摘 要：本文主要从多声路时差式超声波流量计的测量原理出发，从多个角度分析了多声路时差式超声波流量计在低水头电站中进行流量测量过程中的主要作用，并对其在低水头电站中的应用进行了简单的阐述。
关键词：多声路时差式超声波流量计、测量原理、低头水电站，流量测量
二十世纪七十年代我国的多声路超声波流量计就已经开始被应用到了低水头电站水轮机流量测量中。早期的多声路超声波流量计的测量方法还不够成熟，所以没有普及到整个低水头电站的水轮机流量测量中，因此只能得到局部的应用，经过人们长期的努力和对多声路超声波流量计的测量方法的多次更新和发展才得以在水轮机组中推广成功。实际上，水轮机入口与低水头电站的进水口之间的直线管段距离十分短，因此、如果每台水轮机入口都只安装一个进水流道是不能满足规范要求，通常都会在水轮机组的入口处安装多个进水流道，而每个进水流道不仅长度短，而且流道的形状也比较复杂，所以每台水轮机入口处的流态都不太稳定。因为水流条件比较复杂，所以想要获得精确的流量测量方法还具有很多的难题需要攻克。目前我国大部分的大型水电站都是属于低水头类型，所以加大对多声路超声波流量计在低水头电站中应用的研究力度对我国未来水电站的发展具有十分重要的意义。
1、多声路时差式超声波流量计的测量原理
多声路时差式超声波流量计在低水头电站中进行流量测量的时候都会使用超声波，因为超声波是整个流量测量过程中的一种媒介。一个完整的测量声路都需要安装两个换能器，其中一个换能器安装在水轮机管道的上游侧，另一个换能器安装在水轮机管道的下游侧。如果测量声路中超声波从换能器到换能器传播的方向不同 ，那么超声波在两个换能器之间传播所需的时间也具有一定的差异，通常需要先根据超声波在静水中的传播速度、水流的速度、两个换能器之间的距离以及超声波在两个换能器之间的传播路径与管轴线之间的夹角先求出超声波在两个换能器之间沿不同方向传播所需要的时间，然后在根据超声波在两个换能器之间沿不同方向传播所需要的时间求出超声波在水轮机管道中的线平均流速，最后再对水轮机管道中测量声路的线平均流速进行面积积分即可得到水轮机的流量。
2、超声波声路配置
多声路时差式超声波流量计还可以用于低水头电站中测量空间的平均线流速，通常一个流道断面上都分布了很多个声路，不管低水头电站的水力条件有多么的复杂，多声路时差式超声波流量计都可以在低水头电站对水轮机组中的水流进行在线流量测量，最主要的是这种流量测量方法既可以保证测量结果的精确性，也可以保证测量结果的可重复性，这主要是因为分布在流道测量断面上的多个声路可以测量横跨流态上的所有平均流速。水轮机组的总流量主要是通过各个高程处的平均流速得到的，然后将测得的各个高程的平均流速沿着整个流道断面进行积分就可以得到整个低水头电站水轮机中流道测量断面的总流量，多声路时差式超声波流量计测得的所有流道的流量的总和便是我们所需要的水轮机组的总流量。
如果在布置超声波声路的时候选择的断面属于交叉型，那么工作人员就可以在第一时间对由横流引起的水流变化进行相应的校正措施。如果采用多声路时差式超声波流量计测量的是特定的垂直高程交叉处的流速，那么测量的过程就会出现靠近非轴向流速方向的声路流速明显比其它方向的流速大，然而与非轴向流速方向相交的声路流速会大幅度的降低，如果将与非轴向流速相近和相交的声路流速的测量结果有效的结合在一起，那么实际得到的平均轴向流速会更加精确。多声路时差式超声波流量计测量流量的方法既可以用于由横流引起的流量不确定性，也可以用于由垂向涡流引起的流量不确定性。
事实上大部分低水头电站的流道的实际情况都比较特殊，所以水轮机组流道测量断面的流量基本上都不均匀，而且流道测量断面的水流的条件也十分复杂，因此在测量低水头电站的流量的时候选择交叉断面的声路最合适。为了提高多声路时差式超声波流量计在低水头电站中流量测量的精度，那么在安装低水头电站的时候需要选择交叉8声路的方式。
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3、超声波换能器的定位
由于大部分低水头电站水轮机组进水流道的结构都比较复杂，所以工作人员通常都会采用激光经纬仪以确定换能器的具体角度位置。利用激光经纬仪确定了换能器的角度位置之后还需要根据相应的公式找到每一台水轮机管道上的换能器的理论安装高程，为了保证换能器最终的角度位置的精确度，安装换能器的时候就必须结合其理论安装高程。
工作人员安装换能器结束之后还需要将所有计算参数交给专业的工作人员进行反复多次的测量，这不仅能够保证在实际的流量测量过程中测量数据的准确性，而且还可以有效的提高测量数据的精度。
4、低水头电站流量测量系统的结构
目前我国大部分已经建好的低水头电站的每台水轮机组基本上都是设置的2条进水流道，而且还会在所有水轮机组的两条流道上都安装一套超声波流量测量系统，在每一条流道上都安装一个超声波流量测量系统不仅可以提高水轮机组运行过程中流量测量结果的准确性，而且还可以有效的提高流量测量结果的可靠性，最后还需要将2条进水流道上的超声波流量测量系统测得的流量值进行求和处理，2台流量测量系统测得的总流量值便是每台水轮机组运行过程的实际进水量。
5、机组运行后流量测量及效率试验
待换能器和换能器电缆都安装结束之后就可以对换能器进行无水调试，调试结束后再向水轮机组内的流道内注入水，注水的同时还需要向流量计的主机输入测量的参数，然后再对流量计主机进行调试，调试结束后才可以进行单机流量测试，在进行单机流量测试的同时不仅要进行流量试验，而且还需要进行效率试验，以保证流量测量结果的精确。
只有在水轮机组在各个工作状态中稳定运行一段时间过后，才能开始观察流量数据，当观察到的流量数据也处于稳定的状态，才可以开始记录数据。
大量的实验结果表明：水轮机组在各个工作状态下的声路流速不仅都是处于比较稳定的状态，而且各层的声路流速也都满足水力学原理，最主要的是多声路时差式超声波流量计测得的低水头电站中的水轮机组在各个工作状态的流量数据比较平稳。
结束语：
实际上多声路时差式超声波流量计也可以在低水头电站中对水轮机组的流量进行监测。在低水头电站中采用多声路时差式超声波流量计测量水轮机组的流量不仅可以帮助流态迅速的适应各种不同类型的流道结构，而且也不会对水轮机组进口的流态造成任何的影响。
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论文作者:吕尹
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第04期
论文发表时间:2019/7/15
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