1. 前言：需要高精度的流量测量

在水电站，试验和评估水轮发电机性能的关键在于获得精确的流量（机组流量）。流量、水头、电能功率输出是关键参数，必须知道彼此之间的关系，以确定实际的机组功率输出与流量和单台机组或整个电站输出的效率特征之间的关系。

应用于水电领域的各种流量测量技术在本世纪得到了发展和完善，这其中包括绝对和相对两大类流量测量方法。它们被用于机组交接验收试验、优化运行、设备改造评估和电站检修计划。描述真机性能可以提供为实现上述目的所需的必要信息，同时也可用来判断新资金投资是否合理以及改造设备的性能是否得到提高。

在机组性能测试过程中，要求高精度，以获得可重复性结果，（至少）在单台机组试验过程中结果要一致。为证明机组的绝对效率满足新机组或机组改造合同规定的交接验收标准，典型地要求高精度的机组流量数据，这些数据要精度高、误差低。为了适应最大化水电厂输出和有效使用水资源的需要，近十年来对高精度的流量测量和机组的绝对效率的更多要求在稳步增长。

机组现场试验和性能评估中广泛采用的流量测量方法包括压力-时间法、盐水速度（浓度）法、染色-稀释法、面积-流速测量（流速仪阵列）和超声波时差法（Gulliver and Arndt 参考1.）。大多数方法已在有压力钢管的水电站或有其它好的、流态分布相对均匀的输水结构的电站中得到应用。这些环境条件也很好地代表了水轮机模型试验条件，从而提高了从模型机的性能来估计真机性能的认识。

这些技术已经提炼为水轮机试验规程中严格规定的方法，并被美国机械工程师协会（American Scoiety of Mechanical Engineers）（ASME，参考2.）和国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）（IEC，参考3.） 使用。水轮机制造商提供的性能保证通常要用这些规程中认可的流量测量方法来验证。

由于低水头电站的进水口和水轮机入口之间的直管段短，因此要获得精确流量的测量方法受到很大限制。典型的低水头电站中，每台水轮机入口使用多个进水流道，每个流道的长度短且形状不规则，这使得流态更加不均匀，而且水流条件多变，这样通常不再适合用规程中规定的测量方法来测量。相邻机组的运行可能会造成这台机组更大的流量变化，这使我们很难确定机组流量和闸门开度之间的关系。

由于相当数量的世界级大型水电站都属于低水头类型，因此在这种条件下研究、开发全新的或改进的测量方法以获得相对精确的流量测量方法变得非常重要。这将使电站优化运行和有限水资源管理所需的水电性能评估更有意义。有更好的机组性能评估手段，有助于在分配资金资源以实现更大的发电效率作出决策——手中有机组的真实数据，是改造还是检修这个问题很容易下结论。 这种信息不容易从水轮机模型试验或数字计算机仿真中推导出来的。在实际的现场条件下进行精确的机组流量和效率测量才是关键。

2. 低水头机组流量测量方法

低水头电站入口复杂的、不均匀的水力学条件阻碍了传统流量测量技术的直接应用， 因为传统的流量测量技术基于好的和有长直管段的流态条件下开发的。这种短而渐变收缩的进水口流道结构会引起涡流、横向轴流分量以及在垂向和水平方向的流态分布产生明显的畸变。由于有拦污栅、鱼群改道屏或其他突出结构的存在而使条件更复杂化，有可能存在巨大的涡流、流体的分离和潜在的回流现象。从而导致不同电厂之间的流体特征缺少更多的一致性。以致于在特定的电站开发的技术和获取的经验不能直接应用于一些其他的低水头电站，如果不仔细考虑潜在独特的条件并适当修改流量测量程序的话。

由于以上因素的存在，在低水头电站，最高可达到的机组流量测量精度和可重复性低于压力管道流量测量精度的2 到 3 倍。直到最近，在低水头电站进行绝对流量和效率测量的技术几乎都是基于面积-流速法，包括定点安装的或进水口-横向移动的流速仪矩阵。螺旋桨式流速仪， 即在相关的规程——该规程适用于有压力钢管的机组试验——中规定那种流速仪，通常在机组的现场试验程序中被使用；然而，也有使用其他流速传感器的例子。(例如，见Voight and Gulliver，参考4.)。

在低水头电站进水口进行流量测量所需要的流速仪（即点流速取样）的数量通常是有压钢管测量所需要的2~3倍（Levesque，参考5.）。这样，测流仪器本身可能会对流态产生明显的干扰，这样在测流量和机组导叶开度之间关系时增加了不确定性(测量误差)。此外，可横向移动的流速仪矩阵，在沿着入口流态分布移到不同的位置时，要求在一个完整的进水口流量测量循环过程中要有固定、稳态的水流条件。

相对流测量，基于水轮机涡壳上的压力测孔间（即Winter-Kennedy taps）或收缩的水轮机进口压力测孔间的压力差，通常被用来作为机组指标试验。对于这些例子，不能获得机组的绝对流量，性能试验数据可作为相对于机组峰值效率的一个指标。尽管指标试验可以提供了机组效率曲线的形状以及对应峰值效率的导叶开度。但它不能明确机组的绝对效率（即功率输出与实际的机组流量的关系），也不能用来确定实际机组与机组间在（功率）输出效率方面的差异（Voight and Gulliver，参考4.）。与前面讨论的绝对法测流技术一样，通过这种压差方法而测量到的相对流量数据，也会受到机组进口不规则水流条件的不利影响，从而导致机组指标试验结果的精度降低。

多声路，超声波时差测流方法，为在低水头电站中常见的复杂多变的水力条件下获得有价值的机组流量和效率数据提供了一种手段。在低水头电站，用多声路超声波时差法技术测得的流量和效率结果与布置在多个流道入口的流速仪矩阵所测得的结果是相吻合的。这种方法以及在某实际试验现场获得的结果总结将在本文后面的章节进行描述。

两种测量方法获得的结果非常吻合和一致表明，超声波测流法是在低水头电站进行机组性能试验和评估的一种非常有价值的工具。此外，除测量机组的绝对流量以确定效率外，该方法对进水口流速分布特性方面提供了详尽的信息，包括横流（非轴向）分量的幅度、沿进水口的垂向流态分布、随时间变化的流动特性和流道之间的流量差异。

这些信息对认识入口水流条件变化导致机组性能降低、对流道前和流道入口的水力结构作适当的修改设计、在全厂运行方面评估可能的改进是非常有用的。

超声波法（测量低水头电站进水口和压力钢管的机组流量）的明显优势在于，它是唯一可行的在电厂正常运行条件下可连续在线监视机组流量的绝对流量测技术。这就提供了一个有价值的能力，在总电站水头和流体条件变化宽的范围内形成机组性能档案资料和评估，以及在多机组水电站，优化机组工况和负荷分配以达到最大的发电效率。

3. 低水头电站的流量模式和超声波声路配置

在机组进水口具有多个流道的低水头水电站，流道与流道之间的流场是变化。图1列举在对一台具有3个流道的机组测试时发现的某些相当典型的流量比例关系，用简单的饼图来表示每个流道的流量相对于机组总流量中所占的比例。流道A占机组总流量的38%，它比总流量平均三等分后的流量大约多5%，流道C大约少4%。流道A与流道C相比较，从流道A通过的流量比从流道C通过的流量多出31%。

进水口流道与水轮机蜗壳的布置可参考图3，从该图中可以看到，流道A有更多的通道直接通向水轮机进口。

如果前池拦污栅没有定期清理堆积有漂浮物，那么进口的流态分布会随着时间的推移发生变化。其他的影响可能还来自鱼群改道屏障，诸如太平洋西北地区，每当鱼群向下游迁徙期来临时会增设鱼群改道屏障。冬季其间，当拦污栅上结冰时也会使通过进水流道的流态发生较大变化。在多机组的低水头电站，相邻机组的运行也会对进水口各流道的整个流态产生明显的影响。为跟随日发电的要求而变化机组的导叶开度或为适应变化的河道水流条件而进行的机组闸门开度调节也会对之产生影响。

所有这些对进水口流态分布产生的干扰同样也会影响通过进水流道内三维流场的特性。这种高度不一致的进口流态模式是由一系列的因素组合而导致的，它不仅直接影响了进水口的流量测量，而且也会对水轮机的运行性能产生影响（Fisher and Franke，参考6.）。这种流态的不一致性也会对水轮机进口或涡壳测得的压差结果产生不利影响，并导致用于指标试验的机组相对流量产生误差。（Nguyen，et.al.，参考7.）。

即使测量现场具备良好的测流条件而且流态分布均匀，但进口测量流道的不对称会导致非轴向流速的产生，这将使流量测量的手段复杂化。锥形的前池和进水流道会产生垂直于轴向的流速场，有大的水平和/或垂向分量，并增加了流场流线的不对称特征。收缩渐变的断面结构将加速和改变流速矢量，它为沿流道的三维位置的函数，的方向。非流线型的突出或障碍而产生的漩涡和水流分离，甚至可能导致在进口流速分布里有逆流的区域。

当用流速仪来采样流速分布时，流场中有明显的非轴流分量，可能会导致相当大的误差。典型地用于流量测量的旋桨式流速仪阵列（规程中指定的）已不适合准确解决存在大的非轴向分量的轴向流，在存在逆流的情况下，没有特殊的措施来指示正向流速。

选择超声波-声路布置和采用交叉断面声阵列是明智的，多声路超声波时差测量方法可用于许多这些复杂/困难的水力条件下进行在线流量测量并保持合理的精度和可重复性。因为超声波时差测量可以测得沿声路方向的空间平均线流速，分布在整个流道测量断面上的多个声路，可以用来采样横跨流态分布的各个高程处的平均流速。将测得的流速对相应的过流断面面积进行数字积分即可推出通过整个断面的流量。将流量计所测得的通过进水口各个流道的流量进行求和即可得到机组总流量。