米玛1陈海滨2唐艳宏1尼玛曲宗1
1.西藏自治区计量测试所,拉萨 850000;
2.云南省计量测试技术研究院，昆明 650000
摘要：超声波流量计是一种结构简单、安装使用方便、价格低廉的新型流量计。随着发电站对发电效率的要求越来越高，超声波流量计在水电站中将会得到广泛的应用。本文根据水电站自身的特点对超声波流量计探头数的选择和安装方式进行研究，并对超声波流量计的误差进行分析。
关键词：超声波流量计，水电站，误差分析
Application of Ultrasonic Flowmeter in Hydropower Station
MIma1CHENhaibin2TANGyanhong1NIMAquzong1
(Tibet Autonomous Region Measurement and Testing Institute, Lhasa 850000;
Yunnan Institute of Metrology and Testing Technology Kunming 650000)
Absrtact: ultrasonic Flowmeter is a new type of Flowmeter with simple structure, convenient installation and low price. With the increasing demand of power generation efficiency, ultrasonic Flowmeter will be widely used in hydropower stations. According to the characteristics of hydropower station, the selection and installation of ultrasonic Flowmeter probe number are studied, and the error of ultrasonic Flowmeter is analyzed.
Keywords: Ultrasonic Flowmeter, Hydropower Station, Error Analysis
0 引言
随着社会的发展，人类对能源的需求日益增加，能源已成为影响国民经济发展的重要因素。国家在“十一五”科技发展纲要中明确的提出了“积极开展能源研究，努力提高节能减排技术”的要求，因此，在水电站中提高发电效率具有重要的意义。水电站中发电效率与水流量存在密切关系，通过水流量计量，可以控制发电机在最优水流量下工作，从而使得电站的发电效率最高，取得最大的经济效益和社会效益。
超声波流量计作为一种结构简单、安装使用方便、价格低廉的新型流量计在水电站中得到了广泛的应用[1]。超声波流量计其基本原理是利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间tdown和逆流传播时间tup的差值，从而计算流体流动的速度和流量[2]（如图1所示）。
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式中，A为与流速vm相垂直的管道横截面积。
随着科技的进步，测量精度更高，稳定性更好的多声路超声波流量计得到迅速发展，并在国内外许多电站中得以应用，如美国的大古力电站采用了8声路的超声波流量计，我国的三峡电站分别采用了18路超声波流量计和16路超声波流量计，另外，超声波流量计在岩滩水电站、李家峡电站、云南的大潮山水电站、漫湾电站都得到了应用。【3】
1．超声波流量计在水电站中的应用
在水力发电站中，水轮机效率的实时监测对电站的经济运行有着重要的作用，既可用于水电机组安装竣工或大修结束后的现场验收试验，以检查制造、安装和检修质量是否满足技术要求，又能通过对机组运行特性长期连续监测，提供不同的水流和工况条件下水轮机性能的实时数据，为确定电厂经济运行中的开机台数、负荷优化分配以及机组状态检修等提供参考，因此，流量计在水电站的运行管理中具有重要意义。水轮机效率计算公式：
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其中，W为水轮机的出力，g为当地的重力加速度，Q为流量和H为水位。由于发电量和水位可以通过现有手段准确测量，所以流量测量成为了水轮机效率测量的关键。
1.1流量计的选用
由于单声路超声波流量计的测量精度较低，且无法消除引水管道里的横向流影响，因此，
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1.2 流量计的安装
流量计的安装方式需要根据水电站引水系统的具体方式来确定。水电站引水管道具有填埋式和外露式两种方式，如河床式电站其引水管道就是填埋在混凝土坝体内，如图2所示，而引水式电站，其压力钢管有时会外露在空气中，如图3所示。对于填埋式引水管道，超声波流量计的探头采用内贴式安装方式，如图4所示；对于外露式引水管道，采用外插式安装方式，如图5所示。
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在进行超声波流量计安装时，应注意以下几点：
（1）尽可能选择垂直管段或水平管段，因为在该管段内，水体易充满管体，易于超声波传输出。
（2）安装距离应尽可能选择上游大于10倍直管径、下游大于5倍直管径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，安装点应充分远离阀门、泵、高压电和变频器等干扰源。
（3）当流体向下流动时，流量计避免安装在管道系统的最高点或带有自由出口的竖直管道上。
（4）安装点的温度、压力应在传感器可工作的范围以内。
（5）充分考虑管内壁结垢状况；尽量选择无结垢的管道进行安装，如不能满足时，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。
（6）两个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°范围内安装，以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。如果受安装地点空间的限制而不能水平对称安装时，可在保证管内上部分无气泡的条件下，垂直或有倾角地安装传感器。
2．超声波流量计的误差分析
影响超声波流量计测量误差的因素很多，主要有：（1）通道长度L的测量，（2）弦通道角
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的测量；（3）通道间距和规定位置的测量 ；（4）管段直径D的测量；（5）时间测量和时间分辨力；（6）无水通道的时间估算；（7）自身的计算精度；（8）由于探头周围流场变化引起的误差；（9）当管道受压或温度变化引起的外形尺寸变化带来的误差；（10）横流分量的存在；（11）流速剖面扭曲；（12）随机误差。
2.1 仪表系统误差
以上影响因素的（1）项至第（8）通常被计算和合成在仪表系统误差E1。根据目前的研究结果，E1的绝对值在大多数情况下小于0.5%，【5】本文取E1=0.5%。
2.2 变形误差
当管道受压或温度变化时将产生的外形尺寸变化，以水头为200m的电站，压力管道直径为500mm为例，其压力钢管内有压与无压的压强差为1960 KPa,根据钢管的材料性能，材料在比例极限范围内，应力与应变呈线性关系，由拉、压虎克定律得知，
ε=p/E （4）
式中，E为弹性模量，取E=200GPa，ε为变形量；P为水压差，取P=1960K Pa。代入公式（4），得到：ε=9.8×10-3mm。故，△E=ε/D=0.002%。由于外形尺寸对系统流量测量的误差作用为三次方关系，因而变形误差E2=3×△E =0.01%。
2.3速度分布误差
速度分布误差主要包括横流影响和速度剖面扭曲两部分，由于超声波流量计采用的是对称交叉布置方式，因此横流的影响基本得以消除，同时在压力管道中，管道直径保持一致，在流量计安装的位置，能保证安装位置前端有一定的直管段，因此流速剖面扭曲量很小，因此对于（10）和（11）两项和起来取 E3=0.1%。
2.4 随机误差
对于随机误差E4，根据经验取E4=0.1%。
2.5 合成误差
由于系统的各项误差是不相关的，我们在计算系统的总误差时，采用了对各项误差平方和求平方根的方法，如公式（5）。
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所以，本课题设计的超声波流量计的总误差将小于1％。
3．结论
随着能源的日益紧迫，对水电站发电效率提高的需求变得越发重要，因此，超声波流量计在水电站中的应用将得到更广泛的推广。本文就水电站中流量计的选择技巧和安装布置方式提出了相应的建议，并对超声波流量计在水电站中应用的误差进行初步分析，得出其总体误差小于1%的结论。
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基金项目：中央公益类科研机构的基础研究经费（31-AKYZD1805-1）。
作者简介：米玛（1991-），西藏自治区计量测试所助理工程师，研究方向：计量管理、医学计量等，邮箱：779582923@qq.com；通讯作者：尼玛曲宗（1995-），西藏自治区计量测试所助理工程师，研究方向：流量计量，邮箱：1127859811@qq.com。