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中国计量院服务三峡工程:解水大流量准确计量难题

计量就像空气,与人类生产生活紧密相连,但又往往不为人们关注。企业离开计量到底行不行?计量在工业生产中到底发挥怎样的作用?计量的进步与产业的发展又有何联系?本报特开设“计量‘企’话”栏目,中国计量院服务三峡工程:解水大流量准确计量难题,围绕计量与企业、计量与产业的典型案例展开报道。我们也希望能有更多企业的人士参与进来,与我们一起分享你们企业与计量的故事。

眼前的照片着实让人震撼:巨大的圆形水流管道前,布满了横七竖八的脚手架。如果不仔细看,很难发现脚手架上那几个带着黄色安全帽的工作人员。“这就是我们5年前给三峡水电站23号机组进行流量计校准的现场。”中国计量院热工所流量室副主任孟涛一边展示照片一边讲解。现在,23号机组已经投产发电,孟涛曾经工作过的空旷水流管道如今已成了长江水滚滚向前的必经之地。

三峡水电站是世界上规模*大的水电站,也是中国有史以来建设*大型的工程项目。32台水轮发电机组,总装机容量2250万千瓦。但是,在参加“水大流量计量与三峡电站流量溯源研究”这个课题之前,这些数字估计也很难让孟涛他们想象出这个世界上*大的水利枢纽工程到底有多“大”。

2007年,在三峡总公司向质检总局提出技术支持请求后,孟涛和他的同事们**次实地进入三峡水电站的发电机组管道。面对着管道的“大”与个人的“小”形成的强烈反差,孟涛他们对这一工程的“大”才有了切身体会。

“大”让三峡水电站年发电量可以达到846.8亿千瓦时,可替代燃煤4000~5000万吨。但“大”同时也给三峡水电站带来了很多世界性的难题,“水流量的准确计量”就是其中一个。

“这么大型的水利工程,水轮机的效率就显得非常重要。如果水轮机的效率下降2%,那每年就将给电站带来15亿千瓦时发电量的巨大损失。”据项目组负责人、中国计量院热工所所长王池介绍,“水大流量测量的准确度是影响水轮机效率测量的重要参数。目前,水大流量测量是世界难题,也是三峡工程当时为数不多的尚未解决的技术难题,是制约水轮机效率测量的瓶颈。”
水大流量是指过流断面的尺寸和其中通过的流量都很巨大,主要指大型引水输水工程中的巨型管道、涵洞和渠道,水电站的机组进水管道等等。从三峡、南水北调这样的国家重点工程,到广泛应用于城镇供水的自来水行业的输水管道,都属于水大流量计量范畴。

2007年,分别来自美国、瑞士和中国的三家超声流量计生产厂家与三峡总公司签订了合同,将各自生产的超声流量计安装在三峡工程的三台水轮机引水管上以测量水流量。“生产厂家声称的指标是否正确需要进行确认。以三峡流量测量为例,基本相同的测量方案,各厂家给出的测量准确度水平从0.3%到1%,差别很大。如果流量计本身的测量准确度无法得到确认,那就谈不上利用这样的流量计去测量水流量。”王池解释。

正如照片所呈现出来的,孟涛他们用来为三峡水电站校准的流量计,样子与传统流量计完全不同:这种超大口径的流量计不是一块仪表的形态,而是由36个分布在圆形水流管道四周的探头组成。

“之前,国内使用的流量计*大口径只有1米多,但三峡水电站安装的流量计口径是12米多。也就是说,三峡水电站使用的流量计,口径是国内已有的*大口径流量计的10倍以上。世界上现有的水流量标准装置的流量上限仅为40m3/s,而三峡水电站常用过水流量达到900m3/s。我们要解决的是几十倍于现有测量范围的流量计量问题,这样大流量的计量研究在国际上也属首次开展。由于流量过大无法搭建标准装置,因此传统的流量计计量校准方法无法使用,必须另辟蹊径。”孟涛说,这是一个艰巨的挑战。

这的确是一个是世界上独一无二的难题。课题组历经5年研究,建立了一套超大口径超声流量计非实流校准装置及方法,先后在三峡电站现场完成了几何参数测量、零流速实验、积分模型检验等工作,课题采用了以模型实验与模拟计算相结合的方法,重点解决了对三峡水电站特殊流场对流量计计量性能影响的评估,为三峡水电站流量计出具了校准报告。

在已完成对三峡电站右岸3台机组流量计校准的基础上,课题组持续开展三峡新建地下电站使用流量计的校准,以及流量计运行状态的长期监测。右岸3台机组的校准结果还被三峡集团公司作为重要的评标依据,参与了三峡上游电站流量计的招标。

在三峡水电站流量计校准研究的基础上,课题组形成了国家校准规范JJF1358-2012《非实流法校准DN1000~DN15000液体超声流量计》,结束了国内超大口径超声流量计无法进行检定校准的历史,并为之提供了可能和具有可操作性的技术方案。

除完成三峡水电站安装的6台机组流量计校准外,中国计量院的计量科研人员还对黄河上游*大的电站——拉西瓦水电站流量计进行了现场校准,为长江上游溪洛渡水电站流量计进行了安装前校准。

孟涛介绍,该项目形成的校准方法除了用于解决各水电站普遍存在的流量计计量关键问题,还将在自来水行业输供水贸易结算的水计量、大企业的工业废水排放的监测问题上得到应用。“现在,我们已经解决了大口径管道超声流量计的非实流校准问题,明渠超声流量计与之也具有一定的关联性。因此,我们正准备与水利部门合作解决明渠流量计的溯源校准问题。”孟涛说。


 

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