通過這種壓差方法而測量到的相對流量數(shù)據(jù)，也會受到機組進口不規(guī)則水流條件的不利影響，從而導(dǎo)致機組指標(biāo)試驗結(jié)果的精度降低。

多聲路，超聲波時差測流方法，為在低水頭電站中常見的復(fù)雜多變的水力條件下獲得有價值的機組流量和效率數(shù)據(jù)提供了一種手段。在低水頭電站，用多聲路超聲波時差法技術(shù)測得的流量和效率結(jié)果與布置在多個流道入口的流速儀矩陣所測得的結(jié)果是相吻合的。這種方法以及在某實際試驗現(xiàn)場獲得的結(jié)果總結(jié)將在本文后面的章節(jié)進行描述。

兩種測量方法獲得的結(jié)果非常吻合和一致表明，超聲波測流法是在低水頭電站進行機組性能試驗和評估的一種非常有價值的工具。此外，除測量機組的絕對流量以確定效率外，該方法對進水口流速分布特性方面提供了詳盡的信息，包括橫流（非軸向）分量的幅度、沿進水口的垂向流態(tài)分布、隨時間變化的流動特性和流道之間的流量差異。

這些信息對認(rèn)識入口水流條件變化導(dǎo)致機組性能降低、對流道前和流道入口的水力結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)男薷脑O(shè)計、在全廠運行方面評估可能的改進是非常有用的。

超聲波法（測量低水頭電站進水口和壓力鋼管的機組流量）的明顯優(yōu)勢在于，它是唯一可行的在電廠正常運行條件下可連續(xù)在線監(jiān)視機組流量的絕對流量測技術(shù)。這就提供了一個有價值的能力，在總電站水頭和流體條件變化寬的范圍內(nèi)形成機組性能檔案資料和評估，以及在多機組水電站，優(yōu)化機組工況和負(fù)荷分配以達(dá)到最大的發(fā)電效率。

3. 低水頭電站的流量模式和超聲波聲路配置

在機組進水口具有多個流道的低水頭水電站，流道與流道之間的流場是變化。圖1列舉在對一臺具有3個流道的機組測試時發(fā)現(xiàn)的某些相當(dāng)?shù)湫偷牧髁勘壤P(guān)系，用簡單的餅圖來表示每個流道的流量相對于機組總流量中所占的比例。流道A占機組總流量的38%，它比總流量平均三等分后的流量大約多5%，流道C大約少4%。流道A與流道C相比較，從流道A通過的流量比從流道C通過的流量多出31%。

進水口流道與水輪機蝸殼的布置可參考圖3，從該圖中可以看到，流道A有更多的通道直接通向水輪機進口。

如果前池攔污柵沒有定期清理堆積有漂浮物，那么進口的流態(tài)分布會隨著時間的推移發(fā)生變化。其他的影響可能還來自魚群改道屏障，諸如太平洋西北地區(qū)，每當(dāng)魚群向下游遷徙期來臨時會增設(shè)魚群改道屏障。冬季其間，當(dāng)攔污柵上結(jié)冰時也會使通過進水流道的流態(tài)發(fā)生較大變化。在多機組的低水頭電站，相鄰機組的運行也會對進水口各流道的整個流態(tài)產(chǎn)生明顯的影響。為跟隨日發(fā)電的要求而變化機組的導(dǎo)葉開度或為適應(yīng)變化的河道水流條件而進行的機組閘門開度調(diào)節(jié)也會對之產(chǎn)生影響。

所有這些對進水口流態(tài)分布產(chǎn)生的干擾同樣也會影響通過進水流道內(nèi)三維流場的特性。這種高度不一致的進口流態(tài)模式是由一系列的因素組合而導(dǎo)致的，它不僅直接影響了進水口的流量測量，而且也會對水輪機的運行性能產(chǎn)生影響（Fisher and Franke，參考6.）。這種流態(tài)的不一致性也會對水輪機進口或渦殼測得的壓差結(jié)果產(chǎn)生不利影響，并導(dǎo)致用于指標(biāo)試驗的機組相對流量產(chǎn)生誤差。（Nguyen，et.al.，參考7.）。

即使測量現(xiàn)場具備良好的測流條件而且流態(tài)分布均勻，但進口測量流道的不對稱會導(dǎo)致非軸向流速的產(chǎn)生，這將使流量測量的手段復(fù)雜化。錐形的前池和進水流道會產(chǎn)生垂直于軸向的流速場，有大的水平和/或垂向分量，并增加了流場流線的不對稱特征。收縮漸變的斷面結(jié)構(gòu)將加速和改變流速矢量，它為沿流道的三維位置的函數(shù)，的方向。非流線型的突出或障礙而產(chǎn)生的漩渦和水流分離，甚至可能導(dǎo)致在進口流速分布里有逆流的區(qū)域。

當(dāng)用流速儀來采樣流速分布時，流場中有明顯的非軸流分量，可能會導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。典型地用于流量測量的旋槳式流速儀陣列（規(guī)程中指定的）已不適合準(zhǔn)確解決存在大的非軸向分量的軸向流，在存在逆流的情況下，沒有特殊的措施來指示正向流速。

選擇超聲波-聲路布置和采用交叉斷面聲陣列是明智的，多聲路超聲波時差測量方法可用于許多這些復(fù)雜/困難的水力條件下進行在線流量測量并保持合理的精度和可重復(fù)性。因為超聲波時差測量可以測得沿聲路方向的空間平均線流速，分布在整個流道測量斷面上的多個聲路，可以用來采樣橫跨流態(tài)分布的各個高程處的平均流速。將測得的流速對相應(yīng)的過流斷面面積進行數(shù)字積分即可推出通過整個斷面的流量。將流量計所測得的通過進水口各個流道的流量進行求和即可得到機組總流量。