[導讀] 對變負荷試驗過程中超聲波流量計實測數據進行了精度分析，并對實流測量得到的水輪機效率和水輪機運轉特性曲線中的效率進行了對比。為超聲波流量計實流校準的數據分析提供了參考，另外，還對該方法中需要注意的相關問題和適用范圍進行了討論。
0 引言
隨著競價上網、節能減排等多項政策的實施，國內水電廠對水電機組的實時效率、耗水率等指標越來越重視，多聲路超聲波流量計在水電機組過機流量測量中的運用也越來越廣泛。當前確認多聲路超聲波流量計精度的一般做法是，廠家按照系統誤差理論，通過分析換能器的出廠精度[1]、換能器現場安裝精度、積分算法等的誤差，得到多聲路超聲波流量計的綜合精度。這種方法具有一定的理論基礎，但由于該方法沒有對多聲路超聲波流量計測量的實際數據進行分析，沒有得到各方的廣泛認可。如何對大型水電機組多聲路超聲波流量計進行實流數據分析，以校核其精度是大家比較關注和迫切需要解決的問題。
三峽右岸電站選擇安裝了3套不同廠家的多聲路超聲波流量計[2]。本文以某臺機組的變負荷試驗實測數據為樣本，對其數據處理方法進行探討，希望能為多聲路超聲波流量計實流精度校核提供一種思路。該機組的水輪機額定出力710MW，發電機額定容量777.8MV·A，蝸殼進口直徑12.4m。所安裝的超聲波流量計數據每秒刷新1次。
1 實流數據及樣本數據
1.1 原始數據
為對超聲波流量計的實測數據進行分析，已進行過兩次針對性的變負荷試驗。第1次，2008年11月21日15：30～18：50，試驗時的毛水頭約107m，凈水頭約104m；第2次，2009年3月3日10：00～12：50，試驗時的毛水頭約99m，凈水頭約97m。
兩次試驗的原始數據分別如圖1（為了曲線對比方便，圖中導葉開度數據是實際值的10倍，下同）和圖2所示。
從圖1、2的圖形看，實測流量、有功功率和導葉開度的趨勢基本吻合，只是在工況急劇變化過程時流量稍有滯后。這是因為，為了削弱隨機誤差，超聲波流量計在數據處理時進行了加窗平滑處理，降低了流量計的實時響應能力。
1.2 樣本數據
由于機組變負荷暫態過程復雜，對變負荷試驗暫態過程的流量數據進行分析沒有意義。本文以導葉的平穩性作為穩態過程標志對考核樣本數據進行提取，兩次試驗分別提取19個和21個穩態工況時段，其樣本數據分別見圖3、圖4。
2 樣本數據分析
2.1 精密度分析
2.1.1 流量重復性
重復性是指在相同測量條件下，對同一被測量物理量進行連續多次測量所得結果之間的一致性[3]。對于超聲波流量計其計算公式為[4]
式中，ei為第i次測量的重復性；qi為過機流量的真實值，在實際應用中用第i次測量的算術平均值代替；n為第i次測量的樣本數量；qij為第i次第j個樣本的流量計顯示值。
比較誤差理論中標準誤差的定義，ei實際上是標準誤差與測量值算術平均值的比值，因此重復性能夠一定程度地反映流量計的精密度。流量重復性計算結果參見表1和表2。
2.1.2 流量重復性與有功、導葉開度重復性的比較
按照式（1）計算的ei，要求第i次測量的是同一流量值，事實上，即使是穩態工況，流量也是不斷變化的。為了客觀地反映流量測量精密度，本文對比了流量與有功、導葉開度的重復性，具體數據參見表1和表2。
2.2 真機試驗與模型試驗的效率分析
模型試驗的流量測量是采用精度為0.2%的電磁流量計進行的，通過比較模型試驗提供的運轉特性曲線中的水輪機效率和真機試驗測量得到的水輪機效率，可以在一定程度上反映真機所用超聲波流量計的測量精度。真機試驗與模型試驗的效率比較參見圖5和圖6（水輪機效率是通過查曲線得到的，可能有讀數誤差）。
2.3 數據分析結果
綜合表1、2，可以看出流量計的重復性較好，其趨勢與出力、導葉開度比較吻合。表2中第7個工況點的重復性相對較差，一方面，此時的出力是419MW，屬于機組的限制運行范圍區，水力振動較大；另一方面，為了不對機組造成傷害，試驗時進入該運行范圍區后，要求機組盡快擺脫該區域，導葉調整相對較頻繁。綜合圖5、6，可以看出，水輪機計算效率和查表值在出力420～680MW運行區域比較接近，在大于680MW運行區域有一定的偏差。
3 討論
3.1 其他機組工況參數的影響
為了進行水輪機效率的計算，除了過機流量以外，還需機組的有功、無功（用于計算發電機功率因素和查表得到發電機效率）和水頭參數。機組的有功和無功采用模擬量輸入或者通訊方式從計算機監控系統接入即可。對于機組水頭，目前水電廠水力量測系統一般只包含了上、下游的水位測量，得到的是機組毛水頭。在進行水輪機的效率計算時，需要的是凈水頭，即
式中，Z2，P2，A2分別表示渦殼進口中心高程、渦殼進口壓力、渦殼進口面積；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表示過機流量；ρ為水的密度；g為重力加速度。
公式（2）中蝸殼進口中心高程、尾水管出口中心高程、蝸殼進口面積、尾水管出口面積對于一個特定機組，其值為常數。本文討論的兩次試驗的凈水頭均引自機組在線監測系統，其流量是蝸殼差壓測量得到的，可能會給凈水頭的計算帶來一些誤差。
3.2 考核工況的選取
水電機組暫態過程流態非常復雜，即使在水輪機模型試驗中，也不對暫態過程的流量和效率進行考核。考察多聲路超聲波流量計暫態過程的測量數據，經常會得到不合常理的結果，也沒有實際意義。因此在對多聲路超聲波流量計的實流精度校核時，不針對暫態工況，只選擇穩態工況。
3.3 多聲路超聲波流量計需要增加的功能
為及時得到實測數據的分析結果，建議在多聲路超聲波流量計系統內部建立通過分析導葉開度變化率或者壓力鋼管內的壓力變化率來建立自動識別機組暫態/穩態過程的機制。試驗時，啟動自動識別機制即可對測量數據進行自動分類。
另外，為方便對比多聲路超聲波流量測量系統實測的數據與水輪機運轉特性曲線的數據，多聲路超聲波流量計應能根據各工況參數自動繪制水輪機實際運轉特性曲線，在進行多聲路超聲波流量計最終驗收時，能方便地對比曲線之間的誤差。
3.4 本方法的適用范圍
精密度是對隨機誤差的描述，它反映隨機誤差對測量精度的影響程度[5]。本文對流量計測量數據的精密度進行了分析，分析結果表明，超聲波流量計測量數據的隨機誤差很小。
本文討論的效率對比方法，以運轉特性曲線中的水輪機效率作為參考值，該數值是在對水輪機模型試驗計算得到的模型水輪機的效率進行轉換得到的，這種轉換有一定的理論基礎，但也會帶來誤差。
事實上，水電廠安裝超聲波流量計的目的之一就是測量水輪機的絕對效率，以校核水輪機效率保證值（通過模型試驗得到的）是否滿足合同要求。因此，這種基于效率對比的方法不能作為定量分析超聲波流量計精度的手段。
另一方面，考慮到水輪機模型試驗和水輪機真機試驗從時間和地域兩個角度來說是兩個完全獨立的系統，而且兩個試驗采用的測流原理不同，一個是電磁流量計，一個是超聲波流量計，如果兩個試驗測量得到的數據相差很小，可以認為兩個試驗的結果均在一定的誤差范圍之內。因此，該方法可以作為定性分析超聲波流量計測量精度的手段。