三峡机组多声路超声波流量计实流校准数据分析及探讨

  0 引言

    随着竞价上网、节能减排等多项政策的实施，国内水电厂对水电机组的实时效率、耗水率等指标越来越重视，多声路超声波流量计在水电机组过机流量测量中的运用也越来越广泛。当前确认多声路超声波流量计精度的一般做法是，厂家按照系统误差理论，通过分析换能器的出厂精度[1]、换能器现场安装精度、积分算法等的误差，得到多声路超声波流量计的综合精度。这种方法具有一定的理论基础，但由于该方法没有对多声路超声波流量计测量的实际数据进行分析，没有得到各方的广泛认可。如何对大型水电机组多声路超声波流量计进行实流数据分析，以校核其精度是大家比较关注和迫切需要解决的问题。

    三峡右岸电站选择安装了3套不同厂家的多声路超声波流量计[2]。本文以某台机组的变负荷试验实测数据为样本，对其数据处理方法进行探讨，希望能为多声路超声波流量计实流精度校核提供一种思路。该机组的水轮机额定出力710MW，发电机额定容量777.8MV·A，蜗壳进口直径12.4m。所安装的超声波流量计数据每秒刷新1次。

    1 实流数据及样本数据

    1.1 原始数据

    为对超声波流量计的实测数据进行分析，已进行过两次针对性的变负荷试验。第1次，2008年11月21日15：30～18：50，试验时的毛水头约107m，净水头约104m；第2次，2009年3月3日10：00～12：50，试验时的毛水头约99m，净水头约97m。

    两次试验的原始数据分别如图1（为了曲线对比方便，图中导叶开度数据是实际值的10倍，下同）和图2所示。

    从图1、2的图形看，实测流量、有功功率和导叶开度的趋势基本吻合，只是在工况急剧变化过程时流量稍有滞后。这是因为，为了削弱随机误差，超声波流量计在数据处理时进行了加窗平滑处理，降低了流量计的实时响应能力。

    1.2 样本数据

    由于机组变负荷暂态过程复杂，对变负荷试验暂态过程的流量数据进行分析没有意义。本文以导叶的平稳性作为稳态过程标志对考核样本数据进行提取，两次试验分别提取19个和21个稳态工况时段，其样本数据分别见图3、图4。

    2 样本数据分析

    2.1 精密度分析

    2.1.1 流量重复性

    重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量物理量进行连续多次测量所得结果之间的一致性[3]。对于超声波流量计其计算公式为[4]

    式中，e_i为第i次测量的重复性；q_i为过机流量的真实值，在实际应用中用第i次测量的算术平均值代替；n为第i次测量的样本数量；q_ij为第i次第j个样本的流量计显示值。

    比较误差理论中标准误差的定义，ei实际上是标准误差与测量值算术平均值的比值，因此重复性能够一定程度地反映流量计的精密度。流量重复性计算结果参见表1和表2。

    2.1.2 流量重复性与有功、导叶开度重复性的比较

    按照式（1）计算的ei，要求第i次测量的是同*量值，事实上，即使是稳态工况，流量也是不断变化的。为了客观地反映流量测量精密度，本文对比了流量与有功、导叶开度的重复性，具体数据参见表1和表2。

    2.2 真机试验与模型试验的效率分析

    模型试验的流量测量是采用精度为0.2%的电磁流量计进行的，通过比较模型试验提供的运转特性曲线中的水轮机效率和真机试验测量得到的水轮机效率，可以在一定程度上反映真机所用超声波流量计的测量精度。真机试验与模型试验的效率比较参见图5和图6（水轮机效率是通过查曲线得到的，可能有读数误差）。

    2.3 数据分析结果

    综合表1、2，可以看出流量计的重复性较好，其趋势与出力、导叶开度比较吻合。表2中第7个工况点的重复性相对较差，一方面，此时的出力是419MW，属于机组的限制运行范围区，水力振动较大；另一方面，为了不对机组造成伤害，试验时进入该运行范围区后，要求机组尽快摆脱该区域，导叶调整相对较频繁。综合图5、6，可以看出，水轮机计算效率和查表值在出力420～680MW运行区域比较接近，在大于680MW运行区域有一定的偏差。

    3 讨论

    3.1 其他机组工况参数的影响

    为了进行水轮机效率的计算，除了过机流量以外，还需机组的有功、无功（用于计算发电机功率因素和查表得到发电机效率）和水头参数。机组的有功和无功采用模拟量输入或者通讯方式从计算机监控系统接入即可。对于机组水头，目前水电厂水力量测系统一般只包含了上、下游的水位测量，得到的是机组毛水头。在进行水轮机的效率计算时，需要的是净水头，即

    式中，Z₂，P₂，A2分别表示涡壳进口中心高程、涡壳进口压力、涡壳进口面积；Z₁，P₁，A₁分别表示尾水管出口中心高程、尾水管出口压力、尾水管出口面积；Q表示过机流量；ρ为水的密度；g为重力加速度。

    公式（2）中蜗壳进口中心高程、尾水管出口中心高程、蜗壳进口面积、尾水管出口面积对于一个特定机组，其值为常数。本文讨论的两次试验的净水头均引自机组在线监测系统，其流量是蜗壳差压测量得到的，可能会给净水头的计算带来一些误差。

    3.2 考核工况的选取

    水电机组暂态过程流态非常复杂，即使在水轮机模型试验中，也不对暂态过程的流量和效率进行考核。考察多声路超声波流量计暂态过程的测量数据，经常会得到不合常理的结果，也没有实际意义。因此在对多声路超声波流量计的实流精度校核时，不针对暂态工况，只选择稳态工况。

    3.3 多声路超声波流量计需要增加的功能

    为及时得到实测数据的分析结果，建议在多声路超声波流量计系统内部建立通过分析导叶开度变化率或者压力钢管内的压力变化率来建立自动识别机组暂态/稳态过程的机制。试验时，启动自动识别机制即可对测量数据进行自动分类。

    另外，为方便对比多声路超声波流量测量系统实测的数据与水轮机运转特性曲线的数据，多声路超声波流量计应能根据各工况参数自动绘制水轮机实际运转特性曲线，在进行多声路超声波流量计zui终验收时，能方便地对比曲线之间的误差。

    3.4 本方法的适用范围

    精密度是对随机误差的描述，它反映随机误差对测量精度的影响程度[5]。本文对流量计测量数据的精密度进行了分析，分析结果表明，超声波流量计测量数据的随机误差很小。

    本文讨论的效率对比方法，以运转特性曲线中的水轮机效率作为参考值，该数值是在对水轮机模型试验计算得到的模型水轮机的效率进行转换得到的，这种转换有一定的理论基础，但也会带来误差。

    事实上，水电厂安装超声波流量计的目的之一就是测量水轮机的效率，以校核水轮机效率保证值（通过模型试验得到的）是否满足合同要求。因此，这种基于效率对比的方法不能作为定量分析超声波流量计精度的手段。

    另一方面，考虑到水轮机模型试验和水轮机真机试验从时间和地域两个角度来说是两个*独立的系统，而且两个试验采用的测流原理不同，一个是电磁流量计，一个是超声波流量计，如果两个试验测量得到的数据相差很小，可以认为两个试验的结果均在一定的误差范围之内。因此，该方法可以作为定性分析超声波流量计测量精度的手段。

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