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技術 超音波流量計及び超音波流量計の較正方法

出願人 日立GEニュークリア・エナジー株式会社
発明者 沼田祥平鈴木啓嗣鈴木悠人
出願日 2011年11月30日 (9年9ヶ月経過) 出願番号 2011-261222
公開日 2013年6月10日 (8年2ヶ月経過) 公開番号 2013-113755
状態 特許登録済
技術分野 体積流量の測定(II);質量流量の測定 体積、体積流量、液位の試験、較正
主要キーワード 計測誤差範囲 公差管理 模擬条件 断面流速 出力増強 主構造物 製造ノウハウ 実機条件
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課題

超音波流量計による流量の計測精度を向上し、流量計測値が含む誤差を明確に示して熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラント運転効率を向上することを可能とする超音波流量計及び超音波流量計の較正方法を提供する。

解決手段

配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量計測する多測線伝播時間差方方式の超音波流量計の較正方法において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算する解析工程と、解析結果から実機誤差因子の流量計精度への影響の有無を評価する影響評価工程と、解析結果から実機誤差因子の試験範囲を設定する試験範囲設定工程と、解析結果に基づき実流量試験を行う実流量試験工程と、実流量試験結果から各実機誤差因子の影響を評価する試験結果評価工程と、試験結果評価に基づき流量計の較正係数保証精度を決定する較正係数決定工程とを備える。

概要

背景

原子力発電プラントにおいて、原子炉熱出力一定の条件下で定格電気出力以上の発電電力を得る運転を行う場合、熱出力目標値は、熱出力定格値に対して、原子炉熱出力監視装置による熱出力演算誤差に相当する余裕を見込んだ値とする必要がある。

熱出力の演算は主蒸気エンタルピーと給水エンタルピーの差に給水流量を乗じて行う。したがって、熱出力監視信頼性において、主蒸気流量主蒸気温度等の計測精度と比較して、給水流量の計測精度の寄与が大きい。

従来の給水流量計には、フローノズル流量計差圧式流量計)が用いられており、この計測精度が約2%であるため、この誤差を許容するために100%+2%=102%までの出力範囲にわたって発電プラント安全運転を確認していた。

したがって給水流量の計測精度を向上し、熱出力演算における見込誤差を小さくすることができれば、安全を担保したまま、熱出力目標値を現状の100%から発電プラントの能力上限である102%近くまで増強することができる。これは、発電プラント全体に変更を加えなくても、流量計を変えるだけで出力を向上し、発電プラントの運転効率を向上することができることを示している。

流量計測精度が高い流量計として超音波流量計がある。超音波流量計には、ドップラー式伝播時間差式、相関式等、種々あるが、中でも配管内に直接超音波センサを挿入した伝播時間差方式の流量計は、複数の計測線における平均流速を同時に計測することができるため高い計測精度を持つことが知られている。

以上に述べた原子炉給水流量計において、フローノズル流量計の代わりに超音波流量計を利用することで計測精度を高め、それに応じて出力増強し発電プラントの運転効率を向上する方法については、例えば非特許文献1で解説されている。

また、原子炉給水流量計の精度向上対策として、例えば特許文献1には、フローノズル流量計の経年劣化による精度低下を補正して精度向上を図ることが記載されている。特許文献2には、フローノズル流量計とともに超音波流量計を利用することによって、計測精度を判定し、その判定結果に応じた熱出力目標値を選択することで、計測精度に対する信頼性を高め、発電プラントの運転効率向上を図ることが知られている。

上述のように、超音波流量計の中でも特に高精度な多測線伝播時間差方式の超音波流量計を給水流量計として利用することで計測精度を高めることができ、それに伴って発電プラントの運転効率を向上できることが知られている。また構造上経年劣化や圧力損失を生じるフローノズル流量計の代わりに超音波流量計を利用するメリットも大きいことが分かっている。

一方、超音波流量計の主構造物である配管スプールは、高精度の計測機器であるために、高い形状精度で製造することが求められる。特に8対のボスの設置位置や角度精度の要求は非常に高く、公差が厳しく定められる。これに対し、配管スプールの製造方法は、多箇所の溶接を基本とするために高精度に製造するのは非常な技術と労力を要する。例えば、ボスを設置する際には、位置がずれないように固定した上で配管スプールに溶接するが、溶接金属入熱による配管スプールの変形やボスの角度のずれが生じる可能性がある。

したがって、超音波流量計配管スプールの製造に当たっては、製造が可能な範囲に設計公差を設定しつつ、かつ流量計測精度を保証することが必要となってくる。

従来技術では、設計製造時の公差管理重点を置いており、例えば特許文献3や、特許文献4の設計製造支援システムがある。特許文献3は、設計・製造・検査において共有できる一元的な設計製造データとして、設計意図となる公差データ製造ノウハウとなる加工目標値データを記憶・表示するシステムであり、設計製造一般に適用できるものである。特許文献4は、射出成型金型の設計製造に対するもので、射出成型時肉厚変動ひけ熱応力歪シミュレーションにより予測するものである。

それに加え原子炉熱出力の監視に際しては万全の安全確認が求められるため、製造後の最終的な精度保証として、納入後の運転条件に近い条件での試験が行われる。これは、実機での配管引き回しを模擬し、運転中のレイノルズ数に近い流量を流し、流れた水を配管出口タンクに溜めて測った重量と流量計の計測値を比較して較正するものである。これにより最終的な較正係数を決定し、納入プラント毎に異なる配管引き回しなどによる偏差を補正した高精度な流量計を実現する。特許文献5では、さらに解析による検証をこの試験と並行して行い保証精度を高めている。

概要

超音波流量計による流量の計測精度を向上し、流量計測値が含む誤差を明確に示して熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することを可能とする超音波流量計及び超音波流量計の較正方法を提供する。配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量を計測する多測線伝播時間差方方式の超音波流量計の較正方法において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算する解析工程と、解析結果から実機誤差因子の流量計精度への影響の有無を評価する影響評価工程と、解析結果から実機誤差因子の試験範囲を設定する試験範囲設定工程と、解析結果に基づき実流量試験を行う実流量試験工程と、実流量試験結果から各実機誤差因子の影響を評価する試験結果評価工程と、試験結果評価に基づき流量計の較正係数と保証精度を決定する較正係数決定工程とを備える。

目的

本発明は、以上のような事情背景になされたものであり、超音波流量計による流量の計測精度を向上することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することを可能とする超音波流量計及び超音波流量計の較正方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量計測する多測線伝播時間差方式超音波流量計較正方法において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算する解析工程と、前記解析結果から前記実機誤差因子の流量計精度への影響の有無を評価する影響評価工程と、前記解析結果から前記実機誤差因子の試験範囲を設定する試験範囲設定工程と、前記解析結果に基づき実流量試験を行う実流量試験工程と、前記実流量試験結果から各実機誤差因子の影響を評価する試験結果評価工程と、前記試験結果評価に基づき流量計の較正係数流量計測保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項2

請求項1に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、前記試験結果評価工程の評価結果に基づき、前記実機誤差因子の範囲に対応する流量計誤差範囲を計算する流量計精度決定工程を備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項3

請求項1に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、前記実機誤差因子は、流量計前後の配管の長さ、曲げ管形状、流量計設置角度、流量、温度の少なくとも1つを含むことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項4

請求項1に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、前記試験結果評価工程の評価結果に基づき、前記多測線伝播時間差方式の超音波流量計を実機に設置する実機設置工程を備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項5

請求項4に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機設置時に実機設置条件を評価する実機設置条件評価工程と、前記実機設置条件に基づき較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項6

請求項5に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、前記実機設置条件評価工程に加えて、さらに流体・構造・超音波伝播解析により流量計測精度再評価する実機設置条件解析工程を備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項7

請求項1に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機運転時に実機運転条件を評価する実機運転条件評価工程と、前記実機運転条件に基づき較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項8

請求項7に記載された多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、前記実機運転条件評価工程に加えて、さらに流体・構造・超音波伝播解析により流量計測精度を再評価する実機運転条件解析工程を備えたことを特徴とする超音波流量計の較正方法。

請求項9

配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量を計測する多測線伝播時間差方方式のの超音波流量計において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算した解析結果を保持する解析結果記憶手段と、前記解析結果に基づき実流量試験を行った実流量試験結果を保持する試験結果記憶手段と、前記解析結果および前記試験結果に基づき流量計の較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定手段と、較正係数乃至計測誤差範囲を表示する計測結果表示装置とを備えたことを特徴とする超音波流量計。

技術分野

0001

本発明は、超音波流量計係り、特に原子力発電プラント給水流量計に用いられる伝搬時間差式超音波流量計に関わる。

背景技術

0002

原子力発電プラントにおいて、原子炉熱出力一定の条件下で定格電気出力以上の発電電力を得る運転を行う場合、熱出力目標値は、熱出力定格値に対して、原子炉熱出力監視装置による熱出力演算誤差に相当する余裕を見込んだ値とする必要がある。

0003

熱出力の演算は主蒸気エンタルピーと給水エンタルピーの差に給水流量を乗じて行う。したがって、熱出力監視信頼性において、主蒸気流量主蒸気温度等の計測精度と比較して、給水流量の計測精度の寄与が大きい。

0004

従来の給水流量計には、フローノズル流量計差圧式流量計)が用いられており、この計測精度が約2%であるため、この誤差を許容するために100%+2%=102%までの出力範囲にわたって発電プラントの安全運転を確認していた。

0005

したがって給水流量の計測精度を向上し、熱出力演算における見込誤差を小さくすることができれば、安全を担保したまま、熱出力目標値を現状の100%から発電プラントの能力上限である102%近くまで増強することができる。これは、発電プラント全体に変更を加えなくても、流量計を変えるだけで出力を向上し、発電プラントの運転効率を向上することができることを示している。

0006

流量計測精度が高い流量計として超音波流量計がある。超音波流量計には、ドップラー式伝播時間差式、相関式等、種々あるが、中でも配管内に直接超音波センサを挿入した伝播時間差方式の流量計は、複数の計測線における平均流速を同時に計測することができるため高い計測精度を持つことが知られている。

0007

以上に述べた原子炉給水流量計において、フローノズル流量計の代わりに超音波流量計を利用することで計測精度を高め、それに応じて出力増強し発電プラントの運転効率を向上する方法については、例えば非特許文献1で解説されている。

0008

また、原子炉給水流量計の精度向上対策として、例えば特許文献1には、フローノズル流量計の経年劣化による精度低下を補正して精度向上を図ることが記載されている。特許文献2には、フローノズル流量計とともに超音波流量計を利用することによって、計測精度を判定し、その判定結果に応じた熱出力目標値を選択することで、計測精度に対する信頼性を高め、発電プラントの運転効率向上を図ることが知られている。

0009

上述のように、超音波流量計の中でも特に高精度な多測線伝播時間差方式の超音波流量計を給水流量計として利用することで計測精度を高めることができ、それに伴って発電プラントの運転効率を向上できることが知られている。また構造上経年劣化や圧力損失を生じるフローノズル流量計の代わりに超音波流量計を利用するメリットも大きいことが分かっている。

0010

一方、超音波流量計の主構造物である配管スプールは、高精度の計測機器であるために、高い形状精度で製造することが求められる。特に8対のボスの設置位置や角度精度の要求は非常に高く、公差が厳しく定められる。これに対し、配管スプールの製造方法は、多箇所の溶接を基本とするために高精度に製造するのは非常な技術と労力を要する。例えば、ボスを設置する際には、位置がずれないように固定した上で配管スプールに溶接するが、溶接金属入熱による配管スプールの変形やボスの角度のずれが生じる可能性がある。

0011

したがって、超音波流量計配管スプールの製造に当たっては、製造が可能な範囲に設計公差を設定しつつ、かつ流量計測精度を保証することが必要となってくる。

0012

従来技術では、設計製造時の公差管理重点を置いており、例えば特許文献3や、特許文献4の設計製造支援システムがある。特許文献3は、設計・製造・検査において共有できる一元的な設計製造データとして、設計意図となる公差データ製造ノウハウとなる加工目標値データを記憶・表示するシステムであり、設計製造一般に適用できるものである。特許文献4は、射出成型金型の設計製造に対するもので、射出成型時肉厚変動ひけ熱応力歪シミュレーションにより予測するものである。

0013

それに加え原子炉熱出力の監視に際しては万全の安全確認が求められるため、製造後の最終的な精度保証として、納入後の運転条件に近い条件での試験が行われる。これは、実機での配管引き回しを模擬し、運転中のレイノルズ数に近い流量を流し、流れた水を配管出口タンクに溜めて測った重量と流量計の計測値を比較して較正するものである。これにより最終的な較正係数を決定し、納入プラント毎に異なる配管引き回しなどによる偏差を補正した高精度な流量計を実現する。特許文献5では、さらに解析による検証をこの試験と並行して行い保証精度を高めている。

0014

特開平1−221700号公報
特開2006−162413号公報
特開2005−327059号公報
特開平6−55597号公報
特開2011−112533号公報

先行技術

0015

原子炉出力向上に関する技術検討評価の結果について」原子力学会誌、vol.50 No.12 (2008)

発明が解決しようとする課題

0016

しかしながら、試験では実機の温度と圧力を再現できない他、流量計前後の配管引き回しを完全に再現できないことや、実機への流量計設置時の取り付け誤差などの影響もあり、実機条件と全く同等とはいえない。これに対し、従来の試験では、流量計前の直管部長さを変えたり、流量計設置の向き(水平面に対する計測面の角度)を変えたパラメトリック試験を行い、較正係数の範囲を確認している。しかし実機での流速分布は不明であるため、試験条件冗長性を持って定められるなど効率的でなく、その結果保証精度も安全側に低く見積もる傾向があった。

0017

本発明は、以上のような事情背景になされたものであり、超音波流量計による流量の計測精度を向上することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することを可能とする超音波流量計及び超音波流量計の較正方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0018

本発明は、配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量を計測する多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算する解析工程と、解析結果から実機誤差因子の流量計精度への影響の有無を評価する影響評価工程と、解析結果から実機誤差因子の試験範囲を設定する試験範囲設定工程と、解析結果に基づき実流量試験を行う実流量試験工程と、実流量試験結果から各実機誤差因子の影響を評価する試験結果評価工程と、試験結果評価に基づき流量計の較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする。

0019

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、試験結果評価工程の評価結果に基づき、実機誤差因子の範囲に対応する流量計誤差範囲を計算する流量計精度決定工程を備えたことを特徴とする。

0020

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機誤差因子は、流量計前後の配管の長さ、曲げ管形状、流量計設置角度、流量、温度の少なくとも1つを含むことを特徴とする。

0021

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、試験結果評価工程の評価結果に基づき、多測線伝播時間差方式の超音波流量計を実機に設置する実機設置工程を備えたことを特徴とする。

0022

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機設置時に実機設置条件を評価する実機設置条件評価工程と、実機設置条件に基づき較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする。

0023

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機設置条件評価工程に加えて、さらに流体・構造・超音波伝播解析により流量計測精度を再評価する実機設置条件解析工程を備えたことを特徴とする。

0024

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機運転時に実機運転条件を評価する実機運転条件評価工程と、実機運転条件に基づき較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことを特徴とする。

0025

また、多測線伝播時間差方式の超音波流量計の較正方法において、実機運転条件評価工程に加えて、さらに流体・構造・超音波伝播解析により流量計測精度を再評価する実機運転条件解析工程を備えたことを特徴とする。

0026

さらに、配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量を計測する多測線伝播時間差方式の超音波流量計において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算した解析結果を保持する解析結果記憶手段と、解析結果に基づき実流量試験を行った実流量試験結果を保持する試験結果記憶手段と、解析結果および試験結果に基づき流量計の較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定手段と、較正係数乃至計測誤差範囲を表示する計測結果表示装置とを備えたことを特徴とする。

発明の効果

0027

本発明は、配管スプール内に配置した複数対の超音波センサ間に形成された測線上の超音波伝播時間差を求めて配管スプール内の給水流量を計測する多測線伝播時間差方式超音波流量計の較正方法において、実機配管形状における実機誤差因子の影響を流体・構造・超音波伝播連携解析により計算する解析工程と、解析結果から実機誤差因子の流量計精度への影響の有無を評価する影響評価工程と、解析結果から実機誤差因子の試験範囲を設定する試験範囲設定工程と、解析結果に基づき実流量試験を行う実流量試験工程と、実流量試験結果から各実機誤差因子の影響を評価する試験結果評価工程と、試験結果評価に基づき流量計の較正係数と流量計測の保証精度を決定する較正係数決定工程とを備えたことにより、実機設置誤差の影響を小さくして高精度な流量計測を実現することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することが可能となる。

図面の簡単な説明

0028

流量計を使用した時の熱出力目標値の確率分布を示すグラフ
本発明の実施例1における超音波流量計を設置した配管の軸方向断面図。
図2AにおけるBB断面図。
図2AにおけるCC断面図。
本発明の実施例1における超音波流量計の流量計測方法示す模式図。
本発明の実施例1における超音波流量計の較正方法を示すフローチャート
本発明の実施例2における超音波流量計の較正方法を示すフローチャート。
本発明の実施例3における超音波流量計の概略構成図。
本発明の実施例3における超音波流量計の流量計測表示画面を示す説明図。

0029

以下に本発明の実施例を図面について説明する。始めに本発明の基本的な概念について説明する。図1に示すグラフは発電プラントの熱出力目標値を100%とした場合の熱出力演算値の確率分布を表しており、横軸は熱出力、縦軸は確率である。

0030

従来のフローノズル流量計を利用した場合の確率分布201では、熱出力演算精度が低いため標準偏差が大きく幅広な確率分布となる。したがって、安全基準として例えば97.7%の確率を考えると、熱出力目標値100%に対する誤差の範囲は100%±2.3%となり、熱出力102%までが含まれるため熱出力102%までの発電プラントの安全解析が実施される。

0031

それに対し、例えば超音波流量計のように熱出力演算精度が0.3%となる様な高精度の流量計を利用すれば確率分布は202のように急峻なピークとなり、同じ安全基準を適用して97.7%の確率で熱出力が102%を超えないようにすると、熱出力目標値を101.7%まで上げることができ、同一発設備を用いて1.7%の出力増加が可能となる。

0032

実施例1は、超音波流量計の中でも高い計測精度を持つ多測線伝播時間差方式の超音波流量計において、例えば原子力発電プラントの熱出力演算に用いる給水流量値の計測に採用される8測線を有する超音波流量計について説明する。

0033

まず8測線伝播時間差方式の超音波流量計の構造と計測原理について、図2A図2Cを用いて説明する。図2Aは、超音波流量計を設置した配管である配管スプール300の軸方向断面(流体の流れ方向断面)を示している。また、図2B、2Cは配管スプール300の軸方向に垂直な断面を示す。図2B図2A中のB−B面、図2C図2A中のC−C面に対応している。

0034

図2B、2Cに示すように、配管スプール300の周囲には、センサハウジング収納された超音波センサを挿入する枝管(ボス)が左右に8本ずつ合わせて16本溶接されている。

0035

図2Bの配管スプール300上部において、実線で示すボス310a、302a、306a、314aの内部に、点線で示す超音波センサ310b、302b、306b、314bが挿入されている。また、配管スプール300下部においてボス313a、305a、309a、317aの内部に、超音波センサ313b、305b、309b、317bが挿入されている。

0036

同じく、図2Cの配管スプール300上部において、ボス312a、304a、308a、316aの内部に、超音波センサ312b、304b、308b、316bが挿入されている。また配管スプール300下部において、ボス311a、303a、307a、315aの内部に、超音波センサ311b、303b、307b、315bが挿入されている。

0037

図2Aは、図2BのA−A面での配管スプール300の軸方向断面(流体の流れ方向断面)であり、各ボスは挿入された超音波センサが管軸方向に45°の角度で向かい合うように配置される。例えば、ボス302aに挿入された超音波センサ302bは、ボス303aに挿入された超音波センサ303bと正対している。また、ボス304aに挿入された超音波センサ304bは、ボス305aに挿入された超音波センサ305bと正対している。図2Aには、図2BのA−A面での配管スプール300の横断面(流体の流れ方向断面)のみを示したが、A−A面に平行な他の横断面においてもボスと超音波センサが同様に配置されている。

0038

これらの互いに正対した一対の超音波センサが1つの測線Mを構成し、16個の超音波センサにより8本の測線を得る。各測線ごとに流体の流れに沿った下流方向と流れに逆らう上流方向の超音波伝播時間差を計測することにより超音波センサ間の線平均流速を算出する。

0039

図2Aにおいて、例えば水の流れ方向は配管スプール内流速分布301に示すように紙面左から右であり、配管スプール300の中央部分が流速大で周辺部分(配管スプールの壁面側)が流速少である。このときの超音波センサ302bと303bの間の線平均流速を求める。

0040

これは、まず上流側の超音波センサ302bで超音波発信し下流側の超音波センサ303bで受信したときの下流方向伝播時間Tdを計測し、次に下流側の超音波センサ303bで超音波を発信し上流側の超音波センサ302bで受信したときの上流方向伝播時間Tuを計測する。このとき、流れ方向の流速Vの影響により、超音波伝播経路方向の見かけ音速がV′=Vsin45だけ下流方向では速く、上流方向では遅くなる。したがって、伝播時間差ΔTは、
ΔT=Tu−Td ・・・(1)
で計算され、この値とセンサ間距離及び音速から、センサ間の線平均流速Vが求まる。なお、係る計測は他の測線においても同様に実施される。

0041

図2B、2Cにおいては、図2Aで説明したように、超音波センサ302bと303b、超音波センサ304bと305b、超音波センサ306bと307b、超音波センサ308bと309bが対となっている。また、超音波センサ310bと311b、超音波センサ312bと313b、超音波センサ314bと315b、超音波センサ316bと317bが対となっている。このように、同一平面内で二組の超音波センサの形成する測線が直交するように配置されており、全体として8測線型となっている。

0042

8測線伝播時間差方式の超音波流量計においては、8測線それぞれについて求められた線平均流速を用いて、配管スプール内の平均流量を計算する。これには有限離散値から高精度に積分可能なガウス積分を利用する。ガウス積分では、線平均流速の計測位置が予め定められており、各位置の計測値に重みづけをして積算される。

0043

8測線型では、302b−303b、306b−307b、310b−311b、314b−315bの4測線と、304b−305b、308b−309b、312b−313b、316b−317bの4測線のそれぞれでガウス積分を行い、その平均をとることで計測精度を高めている。

0044

図3は、本発明の実施例1による超音波流量計のガウス積分計算の一例を示す模式図である。配管スプール管軸に垂直な断面400において、点線で示した401a、402a、403a、404aがX座標上の測線位置を示し、401b、402b、403b、404bが各測線の寄与率を示している。一般に、各測線の位置ξ1、ξ2、ξ3、ξ4はガウス積分の公式に基づき直交多項式零点に設定され、各測線寄与率w1、w2、w3、w4はガウス積分の重み係数の値が用いられる。ガウス積分は分点の数nに対し、2n−1次の多項式近似に相当するため、測線4つでは7次多項式近似になり、少ない分点で精度の高い近似を行うことができる。

0045

これにより、流量Uは、配管スプール管径をD、各測線の長さをL1、L2、L3、L4として、
U=D・(w1・L1・V1+w2・L2・V2+
w3・L3・V3+w4・L4・V4)・・・(2)
で算出される。つまり、D・w1・L1、D・w2・L2、D・w3・L3、D・w4・L4の和が管断面の円の面積となり、それぞれの平均流速がV1、V2、V3、V4で表されることを示している。

0046

しかし、円の面積は7次多項式で表しても約0.6%程度の偏差があり、さらに実際の流速分布では偏流旋回流が生じているため、本来の高精度近似が達成できない懸念がある。したがって、従来、試験により流量の較正係数PFを求め、計測流量U’を
U’=PF・U ・・・(3)
として高精度計測を達成している。

0047

図4は、本発明の実施例1による超音波流量計の較正方法の手順を各工程(ステップ)について示すフローチャートである。まず実機配管ルーティング設計ステップS100により、実機での流量計設置位置と流量計前後のエルボ形状エルボ間直管部の長さ、配管径テーパー形状等、また流量・温度・圧力等の流体条件を決定する。

0048

次にパラメータ(実機誤差因子)抽出ステップS101により、実機設置時の不確定要素となる可能性のある配管スプールの設置角度やエルボ間直管長さ、流体条件等を抽出する。ここで、実機誤差因子から測定時に選択された特定の実機誤差因子をパラメータと呼ぶ。そして流体・構造・超音波伝播連携解析ステップS102により、実機条件を模擬計算し、ステップS101で抽出した実機誤差因子について、影響評価ステップS103において各因子が変動する可能性のある範囲での流量計精度へのする()。

0049

評価の結果、その因子が考えうる変動範囲で流量計精度に影響しないことが分かればステップ101に戻って他の因子を評価する。他の因子が流量計精度に影響することが分かれば試験範囲設定ステップS104により試験で確認する水準(変動範囲)を決定する。すなわち流量計精度に影響のある因子のみを取出して試験に用いる。

0050

各実機誤差因子について一連の評価を実施し、全因子の評価終了と判断すると(ステップS105)、試験条件決定ステップS106により、各因子の試験範囲を組み合わせた試験条件を決定し、実機に近い条件を再現可能な試験設備で実流量試験ステップS107を実施する。

0051

次に、試験結果評価ステップS108において、試験結果に基づき、各因子の変動範囲と流量計指示値の変動範囲を評価する。ここで、試験結果評価では、影響評価ステップS103で得られた流体・構造・超音波伝播連携解析による評価結果を合わせて参照してもよい。そうすることにより、実験では再現できない実機の温度や圧力も考慮したより正確な評価を行うことができる。

0052

最後に、試験結果評価ステップS108の評価結果に基づき、較正係数決定ステップS109で各実機誤差因子の変動に対して最も精度が良く、又は最もばらつきが少なくなるように較正係数を決定し、同時に、流量計精度決定ステップS110で各実機誤差因子の影響を積算して流量計の最終的な精度を決定する。

0053

実施例1の超音波流量計の較正方法により、実機設置時の各実機条件誤差の影響を正確に評価して高精度な流量計測を実現することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することが可能となる。

0054

図5は、本発明の実施例2による超音波流量計の較正方法の手順を示すフローチャートである。実施例2による手順のうち、前半部分は図4に示した実施例1と同様であるので、ここでは実施例1と異なる部分のみ説明する。

0055

図5において、実流量試験後に試験結果を評価する試験結果評価ステップS108までは図4に示した実施例1と同様である。実施例2では、次に、試験した流量計配管スプールを実機に設置する実機設置ステップS111を行う。これは、上記流量計配管スプールを実際のプラントに設置して行う。ここで、実機設置に当たっては、ステップS103で得られた流体・構造・超音波伝播連携解析による評価結果、又はステップS108で得られた実流量試験による評価結果を参照してもよい。そうすることにより、より流量計測精度を向上できる配置にしたり、あるいは逆に精度を担保しつつ配管長さを短くしたりスペースを確保したりすることができる。

0056

次に、実機設置条件評価ステップS112により、実機設置後の設置状態を測定し詳細に評価する。これにより、ステップS108で評価した誤差要因の変動範囲を実機状態に絞り込むことができ、流量計測値が含む誤差範囲を絞り込むことができる。

0057

ここで、実機設置条件評価ステップS112に続いて、さらに実機設置状態を正確に模擬した流体・構造・超音波伝播解析を実施することができる。例えば、ステップS112の後に、実機設置条件解析ステップS113、実機運転条件評価ステップS114、および実機運転時に実機運転条件を評価する実機運転条件解析ステップS115を行う。このように構成することにより、実機条件をより正確に反映した評価を行うことができる。

0058

最後に、ステップS112又はステップ115の評価結果に基づき、較正係数決定ステップS109で各実機誤差因子の変動に対して最も精度が良い乃至は最もばらつきが少ないように較正係数を決定し、同時に、流量計精度決定ステップS110で各実機誤差因子の影響を積算して流量計の最終的な精度を決定する。

0059

実施例2の超音波流量計の較正方法により、実機設置時の各実機条件誤差の影響を最小限にして高精度な流量計測を実現することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することが可能となる。

0060

図6は、本発明の実施例3による超音波流量計の構成を示す。実施例3の超音波流量計は、実施例1または実施例2に示した超音波流量計の較正方法により較正した流量計を示すものである。

0061

図6において、超音波流量計100は、流体・構造・超音波伝播解析手段101により流体・構造・超音波伝播解析を行い流量計測精度を評価した結果を保持する解析結果データ記憶装置101aと、実流量試験手段102により実機模擬条件で試験を行い流量計測精度を評価した結果を保持する試験結果データ記憶装置102aと、実機設置条件測定手段103により実機設置後の設置状態の測定・評価を行った結果を保持する実機設置条件データ記憶装置103aと、超音波伝播時間差による各測線の平均流速計測を行う測線平均流速計測手段104と、測線平均流速計測手段104で計測した結果を保持する測線平均流速計測データ記憶装置104aと、解析結果データ及び試験結果データ及び測線平均流速計測データから較正係数を決定し、それに基づき流量及び誤差範囲を決定する較正係数決定手段105と、較正係数決定手段105で決定した結果を保持する流量計測データ記憶装置105aと、解析結果データ及び試験結果データ及び測線平均流速計測データ及び流量計測データを表示する計測結果表示装置106を備える。

0062

まず、流体・構造・超音波伝播解析手段101により、実機での流量計設置位置と流量計前後のエルボ形状、エルボ間直管部の長さ、配管径・テーパー形状等、また流量・温度・圧力等の流体条件について、実機設置時の不確定要素となる可能性のある実機誤差因子の誤差範囲を考慮した解析を実施し、評価した結果を解析結果データ記憶装置101aに記憶する。

0063

ここで、流体・構造・超音波伝播解析手段101は超音波流量計100に含まれないとしたが、超音波流量計100に含み、実機設置後または実機運転中に実機設置状態を正確に模擬した流体・構造・超音波伝播解析を実施してもよい。そうすることにより、実機条件を正確に反映した評価を行うことができる。

0064

次に、実流量試験手段102により、解析結果データ記憶装置101aに保持した実機誤差因子の影響評価結果に基づき、実機誤差因子の誤差範囲を考慮した実機模擬試験を実施し、評価した結果を試験結果データ記憶装置102aに記憶する。

0065

次に実機設置後、実機設置条件測定手段103により、実機での流量計設置位置と流量計前後のエルボ形状、エルボ間直管部の長さ、配管径・テーパー形状等、また実機誤差因子として解析・試験で評価した配管スプールの設置角度やエルボ間直管長さ、流体条件等を測定・評価し、実機設置条件データ記憶装置103aに記憶する。ここで、実機設置条件データ記憶装置103aには、流量・温度・圧力等の実機運転中の流体条件を記憶してもよい。

0066

次に実機運転中、測線平均流速計測手段104により、超音波伝播時間差による各測線の平均流速計測を行い、計測した結果を測線平均流速計測データ記憶装置104aに記憶する。また同時に、測線平均流速計測データを較正係数決定手段105に渡す。較正係数決定手段105は、解析結果データ記憶装置101aと試験結果データ記憶装置102aと実機設置条件データ記憶装置103aから解析結果データ及び試験結果データ及び実機設置条件データを参照し、その時点の運転条件において、最も流量計測精度が高くなるように、または最も誤差範囲が小さくなるように較正係数を決定し、それに基づき流量及び誤差範囲を決定し、各値を流量計測データ記憶装置105aに記憶する。

0067

最後に、計測結果表示手段106により、解析結果データ記憶装置101aと試験結果データ記憶装置102aと実機設置条件データ記憶装置103aと測線平均流速計測データ記憶装置104a及び流量計測データ記憶装置105aから、その時点の較正係数決定の根拠となる解析結果データ及び試験結果データ及び実機設置条件データを表示し、較正係数及び流量及び誤差範囲を表示する。

0068

図7は、計測結果表示装置106で表示される計測結果表示画面の一例である。図7において、計測結果表示画面500は、実機設置条件データ記憶装置103aに記憶された実機における流量計前後の配管構成のデータ及び配管スプール設置角度及び超音波センサの位置・角度データを表示する。

0069

また、表示した実機構成と、測線平均流速計測データ記憶装置102aから得られた測線平均流速に適合する配管スプール内の流速分布を、解析結果データ記憶装置101aと試験結果データ記憶装置102aに記憶された解析結果データ及び試験結果データから抽出して表示する。さらに、その時点でのレイノルズ数と、表示しているデータに基づき決定した較正係数と、その較正係数により求まる流量と、表示している流量値に含まれる誤差範囲をリアルタイムで表示する。

実施例

0070

実施例3の超音波流量計により、実機設置時の各実機条件誤差の影響を最小限にして高精度な流量計測を実現することができ、また流量計測値が含む誤差を明確に示すことができ、それにより熱出力演算における見込誤差をより小さくすることができ、発電プラントの運転効率を向上することが可能となる。

0071

100…超音波流量計
101…流体・構造・超音波伝播解析手段
102…実流量試験手段
103…実機設置条件測定手段
104…測線平均流速計測手段
105…較正係数決定手段
106…計測結果表示装置
300…超音波流量計配管スプール
301…配管スプール内流速分布
302b〜317b…超音波センサ
400…配管スプール断面流速分布
401a〜404a…測線位置
500…計測結果表示画面

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