蝸殼壓差法是評價水輪機的能量特性的方法之一。如何評價水輪機的能量特性，長期以來一直是水機界的一項重要研究工作，在已運行的機組中，有的由於設計選型不合理或在製造安裝中存在著缺陷和遺留問題，使得水輪機的效率不高。特別是有的機組由於長期處在低效率區或在低水頭下運行，嚴重影響著機組效率的發揮，同時還造成嚴重的振動和空蝕破壞。
基本介紹
- 中文名：蝸殼壓差法
- 外文名：The volute pressure difference method
- 學科：水利工程
- 領域：工程技術
- 釋義：評價水輪機的能量特性的方法之一
- 用於：評價水輪機的能量
簡介,蝸殼壓差法的原理,問題的提出,解決問題的對策,實際套用,
簡介
如何評價水輪機的能量特性，長期以來一直是水機界的一項重要研究工作，在已運行的機組中，有的由於設計選型不合理或在製造安裝中存在著缺陷和遺留問題，使得水輪機的效率不高。特別是有的機組由於長期處在低效率區或在低水頭下運行，嚴重影響著機組效率的發揮，同時還造成嚴重的振動和空蝕破壞。因此需要摸清現有機組在運行中的實際效率狀況，探討和解決運行工況對水輪機效率的影響。為了充分利用水利資源，提高水力發電廠的經濟效益，實現水力機組及整個電網的經濟運行，需要在水電廠現場進行水力機組的效率試驗，實測出水力機組及整個水電廠的能量特性，使得各個水電廠效率試驗的成果成為整個電網最佳化運行的可靠技術依據，並指導水電廠的經濟運行。
適用於現場測試的方法有很多，其中則以流速儀法、蝸殼壓差法、超音波法最為常用，而流速儀法需要停機後在流道中安裝流速儀，試驗工作量相當大；超音波法也受一定的安裝條件的限制，且一套測試裝置價格昂貴；唯有蝸殼壓差法最為簡單可行，這是最為常用的一種流量測量方法。如果某機組通過其它方法得出了其蝸殼流量係數值，則利用蝸殼壓差法可以很方便地計算出其過機流量，從而計算出其效率和耗水率；即便是不知其蝸殼流量係數值，也可以利用蝸殼壓差法很方便地得出其過機相對流量，相對效率，尤其是對軸流轉漿式機組而言，可以進行協聯關係的調整，使機組處於最佳運行狀態，達到安全、經濟運行。
蝸殼壓差法的原理
1.測流原理
具有一定流速的水流流經蝸殼時，由於蝸殼中心線彎曲，水流在彎曲流道上產生離心力，使得蝸殼內、外緣2點產生壓力差，該壓力差的大小與水流流速有關。對於截面積已成為定值的蝸殼某截面來說，平均流速大小正比於流經該截面的流量，因此蝸殼內、外緣的壓力差(差壓值) 就可以反映流過水輪機的流量相對值。
流量與蝸殼差壓的算術平方根成正比。對於不同的機組蝸殼或同一蝸殼不同的測壓孔而言，蝸殼流量係數是不同的常數。對於同1台機組同2根測壓管，只要取壓狀態不改變，可以用差壓變送器測取。
2.測壓斷面及測壓孔的選取
差壓測取首先必須使高壓取壓孔中心與幾個低壓孔中心在同一測壓斷面內，這個測壓斷面是過水輪機中心的蝸殼橫截面；其次，是該橫截面應選在蝸殼水流發生旋轉的地方。
3.穩壓措施
因被測壓力一般都有波動，得到準確的讀數比較困難，為減少或消除這種波動的穩壓措施就是在傳遞壓力系統上增加阻尼。對這種阻尼的要求是對稱的線性阻尼。
最常見的穩壓措施有：
(1) 節流穩壓
穩壓設備常常利用現有的閥門，即用測壓管路上或差壓計上的閥門，通過關小閥門形成節流來達到穩壓的效果。用這種方法進行穩壓時，要求適當控制節流的程度，往往不易準確掌握，在實際測試中套用較少；
(2) 專用的穩壓裝置(穩壓筒)
用穩壓筒進行穩壓可以達到良好的效果，但需要正確設計穩壓筒。穩壓筒也分2種，即節流式穩壓筒及空氣阻尼式穩壓筒。實際測試中常用的是空氣阻尼式穩壓筒，即利用筒內一段壓縮空氣的彈性產生阻尼將壓力的波動化解，測得的是平均壓力。實用結果表明，其穩壓效果較好。
問題的提出
蝸殼壓差法雖然簡單，但在實際測試過程中(尤其是在線上監測中)也暴露出了幾個問題：
1.壓力的穩定
這就需要在試驗前專門製作2個穩壓筒，費時費力；而且該穩壓筒還占一定的位置，這對有些水機層空間本來就比較狹窄的電廠來講，在布置上就有困難。
2.排氣
蝸殼壓差法使用的關鍵設備是差壓變送器，而差壓變送器在使用過程中其管道里是不能有空氣的。如果僅僅是做流量或效率測量試驗，就需在每次試驗之前進行排氣；而如果是進行機組流量或效率的線上檢測，則會給運行人員增添不少工作。尤其是水電廠因其本身的特性所決定，經常進行工況的轉換，開機、停機較為頻繁。每次停機後(尤其是在檢修後) ，測壓管道中就會混有空氣或泥渣，如果不排氣，則檢測數據的誤差是相當大的。現在國內有不少水電廠的運行實現了計算機監控，基本上是無人值班(少人值守) ，如果其流量或效率檢測裝置還經常需要人工來維護，這顯然是不合適的。據我們所了解，國內許多水電廠安裝有流量或效率測量裝置，如採用的是蝸殼壓差法，則這套系統大都沒有正常地投入運行。
解決問題的對策
1.穩定壓力
從以下2個途徑來解決這個問題：
(1) 設計1個專用的阻尼器(取代穩壓筒)。這是壓力穩定的關鍵。利用節流穩壓的機理，直接在差壓變送器的高、低壓側進水管路上增設2個專用的阻尼器 (具體尺寸依實際測試條件而定)。
(2) 軟體濾波。採用在一段時間內，多次採樣，取平均值，遇到突變值則復位重來。
2.自動排氣
蝸殼差壓變送器在測試過程中，其取壓管道中是不能混入空氣的，結合水電機組的運行機制，設計了一種自動排氣裝置，一旦監控系統(繼電器) 發出開機令，即通過2組電磁閥分別打開差壓變送器的高、低壓側的排氣閥，排出的水通過專用的管道，流入集水井，一般排氣20～30min後，自動關閉排氣閥。自動排氣後，應注意差壓變送器測量系統的率定校準，以便保證差壓值的精度。
實際套用
針對提出的問題以及解決問題的途徑，2001年2月對湖北省黃龍灘水力發電廠2號機組計算機監控系統中的流量效率監測部分進行了初步的改造，並達到了預想的效果：蝸殼壓差的波動大大減小，差壓變送器的排氣已完全自動化，不需人工干預。
