水資源是人類賴以生存所必須的物質(zhì)資源。隨著水資源的性匱乏，節(jié)約和合理利用成為必須，而水量的計(jì)量就成為合理利用的重要評(píng)估手段。以三峽工程和南水北調(diào)工程為標(biāo)志，一批關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大型水利工程和引水調(diào)水工程在我國(guó)迅速發(fā)展，由于這些工程中的流量過流斷面尺寸巨大，常規(guī)流量計(jì)無法適用。
近年來開發(fā)應(yīng)用的多聲路超聲流量計(jì)，較好地解決了大口徑水流量測(cè)量的技術(shù)難題，流量計(jì)制造不受管道口徑的限制，多聲路配置可以2010 年全國(guó)流量測(cè)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集適應(yīng)較為復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)和流態(tài)分布，還可在已有管道上現(xiàn)場(chǎng)安裝，因此超聲流量計(jì)已成為大口徑水流量測(cè)量的*技術(shù)選擇。
三峽工程是世界上zui大的水利樞紐工程，總裝機(jī)容量2250 萬千瓦，設(shè)計(jì)年發(fā)電量847億度。水輪機(jī)效率是水電站的重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義，如果水輪機(jī)效率下降2%，每年將少發(fā)15 億度電，數(shù)量十分可觀，因此水輪機(jī)機(jī)組效率評(píng)價(jià)及*工作點(diǎn)調(diào)整就非常重要，而發(fā)電流量是其中zui重要的測(cè)量參數(shù)。三峽電站右岸共裝配12 臺(tái)700MW 水輪發(fā)電機(jī)組，引水壓力鋼管直徑為12.4m，水輪機(jī)額定流量為970m3/s，zui大流量為1020 m3/s，壓力鋼管內(nèi)水流平均流速范圍為（0~8.5）m/s。
綜合考慮安裝難度、測(cè)量準(zhǔn)確度、價(jià)格等因素，三峽電站選擇在右岸三臺(tái)機(jī)組上利用超聲流量計(jì)來測(cè)量其發(fā)電流量，受限于現(xiàn)場(chǎng)條件，只能將流量計(jì)安裝在壓力鋼管的末端，如圖1 所示。
圖1 三峽電站水輪機(jī)流道示意圖
三峽電站三臺(tái)超聲流量計(jì)來自三個(gè)不同的廠家，均采用時(shí)差法測(cè)量原理，但各廠家給出的流量測(cè)量準(zhǔn)確度從0.3% 到1%，相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于三峽工程這種超大口徑的超聲流量計(jì)，根本無法用實(shí)流標(biāo)定的方法進(jìn)行準(zhǔn)確度評(píng)估，而由于超聲流量計(jì)發(fā)展時(shí)間較短，目前也沒有*的非實(shí)流校準(zhǔn)方法。
因此，對(duì)于生產(chǎn)廠家聲稱的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)缺乏必要的驗(yàn)證手段，進(jìn)而使得三峽電站無法開展水輪機(jī)機(jī)組效率評(píng)價(jià)工作。于是三峽總公司直接向質(zhì)檢總局尋求，在此背景下中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院接受總局任務(wù)，在研究超聲流量計(jì)非實(shí)流校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三峽工程超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確度評(píng)估。
由超聲流量計(jì)的基本原理可知，聲路速度測(cè)量的準(zhǔn)確度直接依賴于時(shí)間量和幾何量測(cè)量的準(zhǔn)確度，而流量加權(quán)積分的準(zhǔn)確度則依賴于流場(chǎng)的擾動(dòng)情況。與之相應(yīng)地，三峽流量計(jì)的準(zhǔn)確度評(píng)估包含三個(gè)因素的影響量：幾何測(cè)量、時(shí)間測(cè)量和流場(chǎng)擾動(dòng)。幾何測(cè)量方面，研究了流量計(jì)幾何參數(shù)（半徑、聲路長(zhǎng)度、聲路角度）的準(zhǔn)確度影響因素，利用全站儀重新測(cè)量了三峽流量計(jì)管段的幾何尺寸，并從坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器本身、管段擬合方法、介質(zhì)溫度壓力變化等方面分析了測(cè)量結(jié)果的不確定度；時(shí)間測(cè)量方面，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)聲速距裝置，能夠?qū)Τ曁筋^的系統(tǒng)延時(shí)進(jìn)行離線測(cè)量，另外在三峽現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)流量計(jì)的零點(diǎn)流量不一致性，以及流量計(jì)2010 年全國(guó)流量測(cè)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集廠家宣稱的計(jì)時(shí)分辨力，對(duì)流量計(jì)時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確度進(jìn)行了分析與評(píng)估。流場(chǎng)擾動(dòng)影響是三峽流量計(jì)準(zhǔn)確度評(píng)估的zui重要的內(nèi)容，也是本文要重點(diǎn)介紹的工作。
IEC41 規(guī)程及PTC18 規(guī)程中均對(duì)超聲流量計(jì)的安裝條件進(jìn)行了規(guī)范，對(duì)于雙面8 聲路流量計(jì)，上游至少有10D 的直管段長(zhǎng)度，下游至少有3D 的直管段長(zhǎng)度；流量計(jì)采用雙聲路面的布置形式，是為了補(bǔ)償橫向流動(dòng)帶來的干擾，實(shí)際上在20D 的直管段下游流速分布將更加均勻，采用單面4 聲路流量計(jì)即可有一個(gè)滿意的結(jié)果。三峽工程中超聲流量計(jì)上游緊鄰彎管，下游即為水輪機(jī)組，前后幾乎沒有直管段，*不滿足規(guī)程規(guī)定的安裝條件。在這種條件下，三峽流量計(jì)采用了雙面18 聲路交叉的布置形式，這已經(jīng)是目前實(shí)際應(yīng)用中聲路數(shù)zui多的情況，盡管理論上可以適應(yīng)非常復(fù)雜的流場(chǎng)條件，但由于三峽流量計(jì)的準(zhǔn)確度度事關(guān)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，流場(chǎng)擾動(dòng)帶來的影響仍需仔細(xì)的評(píng)估，本文利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種手段分析了流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)流量計(jì)的影響。
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