水資源是人類(lèi)賴(lài)以生存所必須的物質(zhì)資源。隨著(zhù)水資源的性匱乏，節約和合理利用成為必須，而水量的計量就成為合理利用的重要評估手段。以三峽工程和南水北調工程為標志，一批關(guān)系國計民生的大型水利工程和引水調水工程在我國迅速發(fā)展，由于這些工程中的流量過(guò)流斷面尺寸巨大，常規流量計無(wú)法適用。
近年來(lái)開(kāi)發(fā)應用的多聲路超聲流量計，較好地解決了大口徑水流量測量的技術(shù)難題，流量計制造不受管道口徑的限制，多聲路配置可以2010 年全國流量測量學(xué)術(shù)交流會(huì )論文集適應較為復雜的流道結構和流態(tài)分布，還可在已有管道上現場(chǎng)安裝，因此超聲流量計已成為大口徑水流量測量的*技術(shù)選擇。
三峽工程是世界上zui大的水利樞紐工程，總裝機容量2250 萬(wàn)千瓦，設計年發(fā)電量847億度。水輪機效率是水電站的重要技術(shù)指標，對電站的經(jīng)濟運行具有重要意義，如果水輪機效率下降2%，每年將少發(fā)15 億度電，數量十分可觀(guān)，因此水輪機機組效率評價(jià)及*工作點(diǎn)調整就非常重要，而發(fā)電流量是其中zui重要的測量參數。三峽電站右岸共裝配12 臺700MW 水輪發(fā)電機組，引水壓力鋼管直徑為12.4m，水輪機額定流量為970m3/s，zui大流量為1020 m3/s，壓力鋼管內水流平均流速范圍為（0~8.5）m/s。
綜合考慮安裝難度、測量準確度、價(jià)格等因素，三峽電站選擇在右岸三臺機組上利用超聲流量計來(lái)測量其發(fā)電流量，受限于現場(chǎng)條件，只能將流量計安裝在壓力鋼管的末端，如圖1 所示。
圖1 三峽電站水輪機流道示意圖
三峽電站三臺超聲流量計來(lái)自三個(gè)不同的廠(chǎng)家，均采用時(shí)差法測量原理，但各廠(chǎng)家給出的流量測量準確度從0.3% 到1%，相差甚遠。對于三峽工程這種超大口徑的超聲流量計，根本無(wú)法用實(shí)流標定的方法進(jìn)行準確度評估，而由于超聲流量計發(fā)展時(shí)間較短，目前也沒(méi)有*的非實(shí)流校準方法。
因此，對于生產(chǎn)廠(chǎng)家聲稱(chēng)的技術(shù)指標，計量技術(shù)機構缺乏必要的驗證手段，進(jìn)而使得三峽電站無(wú)法開(kāi)展水輪機機組效率評價(jià)工作。于是三峽總公司直接向質(zhì)檢總局尋求，在此背景下中國計量科學(xué)研究院接受總局任務(wù)，在研究超聲流量計非實(shí)流校準方法的基礎上，實(shí)現三峽工程超聲流量計的準確度評估。
由超聲流量計的基本原理可知，聲路速度測量的準確度直接依賴(lài)于時(shí)間量和幾何量測量的準確度，而流量加權積分的準確度則依賴(lài)于流場(chǎng)的擾動(dòng)情況。與之相應地，三峽流量計的準確度評估包含三個(gè)因素的影響量：幾何測量、時(shí)間測量和流場(chǎng)擾動(dòng)。幾何測量方面，研究了流量計幾何參數（半徑、聲路長(cháng)度、聲路角度）的準確度影響因素，利用全站儀重新測量了三峽流量計管段的幾何尺寸，并從坐標測量?jì)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量結果的不確定度；時(shí)間測量方面，設計了標準聲速距裝置，能夠對超聲探頭的系統延時(shí)進(jìn)行離線(xiàn)測量，另外在三峽現場(chǎng)依據流量計的零點(diǎn)流量不一致性，以及流量計2010 年全國流量測量學(xué)術(shù)交流會(huì )論文集廠(chǎng)家宣稱(chēng)的計時(shí)分辨力，對流量計時(shí)間測量的準確度進(jìn)行了分析與評估。流場(chǎng)擾動(dòng)影響是三峽流量計準確度評估的zui重要的內容，也是本文要重點(diǎn)介紹的工作。
IEC41 規程及PTC18 規程中均對超聲流量計的安裝條件進(jìn)行了規范，對于雙面8 聲路流量計，上游至少有10D 的直管段長(cháng)度，下游至少有3D 的直管段長(cháng)度；流量計采用雙聲路面的布置形式，是為了補償橫向流動(dòng)帶來(lái)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 聲路流量計即可有一個(gè)滿(mǎn)意的結果。三峽工程中超聲流量計上游緊鄰彎管，下游即為水輪機組，前后幾乎沒(méi)有直管段，*不滿(mǎn)足規程規定的安裝條件。在這種條件下，三峽流量計采用了雙面18 聲路交叉的布置形式，這已經(jīng)是目前實(shí)際應用中聲路數zui多的情況，盡管理論上可以適應非常復雜的流場(chǎng)條件，但由于三峽流量計的準確度度事關(guān)巨大的經(jīng)濟效益，流場(chǎng)擾動(dòng)帶來(lái)的影響仍需仔細的評估，本文利用實(shí)驗和數值模擬兩種手段分析了流場(chǎng)擾動(dòng)對流量計的影響。
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