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三峡工程超声流量计的测量准确度评估
更新时间:2010-10-08   点击次数:3191次

水资源是人类赖以生存所必须的物质资源。随着水资源的性匮乏,节约和合理利用成为必须,而水量的计量就成为合理利用的重要评估手段。以三峡工程和南水北调工程为标志,一批关系国计民生的大型水利工程和引水调水工程在我国迅速发展,由于这些工程中的流量过流断面尺寸巨大,常规流量计无法适用。

  近年来开发应用的多声路超声流量计,较好地解决了大口径水流量测量的技术难题,流量计制造不受管道口径的限制,多声路配置可以2010 年全国流量测量学术交流会论文集适应较为复杂的流道结构和流态分布,还可在已有管道上现场安装,因此超声流量计已成为大口径水流量测量的*技术选择。

  三峡工程是世界上zui大的水利枢纽工程,总装机容量2250 万千瓦,设计年发电量847亿度。水轮机效率是水电站的重要技术指标,对电站的经济运行具有重要意义,如果水轮机效率下降2%,每年将少发15 亿度电,数量十分可观,因此水轮机机组效率评价及*工作点调整就非常重要,而发电流量是其中zui重要的测量参数。三峡电站右岸共装配12 台700MW 水轮发电机组,引水压力钢管直径为12.4m,水轮机额定流量为970m3/s,zui大流量为1020 m3/s,压力钢管内水流平均流速范围为(0~8.5)m/s。

  综合考虑安装难度、测量准确度、价格等因素,三峡电站选择在右岸三台机组上利用超声流量计来测量其发电流量,受限于现场条件,只能将流量计安装在压力钢管的末端,如图1 所示。

图1 三峡电站水轮机流道示意图
 

  三峡电站三台超声流量计来自三个不同的厂家,均采用时差法测量原理,但各厂家给出的流量测量准确度从0.3% 到1%,相差甚远。对于三峡工程这种超大口径的超声流量计,根本无法用实流标定的方法进行准确度评估,而由于超声流量计发展时间较短,目前也没有*的非实流校准方法。

  因此,对于生产厂家声称的技术指标,计量技术机构缺乏必要的验证手段,进而使得三峡电站无法开展水轮机机组效率评价工作。于是三峡总公司直接向质检总局寻求,在此背景下中国计量科学研究院接受总局任务,在研究超声流量计非实流校准方法的基础上,实现三峡工程超声流量计的准确度评估。

  由超声流量计的基本原理可知,声路速度测量的准确度直接依赖于时间量和几何量测量的准确度,而流量加权积分的准确度则依赖于流场的扰动情况。与之相应地,三峡流量计的准确度评估包含三个因素的影响量:几何测量、时间测量和流场扰动。几何测量方面,研究了流量计几何参数(半径、声路长度、声路角度)的准确度影响因素,利用全站仪重新测量了三峡流量计管段的几何尺寸,并从坐标测量仪器本身、管段拟合方法、介质温度压力变化等方面分析了测量结果的不确定度;时间测量方面,设计了标准声速距装置,能够对超声探头的系统延时进行离线测量,另外在三峡现场依据流量计的零点流量不一致性,以及流量计2010 年全国流量测量学术交流会论文集厂家宣称的计时分辨力,对流量计时间测量的准确度进行了分析与评估。流场扰动影响是三峡流量计准确度评估的zui重要的内容,也是本文要重点介绍的工作。

  IEC41 规程及PTC18 规程中均对超声流量计的安装条件进行了规范,对于双面8 声路流量计,上游至少有10D 的直管段长度,下游至少有3D 的直管段长度;流量计采用双声路面的布置形式,是为了补偿横向流动带来的干扰,实际上在20D 的直管段下游流速分布将更加均匀,采用单面4 声路流量计即可有一个满意的结果。三峡工程中超声流量计上游紧邻弯管,下游即为水轮机组,前后几乎没有直管段,*不满足规程规定的安装条件。在这种条件下,三峡流量计采用了双面18 声路交叉的布置形式,这已经是目前实际应用中声路数zui多的情况,尽管理论上可以适应非常复杂的流场条件,但由于三峡流量计的准确度度事关巨大的经济效益,流场扰动带来的影响仍需仔细的评估,本文利用实验和数值模拟两种手段分析了流场扰动对流量计的影响。

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