基于超声传播时间法的水轮机流量测量不确定度

刘发展; 赵霖; 刘源; 甄文喜; 冯铁成; 苟小军; 杜建军

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0570

基于超声传播时间法的水轮机流量测量不确定度

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0570

1.
国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730070
2.
国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，临夏 731600
3.
中国计量科学研究院，北京 100029

基金项目: 国家电网甘肃省电力公司科技项目（522721191002）

详细信息

作者简介:
刘发展(1972-)，国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂总工程师，研究方向：水利水电技术等，邮箱：575713473@qq.com

通讯作者:
刘源(1987-)，中国计量科学研究院副研究员，研究方向：水流量、流速计量等，邮箱：lyuan@nim.ac.cn

计量
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出版历程
- 录用日期: 2021-12-08
- 网络出版日期: 2022-02-15
- 刊出日期: 2022-02-18

Uncertainty Evaluation for Flow Rate Measurements of Hydraulic Turbines Based on the Ultrasonic Transit Time Method

1.
Electric Power Research Institute of State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730070, China
2.
Liujiaxia Hydropower Plant of State Grid Gansu Electric Power Company, Linxia 731600, China
3.
National Institute of Metrology, Beijing 100029, China

摘要

摘要: 流量是水轮机绝对效率评价的关键要素，不确定度是评定流量的重要指标。对比了典型的水轮机流量测量方法，针对其中超声传播时间法的不确定度评定问题展开了研究。采用全站仪建立精确的管道三维模型，并通过测量探头与管道的相对位置关系，实现了几何参数的校准，获得了良好的不确定度水平；结合对超声传播时间量和流量积分的合理估计，给出了超大口径流量测量不确定度评定方法，对超大口径流量计不确定度评定提供了有益的补充。
- 水轮机 /
- 效率评定 /
- 超声流量计 /
- 不确定度 /
- 超声传播时间法
Abstract: The flow rate is the key parameter for evaluating the absolute efficiency of a hydraulic turbine. This paper reviews typical turbine flow measurement methods and studies the uncertainty evaluation for the ultrasonic transit time method. The total station was used to establish the accurate 3D model of the pipeline, and the geometric parameters were calibrated by measuring the relative position between the probe and the pipeline, then good uncertainty results were obtained. With a reasonable estimation of the ultrasonic transit time and flow rate integral modal, the uncertainty evaluation method for flow rates of super large calibers is given.
- hydraulic turbine /
- efficiency evaluation /
- ultrasonic flowmeter /
- uncertainty /
- ultrasonic transit time method

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图 1 全站仪实物图

Figure 1. Picture of a total station

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图 2 几何参数测量软件界面

Figure 2. Graphical user interface of the geometric parameter measurement software

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表 1 典型水轮机效率测量方法

Table 1. Typical hydraulic turbine efficiency measurement method

方法	原理	安装方法	使用特点
流速仪法	通过转子式流速仪测量点流速	将流速仪架起在钢管内	受水冲击大，可短期检测
压力-时间法	利用水锤现象，依赖于钢管压力与流速的关系	在管道内壁贴附压力探头	机组甩负荷运转影响机械性能，应用较少
热力学法	根据能量守恒原理，依赖于水温变化与流速的关系	在水轮机进出水口安装温度计	依赖于快速、高精温度计
超声传播时间法	通过记录超声波传播时间得到线流速，积分得流量	采用插入或内嵌的方式安装在钢管内壁	可长期观测

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表 2 管段半径的测量结果

Table 2. Measurement results of section radius

内容	校准结果
内容	测次1	测次2	测次3	均值
半径/mm	3247.5	3252.5	3247.8	3249.3
标准偏差/mm	7.6	6.2	7.0	6.9

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表 3 声道几何参数测量结果

Table 3. Measurement results of geometrical parameters of sound paths

声道编号	声道长度/mm			声道角度/°			相对声道高度
声道编号	校准值	重复性	示值误差	校准值	重复性	示值误差	校准值	重复性
A1	4102.8	0.02%	8.2	64.98	0.08%	0.03	−0.81	0.06%
A2	6805.0	0.01%	−7	64.98	0.09%	0.01	−0.31	0.14%
A3	6791.7	0.01%	15.3	64.99	0.08%	−0.01	0.31	0.16%
A4	4110.7	0.03%	−5.7	65.10	0.22%	−0.13	0.81	0.26%
B1	4099.6	0.01%	16.4	65.05	0.09%	0.01	−0.81	0.08%
B2	6807.1	0.02%	−30.1	65.05	0.12%	0.00	−0.31	0.12%
B3	6775.2	0.01%	36.8	65.10	0.14%	−0.05	0.31	0.21%
B4	4115.6	0.01%	−17.6	65.13	0.12%	−0.05	0.81	0.16%

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表 4 几何参数测量结果的不确定度

Table 4. The uncertainty in geometric parameter measurement results

不确定度来源	声道长度	声道角度	相对声道高度	合成
重复性	0.02%	0.13%	0.01%	/
全站仪	0.05%	0.05%	/	/
探头对准	/	0.05%	/	/
合成	0.06%	0.17%	0.01%	0.18%

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表 5 流量测量不确定度

Table 5. The uncertainty in flow rate measurements

不确定度来源		量值	不确定度	相对不确定度
几何参数	声道长度/mm	4100	0.06%	0.06%
	声道角度/°	65	0.17%	0.17%
	声道高度		0.01%	0.01%
超声传播时间	传播时间差/ns	6450	5	0.03%
	传播时间/μs	2800	0.5	0.02%
	现场数据质量			0.04%
流量积分模型		/	/	0.75%
合成流量扩展不确定度(k=2)		/	/	1.55%

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参考文献(17)

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