0 引言

 

    隨著競(jìng)價(jià)上網(wǎng)、節(jié)能減排等多項(xiàng)政策的實(shí)施，國(guó)內(nèi)水電廠(chǎng)對(duì)水電機(jī)組的實(shí)時(shí)效率、耗水率等指標(biāo)越來(lái)越重視，多聲路超聲波流量計(jì)在水電機(jī)組過(guò)機(jī)流量測(cè)量中的運(yùn)用也越來(lái)越廣泛。當(dāng)前確認(rèn)多聲路超聲波流量計(jì)精度的一般做法是，廠(chǎng)家按照系統(tǒng)誤差理論，通過(guò)分析換能器的出廠(chǎng)精度[1]、換能器現(xiàn)場(chǎng)安裝精度、積分算法等的誤差，得到多聲路超聲波流量計(jì)的綜合精度。這種方法具有一定的理論基礎(chǔ)，但由于該方法沒(méi)有對(duì)多聲路超聲波流量計(jì)測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沒(méi)有得到各方的廣泛認(rèn)可。如何對(duì)大型水電機(jī)組多聲路超聲波流量計(jì)進(jìn)行實(shí)流數(shù)據(jù)分析，以校核其精度是大家比較關(guān)注和迫切需要解決的問(wèn)題。

 

    三峽右岸電站選擇安裝了3套不同廠(chǎng)家的多聲路超聲波流量計(jì)[2]。本文以某臺(tái)機(jī)組的變負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)其數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行探討，希望能為多聲路超聲波流量計(jì)實(shí)流精度校核提供一種思路。該機(jī)組的水輪機(jī)額定出力710MW，發(fā)電機(jī)額定容量777.8MV·A，蝸殼進(jìn)口直徑12.4m。所安裝的超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)每秒刷新1次。

 

    1 實(shí)流數(shù)據(jù)及樣本數(shù)據(jù)

 

    1.1 原始數(shù)據(jù)

 

    為對(duì)超聲波流量計(jì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，已進(jìn)行過(guò)兩次針對(duì)性的變負(fù)荷試驗(yàn)。第1次，2008年11月21日15：30～18：50，試驗(yàn)時(shí)的毛水頭約107m，凈水頭約104m；第2次，2009年3月3日10：00～12：50，試驗(yàn)時(shí)的毛水頭約99m，凈水頭約97m。

 

    兩次試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)分別如圖1（為了曲線(xiàn)對(duì)比方便，圖中導(dǎo)葉開(kāi)度數(shù)據(jù)是實(shí)際值的10倍，下同）和圖2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    從圖1、2的圖形看，實(shí)測(cè)流量、有功功率和導(dǎo)葉開(kāi)度的趨勢(shì)基本吻合，只是在工況急劇變化過(guò)程時(shí)流量稍有滯后。這是因?yàn)?，為了削弱隨機(jī)誤差，超聲波流量計(jì)在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行了加窗平滑處理，降低了流量計(jì)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

 

    1.2 樣本數(shù)據(jù)

 

    由于機(jī)組變負(fù)荷暫態(tài)過(guò)程復(fù)雜，對(duì)變負(fù)荷試驗(yàn)暫態(tài)過(guò)程的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析沒(méi)有意義。本文以導(dǎo)葉的平穩(wěn)性作為穩(wěn)態(tài)過(guò)程標(biāo)志對(duì)考核樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，兩次試驗(yàn)分別提取19個(gè)和21個(gè)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)段，其樣本數(shù)據(jù)分別見(jiàn)圖3、圖4。

 

    2 樣本數(shù)據(jù)分析

 

    2.1 精密度分析

 

    2.1.1 流量重復(fù)性

 

    重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量物理量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性[3]。對(duì)于超聲波流量計(jì)其計(jì)算公式為[4]

 

    

 

    式中，ei為第i次測(cè)量的重復(fù)性；qi為過(guò)機(jī)流量的真實(shí)值，在實(shí)際應(yīng)用中用第i次測(cè)量的算術(shù)平均值代替；n為第i次測(cè)量的樣本數(shù)量；qij為第i次第j個(gè)樣本的流量計(jì)顯示值。

 

    比較誤差理論中標(biāo)準(zhǔn)誤差的定義，ei實(shí)際上是標(biāo)準(zhǔn)誤差與測(cè)量值算術(shù)平均值的比值，因此重復(fù)性能夠一定程度地反映流量計(jì)的精密度。流量重復(fù)性計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表1和表2。

 

 

 

 

 

    2.1.2 流量重復(fù)性與有功、導(dǎo)葉開(kāi)度重復(fù)性的比較

 

    按照式（1）計(jì)算的ei，要求第i次測(cè)量的是同一流量值，事實(shí)上，即使是穩(wěn)態(tài)工況，流量也是不斷變化的。為了客觀地反映流量測(cè)量精密度，本文對(duì)比了流量與有功、導(dǎo)葉開(kāi)度的重復(fù)性，具體數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1和表2。

 

    2.2 真機(jī)試驗(yàn)與模型試驗(yàn)的效率分析

 

    模型試驗(yàn)的流量測(cè)量是采用精度為0.2%的電磁流量計(jì)進(jìn)行的，通過(guò)比較模型試驗(yàn)提供的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)中的水輪機(jī)效率和真機(jī)試驗(yàn)測(cè)量得到的水輪機(jī)效率，可以在一定程度上反映真機(jī)所用超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。真機(jī)試驗(yàn)與模型試驗(yàn)的效率比較參見(jiàn)圖5和圖6（水輪機(jī)效率是通過(guò)查曲線(xiàn)得到的，可能有讀數(shù)誤差）。

 

 

 

 

 

    2.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

 

    綜合表1、2，可以看出流量計(jì)的重復(fù)性較好，其趨勢(shì)與出力、導(dǎo)葉開(kāi)度比較吻合。表2中第7個(gè)工況點(diǎn)的重復(fù)性相對(duì)較差，一方面，此時(shí)的出力是419MW，屬于機(jī)組的限制運(yùn)行范圍區(qū)，水力振動(dòng)較大；另一方面，為了不對(duì)機(jī)組造成傷害，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)入該運(yùn)行范圍區(qū)后，要求機(jī)組盡快擺脫該區(qū)域，導(dǎo)葉調(diào)整相對(duì)較頻繁。綜合圖5、6，可以看出，水輪機(jī)計(jì)算效率和查表值在出力420～680MW運(yùn)行區(qū)域比較接近，在大于680MW運(yùn)行區(qū)域有一定的偏差。

 

    3 討論

 

    3.1 其他機(jī)組工況參數(shù)的影響

 

    為了進(jìn)行水輪機(jī)效率的計(jì)算，除了過(guò)機(jī)流量以外，還需機(jī)組的有功、無(wú)功（用于計(jì)算發(fā)電機(jī)功率因素和查表得到發(fā)電機(jī)效率）和水頭參數(shù)。機(jī)組的有功和無(wú)功采用模擬量輸入或者通訊方式從計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)接入即可。對(duì)于機(jī)組水頭，目前水電廠(chǎng)水力量測(cè)系統(tǒng)一般只包含了上、下游的水位測(cè)量，得到的是機(jī)組毛水頭。在進(jìn)行水輪機(jī)的效率計(jì)算時(shí)，需要的是凈水頭，即

 

    

 

    式中，Z2，P2，A2分別表示渦殼進(jìn)口中心高程、渦殼進(jìn)口壓力、渦殼進(jìn)口面積；Z1，P1，A1分別表示尾水管出口中心高程、尾水管出口壓力、尾水管出口面積；Q表示過(guò)機(jī)流量；ρ為水的密度；g為重力加速度。

 

    公式（2）中蝸殼進(jìn)口中心高程、尾水管出口中心高程、蝸殼進(jìn)口面積、尾水管出口面積對(duì)于一個(gè)特定機(jī)組，其值為常數(shù)。本文討論的兩次試驗(yàn)的凈水頭均引自機(jī)組在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其流量是蝸殼差壓測(cè)量得到的，可能會(huì)給凈水頭的計(jì)算帶來(lái)一些誤差。

 

    3.2 考核工況的選取

 

    水電機(jī)組暫態(tài)過(guò)程流態(tài)非常復(fù)雜，即使在水輪機(jī)模型試驗(yàn)中，也不對(duì)暫態(tài)過(guò)程的流量和效率進(jìn)行考核?？疾於嗦暵烦暡髁坑?jì)暫態(tài)過(guò)程的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)常會(huì)得到不合常理的結(jié)果，也沒(méi)有實(shí)際意義。因此在對(duì)多聲路超聲波流量計(jì)的實(shí)流精度校核時(shí)，不針對(duì)暫態(tài)工況，只選擇穩(wěn)態(tài)工況。

 

    3.3 多聲路超聲波流量計(jì)需要增加的功能

 

    為及時(shí)得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，建議在多聲路超聲波流量計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部建立通過(guò)分析導(dǎo)葉開(kāi)度變化率或者壓力鋼管內(nèi)的壓力變化率來(lái)建立自動(dòng)識(shí)別機(jī)組暫態(tài)/穩(wěn)態(tài)過(guò)程的機(jī)制。試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)識(shí)別機(jī)制即可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。

 

    另外，為方便對(duì)比多聲路超聲波流量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)，多聲路超聲波流量計(jì)應(yīng)能根據(jù)各工況參數(shù)自動(dòng)繪制水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)，在進(jìn)行多聲路超聲波流量計(jì)最終驗(yàn)收時(shí)，能方便地對(duì)比曲線(xiàn)之間的誤差。

 

    3.4 本方法的適用范圍

 

    精密度是對(duì)隨機(jī)誤差的描述，它反映隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響程度[5]。本文對(duì)流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精密度進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，超聲波流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差很小。

 

    本文討論的效率對(duì)比方法，以運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)中的水輪機(jī)效率作為參考值，該數(shù)值是在對(duì)水輪機(jī)模型試驗(yàn)計(jì)算得到的模型水輪機(jī)的效率進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的，這種轉(zhuǎn)換有一定的理論基礎(chǔ)，但也會(huì)帶來(lái)誤差。

 

    事實(shí)上，水電廠(chǎng)安裝超聲波流量計(jì)的目的之一就是測(cè)量水輪機(jī)的絕對(duì)效率，以校核水輪機(jī)效率保證值（通過(guò)模型試驗(yàn)得到的）是否滿(mǎn)足合同要求。因此，這種基于效率對(duì)比的方法不能作為定量分析超聲波流量計(jì)精度的手段。

 

    另一方面，考慮到水輪機(jī)模型試驗(yàn)和水輪機(jī)真機(jī)試驗(yàn)從時(shí)間和地域兩個(gè)角度來(lái)說(shuō)是兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，而且兩個(gè)試驗(yàn)采用的測(cè)流原理不同，一個(gè)是電磁流量計(jì)，一個(gè)是超聲波流量計(jì)，如果兩個(gè)試驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)相差很小，可以認(rèn)為兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果均在一定的誤差范圍之內(nèi)。因此，該方法可以作為定性分析超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的手段。