三峽電廠超聲流量計(jì)幾何參數(shù)的測(cè)量與分析*

高 峰 胡鶴鳴 孟 濤 張 亮

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

三峽電站為了測(cè)量引水壓力管道中的流量來(lái)計(jì)算發(fā)電機(jī)組的效率，安裝了多臺(tái)超大口徑的多聲道超聲流量計(jì)，其測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義。超聲流量計(jì)是利用超聲波在流體中傳播時(shí)其傳播速度受到流體流速的影響，通過(guò)測(cè)量超聲波在流體中正向和逆向傳播的時(shí)間差來(lái)檢測(cè)出流體的流速進(jìn)而換算流量，其幾何參數(shù)是流量計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在流量計(jì)出廠時(shí)需要精確測(cè)量并置入流量計(jì)的二次儀表中。國(guó)際相關(guān)規(guī)程IEC41[1]和PTC18[2]中明確指出，超聲波流量計(jì)換能器的布置位置和幾何參數(shù)是影響流量計(jì)測(cè)量精度的重要因素。為了確認(rèn)三峽電站流量計(jì)真實(shí)的準(zhǔn)確度水平，對(duì)其實(shí)施了完整的幾何量、時(shí)間量、積分模型以及復(fù)雜流場(chǎng)影響的非實(shí)流校準(zhǔn)過(guò)程，其中幾何參數(shù)測(cè)量是重要的工作內(nèi)容。

1 測(cè)量方法

1.1 待測(cè)參數(shù)及測(cè)量方法

三峽電站流量計(jì)典型的聲道布置為雙面9聲道配置，如圖1所示(AU為聲路A上游，AD為聲路A下游；BU為聲路B下游,BD為聲路B上游)。待測(cè)的幾何參數(shù)包括：管段半徑R、聲道長(zhǎng)度Li(一對(duì)換能器之間的距離)、聲道角φi(聲道與流動(dòng)方向之間的銳角夾角)、聲道高度di(聲道與管道軸線之間的空間距離)，其中i代表的是不同聲道。

圖1 多聲道流量計(jì)聲道布置示意圖

傳統(tǒng)方法中，對(duì)于超大口徑流量計(jì)，采用鋼卷尺+經(jīng)緯儀法，利用鋼卷尺測(cè)量聲道長(zhǎng)度，用經(jīng)緯儀測(cè)量聲道角。利用兩者結(jié)合來(lái)測(cè)管段直徑，其中經(jīng)緯儀用來(lái)確定管壁上的測(cè)點(diǎn)位置，一般測(cè)量?jī)蓚€(gè)截面，每個(gè)截面等間距測(cè)量若干個(gè)直徑并取其平均值。這些傳統(tǒng)方法長(zhǎng)度和角度測(cè)量相分離，分別引入不確定度，帶來(lái)較大測(cè)量誤差，只能測(cè)量若干尺寸和角度，不能對(duì)測(cè)量管段及探頭的幾何形態(tài)給出完整描述，特別是無(wú)法實(shí)測(cè)聲道高度等參數(shù)，其測(cè)量水平制約了高準(zhǔn)確度超聲流量計(jì)的使用。

建立了基于徠卡(Leica)TCRM1201+R400全站儀的幾何參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[3]，全站儀用三腳架固定于流量計(jì)管道內(nèi)部，直接測(cè)量流量計(jì)管壁點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)擬合管段半徑與軸線，并結(jié)合探頭點(diǎn)坐標(biāo)值推算所有的幾何參數(shù)，大大提升了流量計(jì)半徑、聲道角度的準(zhǔn)確度，且能夠直接測(cè)量聲道高度用于修正權(quán)重系數(shù)[4]。該系統(tǒng)的核心是開(kāi)發(fā)了配套全站儀應(yīng)用的PC端軟件，利用藍(lán)牙無(wú)線傳輸手段建立了全站儀和PC之間的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)掃描、傳輸、存儲(chǔ)、顯示和計(jì)算分析的自動(dòng)化，盡量減少操作者干預(yù)。軟件的主界面如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)管壁點(diǎn)的自動(dòng)掃描以及柱面的自動(dòng)擬合[5]，離群點(diǎn)也可以按照一定規(guī)則進(jìn)行剔除，另外探頭點(diǎn)可以根據(jù)流量計(jì)基本信息中的聲道布置信息，自動(dòng)生成平面顯示的探頭位置及編號(hào)，瞄準(zhǔn)相應(yīng)位置后點(diǎn)擊編號(hào)即開(kāi)始測(cè)量，避免人工編號(hào)造成的混亂，提高了測(cè)量過(guò)程的效率。

1.2 測(cè)量過(guò)程

由于管道口徑巨大，給流量計(jì)探頭安裝及幾何參數(shù)測(cè)量帶來(lái)了很大困難，利用全站儀測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)三峽電廠超聲流量計(jì)進(jìn)行了幾何參數(shù)測(cè)量校準(zhǔn)，測(cè)量示意圖如圖3所示。為了獲得準(zhǔn)確的直徑和管軸方向，管壁測(cè)點(diǎn)不少于50個(gè)，在探頭附近區(qū)域進(jìn)行選取，且在測(cè)量范圍內(nèi)分布大致均勻。三峽流量計(jì)管段上有焊縫可以作為參照對(duì)象，逐圈進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，有利于提高圓柱擬合的準(zhǔn)確度；所有探頭點(diǎn)循環(huán)測(cè)量3次，對(duì)于雙探頭的換能器，分別測(cè)量和記錄同一位置兩個(gè)探頭的中心坐標(biāo)。

測(cè)量過(guò)程中也遇到和解決了一些問(wèn)題。一是照明問(wèn)題，流量計(jì)管道內(nèi)沒(méi)有任何光源，管壁自動(dòng)掃描不需要照明，但探頭點(diǎn)測(cè)量需要精確調(diào)整并瞄準(zhǔn)探頭中心，必須有足夠的亮度才能看清楚望遠(yuǎn)鏡的十字絲和探頭端面，經(jīng)多次選擇和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃光的強(qiáng)聚光LED手電效果最佳；二是瞄準(zhǔn)問(wèn)題，在測(cè)量管道上部附近的探頭點(diǎn)時(shí)由于存在儀器遮擋問(wèn)題無(wú)法直接瞄準(zhǔn)，而直接利用紅色的激光點(diǎn)來(lái)目測(cè)對(duì)準(zhǔn)造成所測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性不好，因此增配了一個(gè)彎管目鏡來(lái)解決盲區(qū)瞄準(zhǔn)問(wèn)題。

圖2 測(cè)量軟件主界面

1.流量計(jì)管道;2.全站儀;3.聲道;4.超聲探頭圖3 全站儀測(cè)量示意圖

2 測(cè)量結(jié)果及分析

2.1 幾何參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表1給出了三臺(tái)機(jī)組流量計(jì)半徑的廠家測(cè)量值和校準(zhǔn)結(jié)果，其中C機(jī)組廠家直接采用管段的設(shè)計(jì)名義值。從校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)看，廠家的出廠測(cè)量值的誤差均小于0.1%。

表1 流量計(jì)管道半徑校準(zhǔn)結(jié)果

表2比較了三臺(tái)機(jī)組流量計(jì)聲道長(zhǎng)度、聲道角度和聲道高度的廠家測(cè)量值與校準(zhǔn)結(jié)果的差異。從聲道長(zhǎng)度來(lái)看，A機(jī)組流量計(jì)聲道長(zhǎng)度廠家測(cè)量值與校準(zhǔn)值非常接近，只有一條聲道長(zhǎng)度差值接近0.1%，但該聲道在流量計(jì)最頂部，其權(quán)重系數(shù)最??；C機(jī)組流量計(jì)大多數(shù)聲道廠家測(cè)量值與校準(zhǔn)比較接近，但個(gè)別聲道長(zhǎng)度與校準(zhǔn)值有較大差異，這些聲道的權(quán)重系數(shù)都比較小；B機(jī)組出廠報(bào)告中給出了一套聲道長(zhǎng)度的測(cè)量值，該套數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)值差異極大，廠家并未使用這套數(shù)據(jù)，而是在流量計(jì)中置入了他們通過(guò)靜水聲速反算得到的聲道長(zhǎng)度值，表2中B組的數(shù)據(jù)就是這套數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)值作比較，但與校準(zhǔn)值仍有很大差異，最大差異接近1%，在權(quán)重系數(shù)較大的聲道也有很大差異，且基本為負(fù)的差異。

從單個(gè)聲道的聲道角的對(duì)比來(lái)看，三臺(tái)流量計(jì)廠家測(cè)量值均存在較大測(cè)量誤差，這是由于廠家用的是經(jīng)緯儀方法，聲道角中含有管段軸向方向偏差的貢獻(xiàn)，而校準(zhǔn)結(jié)果直接擬合管段柱面，其軸向比較準(zhǔn)確。但是，三臺(tái)流量計(jì)都采用雙聲道面布置，相同聲道高度的一對(duì)聲道可以基本抵消管段軸線方向測(cè)量的誤差，故對(duì)于流量準(zhǔn)確度而言，聲道角測(cè)量更關(guān)鍵的是相同聲道高度的一對(duì)聲道角的平均值。從表2中數(shù)據(jù)來(lái)看， A機(jī)組平均聲道角廠家測(cè)量值與校準(zhǔn)值最為接近，僅有一對(duì)聲道差異稍大，但其權(quán)重系數(shù)最?。籆機(jī)組平均聲道角測(cè)量值稍差，在部分中間位置聲道也存在較大差異；B機(jī)組平均聲道角測(cè)量值與校準(zhǔn)值差異最大，將導(dǎo)致不可忽略的流量測(cè)量誤差。

表2 流量計(jì)幾何參數(shù)廠家測(cè)量值與校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)差值

A機(jī)組和B機(jī)組流量計(jì)采用雙面9聲道的Gauss-Jaccobi聲道布置方案，C機(jī)組流量計(jì)采用雙面8聲道的OWICS聲道布置方案，三臺(tái)流量計(jì)都有聲道高度的安裝設(shè)計(jì)值，而從實(shí)測(cè)情況來(lái)看，三臺(tái)流量計(jì)的聲道高度都與設(shè)計(jì)值存在一定的偏差，其中A和B機(jī)組流量計(jì)安裝偏差較小，且基本上遠(yuǎn)離和靠近軸向的偏差都有，C機(jī)組流量計(jì)安裝偏差較大，且基本上只是靠近軸向方向的偏差，若不修正將導(dǎo)致流量測(cè)量結(jié)果偏大。

2.2 幾何參數(shù)誤差對(duì)流量測(cè)量的影響分析

三峽流量計(jì)幾何參數(shù)采用廠家測(cè)量數(shù)據(jù)，在此分析廠家數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差異帶來(lái)的流量測(cè)量誤差，其中，面積誤差直接是半徑誤差的2倍，聲道長(zhǎng)度、聲道角引起的誤差與具體的流速分布以及聲道對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)有關(guān)，而聲道高度偏差的影響并非只與該聲道的權(quán)重系數(shù)有關(guān)系，還與聲道速度分布曲線在該聲道高度處的梯度有關(guān)系；盡管靠近邊緣的聲道權(quán)重系數(shù)較小， 但是通常具有較大的聲道速度梯度，因此該處聲道高度安裝偏差的影響也很大。

按照充分發(fā)展的圓管紊流流速分布公式v=(1-r)1/9(r為管道半徑)[6]， 以及相應(yīng)流量計(jì)不同聲道的權(quán)重系數(shù)，分別計(jì)算了三臺(tái)機(jī)組幾何參數(shù)出廠值導(dǎo)致的流量計(jì)流量測(cè)量誤差，如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，B機(jī)組流量計(jì)的聲道長(zhǎng)度綜合誤差較大;C機(jī)組流量計(jì)的聲道高度安裝偏差影響較大;A機(jī)組流量計(jì)的幾何參數(shù)綜合誤差最小。關(guān)于圓管紊流流速在不同條件下的影響可參考文獻(xiàn)[7]。

表3 流量計(jì)幾何參數(shù)誤差影響分析

2.3 空管測(cè)量影響分析

值得注意的是，流量計(jì)管段在幾何參數(shù)測(cè)量時(shí)為空管，而在實(shí)際使用狀態(tài)為帶壓滿管，且上游壓力水頭有一定的變化，將會(huì)引起管道存在一定程度的變形。由于流量計(jì)所在的壓力鋼管之外為混凝土且局部還存在其它材料的墊層，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式將導(dǎo)致不規(guī)則的變形，只是對(duì)水壓影響測(cè)量進(jìn)行了初步估算。根據(jù)相關(guān)信息，流量計(jì)安裝高程為57m，上游水位在140～175m之間，最大流量對(duì)應(yīng)的流速水頭按8m/s計(jì)算為3.2m，于是相對(duì)測(cè)量狀態(tài)內(nèi)壓為零而言，使用狀態(tài)管段內(nèi)壓水頭在80～118m之間。壓力鋼管厚度為40mm，將其外的混凝土估算為20mm的鋼管壁厚，按照壁厚t=60mm的理想管道半徑的膨脹量為

=(3±0.6)mm

(1)

式中，p為管段內(nèi)壓；Es為材料的彈性模量?？梢?jiàn)由于內(nèi)壓的巨大差異，半徑的膨脹量將在3mm左右，相對(duì)值為0.048%，半徑值需要在實(shí)際測(cè)量值的基礎(chǔ)上予以修正。

管段膨脹除了對(duì)管道半徑有影響之外，還進(jìn)一步對(duì)聲道長(zhǎng)度和聲道角度產(chǎn)生影響，受水壓膨脹考慮只有徑向膨脹，無(wú)軸向膨脹，則聲道長(zhǎng)度的相對(duì)增加量為

(1/sin65°)-1=0.039%

(2)

聲道角也將增加

Δφ= arctan(1+0.048%)/

(1/tan65°)-65°=0.011°

(3)

其引起的流量增量為tanφ·Δφ=0.039%。因此由于內(nèi)壓帶來(lái)的半徑增大3mm，將導(dǎo)致實(shí)際流量值增大，流量計(jì)顯示值存在一個(gè)負(fù)誤差0.048%×2+0.039%+0.039%=0.176%，當(dāng)然，該誤差評(píng)估結(jié)果的不確定度也比較大?？紤]該誤差后，三臺(tái)機(jī)組的幾何測(cè)量綜合誤差分別為-0.074%、-0.469%、0.086%。

3 結(jié)束語(yǔ)

超大口徑管道的流量測(cè)量是個(gè)難題，本文對(duì)超聲流量計(jì)測(cè)量這種管徑的流量做了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。用全站儀與通常的測(cè)量管道幾何尺寸的方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出建議：

1)超聲流量計(jì)的換能器安裝和幾何參數(shù)測(cè)量非常重要，需要安裝人員具有認(rèn)真的態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮?，否則幾何參數(shù)不準(zhǔn)確將直接影響流量計(jì)的準(zhǔn)確度水平；

2)全站儀的優(yōu)勢(shì)在于能夠掃描管段壁面和探頭位置，建立流量計(jì)幾何形態(tài)的完整描述，并準(zhǔn)確計(jì)算管段半徑、聲道角和聲道長(zhǎng)度，特別是還可以計(jì)算聲道高度，提高了幾何參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度；

3)對(duì)于三峽電站流量計(jì)，空管測(cè)量的幾何參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)之間存在不可忽略的差異，需予以關(guān)注和修正。

針對(duì)傳統(tǒng)方法和儀器的缺陷，本文選用全站儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)三峽電站流量計(jì)進(jìn)行了完整的幾何參數(shù)測(cè)量，并與廠家測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)部分廠家測(cè)量數(shù)據(jù)存在較大誤差需要修正處理，其中空管測(cè)量的直徑必須修正到實(shí)際工作狀態(tài)。

[1] International Code for the Field Acceptance Test of Hydraulic Turbines [S].IEC 41-1991

[2] Hydraulic Turbines Performance Test Codes [S].ASME PTC 18-2002

[3] 孟濤，胡鶴鳴，王池，等.基于全站儀的大口徑超聲流量計(jì)幾何參數(shù)測(cè)量方法[C].全國(guó)流量測(cè)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2010

[4] 胡鶴鳴，杜曉康，孟濤，等.大口徑超聲流量計(jì)幾何參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量方法[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2012,33(5A)

[5] 胡鶴鳴，王池，孟濤，等.超聲流量計(jì)幾何參數(shù)測(cè)算方法及其不確定度分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(7)

[6] Nichtawitz A，Grafenberger P，Tormann J，etc.Discussion on acoustic flow measurement Method[C].International Group for Hydraulic Efficiency Measurement，2004

[7] 胡鶴鳴，等.多聲道超聲流量計(jì)積分模型的校準(zhǔn)方法研究，計(jì)量技術(shù)，2010(6)