(57)【要約】【課題】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を用いた流量計測方法を提供する。【解決手段】多測線伝播時間差方式の超音波流量計において、各測線のセンサ間距離乃至センサ設置位置乃至センサ設置角度の実測値を入力するセンサ情報入力装置、センサ情報入力値に基づいて超音波流量計内の流れ解析および超音波流量計の熱変形解析及び超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析装置、センサ情報データ及び解析結果データに基づいて各測線の平均流速を計測する測線平均流速計算装置、センサ情報データに基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置、測線平均流速データ及び測線寄与率データに基づいて流量を計測する流量計算装置、および測線平均流速データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する計測結果表示装置を備える。【選択図】図３
2013024646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、
各測線に対応する超音波センサのセンサ間距離とセンサ設置位置とセンサ設置角度の実測値をセンサ情報入力値として前記超音波流量計に入力するセンサ情報実測値入力装置と、
前記センサ情報実測値入力に基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算装置と、
前記センサ情報実測値入力に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置と、
算出された前記測線平均流速と前記測線寄与率に基づいて流量を計算する流量計算装置と、
前記算出された測線平均流速及び前記測線寄与率及び流量を表示する計測結果表示装置
を備えたことを特徴とする超音波流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波流量計において、
超音波流量計内の流れ解析及び前記センサ情報入力値に基づく超音波流量計の熱変形解析及び前記センサ情報入力値に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析装置を有し、
該流体・構造・超音波伝播解析装置の解析結果に基づき測線平均流速を補正することを特徴とする超音波流量計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の超音波流量計において、
各測線の平均流速計測値に基づいて偏流分布又は旋回流分布の少なくとも１つを計算する偏流・旋回流分布計算装置を有し、
該偏流・旋回流分布計算装置により算出された前記偏流分布又は旋回流分布の少なくとも１つに基づいて前記測線寄与率計算装置により各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算し、
前記計測結果表示装置により前記偏流分布又は旋回流分布及び前記測線寄与率及び流量を表示することを特徴とする超音波流量計。
【請求項４】
請求項３に記載の超音波流量計において、
前記流体・構造・超音波伝播解析装置の解析結果に基づき、前記測線寄与率計算装置により計算された測線寄与率を補正することを特徴とする超音波流量計。
【請求項５】
請求項１に記載の超音波流量計において、前記センサ情報実測値入力装置から入力されたセンサ情報実測値を記憶するセンサ情報実測値データ記憶装置と、前記測線平均流速計算装置により算出された測線平均流速を記憶する測線平均流速データ記憶装置と、前記測線寄与率計算装置により算出された測線寄与率を記憶する測線寄与率データ記憶装置とを有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項６】
請求項２に記載の超音波流量計において、前記流体・構造・超音波伝播解析装置による解析結果を記憶する解析結果データ記憶装置を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項７】
請求項３に記載の超音波流量計において、前記偏流・旋回流分布計算装置により算出された前記偏流分布又は旋回流分布を記憶する偏流・旋回流分布データ記憶装置を有することを特徴とする超音波流量計。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の超音波流量計において、センサ情報実測値による流量と、前記流量計算装置により計算された流量を前記計測結果表示装置に表示することを特徴とする超音波流量計。
【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により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よる流量計測方法において、
各測線に対応する超音波センサのセンサ間距離とセンサ設置位置とセンサ設置角度の実測値を入力するセンサ情報実測値入力ステップと、
前記入力値に基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算ステップと、
前記入力値に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算ステップと、
前記測線寄与率計算ステップと、前記測線平均流速計算ステップによって給水流量を計算する流量計算行程と、
前記測線平均流速及び前記測線寄与率及び流量を表示する計測結果表示ステップ
を有することを特徴とする超音波流量計による流量計測方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波流量計による流量計測方法において、
超音波流量計内の流れ解析及び前記センサ情報入力値に基づく超音波流量計の熱変形解析及び前記センサ情報入力値に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析ステップと、
該流体・構造・超音波伝播解析ステップの解析結果に基づき前記測線平均流速得計算行程の計算を補正する測線平均流速補正ステップ
を有することを特徴とする超音波流量計による流量計測方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の超音波流量計による流量計測方法において、
前記測線平均流速計算行程により計算した各測線の平均流速から偏流乃至旋回流分布を計測する偏流・旋回流分布計算ステップと、
該偏流・旋回流分布計算ステップで算出された偏流・旋回流分布に基づいて、前記測線寄与率計算行程で測線寄与率を計算する測線寄与率計算ステップを有する
ことを特徴とする超音波流量計による流量計測方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波流量計による流量計測方法において、
超音波流量計内の流れ解析及び超音波流量計の熱変形解析及び前記流れ解析結果および前記熱変形解析結果に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析ステップと、
該流体・構造・超音波伝播解析ステップの解析結果に基づき偏流乃至旋回流分布を補正する測線平均流速補正ステップ
を有することを特徴とする超音波流量計による流量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波流量計に係り、特に原子力等発電プラントの給水流量計に用いられる伝播時間差方式の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に、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の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、熱出力監視の信頼性において、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、計測精度状態を判定し、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、溶接金属の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に重点を置いており、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、射出成型時の肉厚変動やひけを熱応力歪シミュレーションにより予測するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１−２２１７００号公報
【特許文献２】特開２００６−１６２４１３号公報
【特許文献３】特開２００５−３２７０５９号公報
【特許文献４】特開平６−５５５９７号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】「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)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、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、そのような超音波流量計を利用するにあたって、流量計測精度に寄与する部位が必要な公差内の位置及び角度で製造されているかを検証し、設計値に対する製造誤差の影響をできる限り小さくして、流量計測精度の保証値を向上することが非常に重要である。
【００１６】
本発明は、以上のような事情を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を用いた流量計測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】
【００１７】
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において、各測線に対応する超音波センサのセンサ間距離とセンサ設置位置とセンサ設置角度の実測値をセンサ情報入力値として超音波流量計に入力するセンサ情報実測値入力装置と、センサ情報実測値入力に基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算装置と、センサ情報実測値入力に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置と、算出された測線平均流速と測線寄与率に基づいて流量を計算する流量計算装置と、算出された測線平均流速及び測線寄与率及び流量を表示する計測結果表示装置を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、超音波流量計において、超音波流量計内の流れ解析及びセンサ情報入力値に基づく超音波流量計の熱変形解析及びセンサ情報入力値に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析装置を有し、流体・構造・超音波伝播解析装置の解析結果に基づき測線平均流速を補正することを特徴とする。
【００１９】
また、超音波流量計において、各測線の平均流速計測値に基づいて偏流分布又は旋回流分布の少なくとも１つを計算する偏流・旋回流分布計算装置を有し、偏流・旋回流分布計算装置により算出された偏流分布又は旋回流分布の少なくとも１つに基づいて測線寄与率計算装置により各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算し、計測結果表示装置により偏流分布又は旋回流分布及び測線寄与率及び流量を表示することを特徴とする。
【００２０】
また、超音波流量計において、流体・構造・超音波伝播解析装置の解析結果に基づき、測線寄与率計算装置により計算された測線寄与率を補正することを特徴とする。
【００２１】
また、超音波流量計において、センサ情報実測値入力装置から入力されたセンサ情報実測値を記憶するセンサ情報実測値データ記憶装置と、測線平均流速計算装置により算出された測線平均流速を記憶する測線平均流速データ記憶装置と、測線寄与率計算装置により算出された測線寄与率を記憶する測線寄与率データ記憶装置とを有することを特徴とする。
【００２２】
また、超音波流量計において、流体・構造・超音波伝播解析装置による解析結果を記憶する解析結果データ記憶装置を有することを特徴とする。
【００２３】
また、超音波流量計において、偏流・旋回流分布計算装置により算出された偏流分布又は旋回流分布を記憶する偏流・旋回流分布データ記憶装置を有することを特徴とする。
【００２４】
また、超音波流量計において、センサ情報実測値による流量と、流量計算装置により計算された流量を計測結果表示装置に表示することを特徴とする。
【００２５】
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により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よる流量計測方法において、各測線に対応する超音波センサのセンサ間距離とセンサ設置位置とセンサ設置角度の実測値を入力するセンサ情報実測値入力ステップと、入力値に基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算ステップと、入力値に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算ステップと、測線寄与率計算ステップと、測線平均流速計算ステップによって給水流量を計算する流量計算行程と、測線平均流速及び測線寄与率及び流量を表示する計測結果表示ステップを有することを特徴とする。
【００２６】
さらに、超音波流量計による流量計測方法において、超音波流量計内の流れ解析及びセンサ情報入力値に基づく超音波流量計の熱変形解析及びセンサ情報入力値に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析ステップと、流体・構造・超音波伝播解析ステップの解析結果に基づき測線平均流速得計算行程の計算を補正する測線平均流速補正ステップを有することを特徴とする。
【００２７】
さらに、超音波流量計による流量計測方法において、測線平均流速計算行程により計算した各測線の平均流速から偏流乃至旋回流分布を計測する偏流・旋回流分布計算ステップと、偏流・旋回流分布計算ステップで算出された偏流・旋回流分布に基づいて、測線寄与率計算行程で測線寄与率を計算する測線寄与率計算ステップを有することを特徴とする。
【００２８】
さらに、超音波流量計による流量計測方法において、超音波流量計内の流れ解析及び超音波流量計の熱変形解析及び流れ解析結果および熱変形解析結果に基づく超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析ステップと、流体・構造・超音波伝播解析ステップの解析結果に基づき偏流乃至旋回流分布を補正する測線平均流速補正ステップを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
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において、各測線に対応する超音波センサのセンサ間距離とセンサ設置位置とセンサ設置角度の実測値をセンサ情報入力値として超音波流量計に入力するセンサ情報実測値入力装置と、センサ情報実測値入力に基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算装置と、センサ情報実測値入力に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置と、算出された測線平均流速と測線寄与率に基づいて流量を計算する流量計算装置と、算出された測線平均流速及び測線寄与率及び流量を表示する計測結果表示装置を備えたことにより、製造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】
【００３０】
【図１】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。
【図２Ａ】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２Ｂ】図２ＡにおけるＢＢ断面図。
【図２Ｃ】図２ＡにおけるＣＣ断面図。
【図３】本発明の実施例１における超音波流量計の概略構成図。
【図４】本発明の実施例１における測線平均流速の計測例を示す模式図。
【図５】本発明の実施例１における測線寄与率の計算方法を示す模式図。
【図６】本発明の実施例１における流量計測方法を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例２における超音波流量計の概略構成図。
【図８】本発明の実施例２における測線寄与率の計算方法を示す模式図。
【図９】本発明の実施例２における流量計測方法の表示画面を示す説明図。
【図１０】本発明の実施例２における流量計測方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、同一発電設備を用いて１．７％の出力増加が可能となる。
【実施例１】
【００３４】
実施例１は、超音波流量計の中でも高い計測精度を持つ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計測線を有する超音波流量計について説明する。
【００３５】
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。
【００３６】
図２Ｂ、２Ｃに示すように、配管スプール３００の周囲には、センサハウジングに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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
これは、まず上流側の超音波センサ３０２ｂで超音波を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の音速が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、かかる計測は他の測線においても同様に実施される。
【００４３】
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。
【００４４】
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。これには有限の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。
【００４５】
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。
【００４６】
図３は、実施例１の超音波流量計の概略構成図である。図３において、超音波流量計１００は、各測線の超音波伝播時間、超音波センサ間距離、センサ設置位置、センサ設置角度の実測値であるセンサ情報データを入力するセンサ情報実測値入力装置１０１と、センサ情報データを記憶するセンサ情報実測値データ記憶装置１０１ａと、センサ情報データに基づいて流量計内の流れ解析および流量計の熱変形解析及び超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析装置１０２と、解析結果データを記憶する解析結果データ記憶装置１０２ａと、センサ情報データ及び解析結果データに基づいて各測線の平均流速を計算する測線平均流速計算装置１０３と、算出された測線平均流速データを記憶する測線平均流速データ記憶装置１０３ａを有する。
【００４７】
超音波流量計１００は、さらにセンサ情報データに基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置１０４と、算出された測線寄与率データを記憶する測線寄与率データ記憶装置１０４ａと、測線平均流速データ及び測線寄与率データに基づいて流量を計測する流量計算装置１０５と、測線平均流速データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する計測結果表示装置１０６を有する。
【００４８】
超音波流量計１００において、まずセンサ情報入力装置１０１により、センサ情報データ記憶装置１０１ａに各測線のセンサ間距離、センサ設置位置およびセンサ設置角度を含むセンサ情報データの実測値が入力される。ここで、センサ情報入力装置１０１やセンサ情報データ記憶装置１０１ａは、例えばコンピュータとそれに付随したキーボードや電子的記憶装置を有する。また、入力されるセンサ情報は配管スプール製造後の実測値であり、計測の不確かさも含めた実測値を入力することにより、さらに信頼性を高めることができる。センサ情報の入力は自動的に、又はオペレータ入力により行われる。
【００４９】
次に、流体・構造・超音波伝播解析装置１０２により解析結果データが作成される。解析結果データは、実際の製造後のセンサ情報に基づき、実機の高温高圧状態における流量範囲において上流方向及び下流方向の超音波伝播時間を解析し、設計値での解析結果と比較したものである。これにより、製造時の誤差により流量計測値がどれだけずれるのかを見積もることができる。
【００５０】
次に、測線平均流速計算装置１０３により測線平均流速データが作成される。測線平均流速データは、実際の製造後のセンサ情報に基づき、通常設計値を用いて計算される測線平均流速を正確に計算する。これにより、製造時の誤差の影響をキャンセルすることができ、さらに解析結果データと比較検証することにより信頼性の高い計測値を求めることができる。
【００５１】
センサ情報データ記憶装置１０１ａのデータは、計測結果表示装置１０６に表示され、計算結果と実測値の誤差を確認することができる。
【００５２】
ここで、図４を用いてセンサ情報のうち流れ方向のセンサ角度に基づく測線平均流速の計測例を説明する。図４は、本発明の実施例１による超音波流量計の測線平均流速計測の一例を示す模式図である。流量計スプール４００は図２Ａの断面に対応し、流量計スプールの超音波伝播経路を含む断面を示している。計量計スプール４００には上流側超音波センサ４０１と下流側超音波センサ４０２が挿入されている。上流側超音波センサ４０１から発信された超音波パルスは下流方向音線４０３上を進み、下流方向伝播時間Ｔｄ後に下流側超音波センサ４０２に到達する。同様に、下流側超音波センサ４０２から発信された超音波パルスは上流方向音線４０４上を進み、上流方向伝播時間Ｔｕ後に上流側超音波センサ４０１に到達する。
【００５３】
通常、音線４０３と音線４０４は重なると想定されるので、センサ間距離をＬ、線平均流速をＶ、音速をＣ、音線と流れ方向（配管スプール管軸方向）との角度をθとして、下流方向伝播時間Ｔｄ及び上流方向伝播時間Ｔｕはそれぞれ、
Ｔｄ＝Ｌ／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθ）            ・・・（２）
Ｔｕ＝Ｌ／（Ｃ−Ｖｃｏｓθ）            ・・・（３）
で表される。したがって、式（１）でその差ΔＴを計算することにより、線平均流速Ｖは、
Ｖ＝ΔＴ・Ｃ２／２ｃｏｓθ            ・・・（４）
で表される。
【００５４】
ところが、実際には上流側超音波センサ４０１と下流側超音波センサ４０２の製造時の設置角度のずれにより、下流方向音線４０３と上流方向音線４０４は角度αのずれをもち、各音線と流れ方向の角度θｄとθｕも異なってくる。したがって、これを考慮して下流方向伝播時間Ｔｄ及び上流方向伝播時間Ｔｕを求めると、
Ｔｄ＝Ｌｃｏｓα／（Ｃ＋Ｖｃｏｓθｄ）  ・・・（５）        
Ｔｕ＝Ｌｃｏｓα／（Ｃ−Ｖｃｏｓθｕ）  ・・・（６）
となる。これを用いて測線平均流速を実測値に忠実に計算することにより、製造時の誤差の影響をキャンセルすることができ、計測精度を向上することができる。
【００５５】
次に、図３において超音波流量計１００は、測線寄与率計算装置１０４により、センサ情報データに基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算し、測線寄与率データが測線寄与率データ記憶装置１０４ａに記憶される。そして流量計算装置１０５により、測線平均流速データ及び測線寄与率データに基づいて流量を計測する。
【００５６】
次に、図５を用いて測線寄与率計算及び測線寄与率に基づく流量計測の例を説明する。図５は、本発明の実施例１による超音波流量計の測線寄与率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５００において、点線で示した５０１ａ、５０２ａ、５０３ａ、５０４ａがＸ座標上の測線位置を示し、５０１ｂ、５０２ｂ、５０３ｂ、５０４ｂ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の零点に設定され、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。
【００５７】
これにより、流量Ｕは、流量計算装置１０５によって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） ・・・（７）
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。
【００５８】
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、さらに実際の測線位置がガウス積分の分点の位置からずれるため、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                          ・・・（８）
として高精度計測を達成している。
【００５９】
この場合、試験条件に近い運転条件では非常に高い精度を確保できるが、高温・高圧・高レイノルズ数など運転条件が試験条件と乖離した場合に、精度が低下する可能性がある。そこで、実際の配管スプール形状、測線位置に合わせて流量計算式中のＤ、ｗ、Ｌを設定することで運転条件が試験条件と異なる場合の偏差を予測し修正することが可能となる。例えばｗについて、管断面の円の面積を正確に算出するように設定したり、配管スプール形状の歪みや測線位置のずれを考慮して断面積の配分率を調整するように設定したりすることにより、実際の運転時の精度向上、信頼性向上を図ることができる。
【００６０】
ここで、試験条件と運転条件の偏差の予測には流体・構造・超音波伝播解析を用いれば、実機での配管スプール管径Ｄ、各測線の長さＬ、各測線寄与率ｗを精度よく設定することができ、流量計測精度をより向上することができる。
【００６１】
最後に、超音波流量計１００は、計測結果表示装置１０６により、測線平均流速データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する。ここで計測結果表示装置１０６には、入力の製造誤差実測値を製造誤差測定の精度とともに表示してもよく、またその場合は、流量計測値とともに流量計測の精度を表示してもよい。
【００６２】
本発明の多測線伝播時間差方式の超音波流量計により、製造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。
【００６３】
図６は、本発明の実施例１による超音波流量計の流量計測手順を示すフローチャートである。超音波流量計による流量計測を開始すると、センサ情報実測値入力ステップＳ１０１により各測線のセンサ間距離乃至センサ設置位置乃至センサ設置角度の実測値を超音波流量計に入力し、測線平均流速計測ステップＳ１０２により実測値に基づいて各測線の平均流速を計測し、流体・構造・超音波伝播解析ステップＳ１０３により実測値に基づいて流量計内の流れ解析および流量計の熱変形解析及び超音波伝播解析を行う。
【００６４】
その後、測線平均流速補正ステップＳ１０５により、ステップＳ１０２による各測線平均流速の計測結果をステップＳ１０３による解析結果に基づき補正計算する。一方、測線寄与率計算ステップＳ１０４により実測値に基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算し、流量計測ステップＳ１０６によりステップＳ１０５による各測線の平均流速とステップＳ１０４による各測線の寄与率から流量を計測する。
【００６５】
最後に、計測結果表示ステップＳ１０７により測線平均流速及び測線寄与率及び流量を表示する。
【００６６】
実施例１の流量計測方法により、製造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。
【実施例２】
【００６７】
図７は、本発明の超音波流量計の実施例２における概略構成図を示す。実施例２は、給水の平均流速だけでなく、偏流や旋回流の影響を計算に取入れてより高精度な計測を行うものである。
【００６８】
図７において、超音波流量計６００は、センサ情報実測値データ記憶装置６０７ａのセンサ情報実測値に基づいて測線平均流速を計算する測線平均流速計算装置６０６のデータを記憶する各測線の平均流速データ記憶装置６００ａと、各測線平均流速データから偏流・旋回流分布を計算する偏流・旋回流分布計算装置６０１と、偏流・旋回流分布データ記憶装置６０１ａと、流量計内の流れ解析および流量計の熱変形解析及び超音波伝播解析を行う流体・構造・超音波伝播解析装置６０２と、解析結果データ記憶装置６０２ａを有する。６０６は測線平均流速計算装置である。
【００６９】
また、偏流・旋回流分布データ及び解析結果データに基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算する測線寄与率計算装置６０３と、測線寄与率データ記憶装置６０３ａと、測線平均流速データ及び測線寄与率データに基づいて流量を計算する流量計算装置６０４と、測線平均流速データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する計測結果表示装置６０５を有する。
【００７０】
まず、偏流・旋回流分布計算装置６０１により偏流・旋回流分布が計算され、偏流・旋回流分布データ記憶装置６０１ａに偏流・旋回流分布が記憶される。偏流・旋回流分布計測には８測線の平均流速が利用される。例えば偏流の強度は配管スプール断面の片側半円の流量に対する反対側半円の流量の比によって表す。また、旋回流は直交する測線の平均流速の差から求めることができる。
【００７１】
次に、流体・構造・超音波伝播解析装置６０２により、解析結果データが作成され、解析結果データ記憶装置６０２ａに記憶される。解析結果データは、実際の製造後のセンサ情報に基づき、実機の高温高圧状態における流量範囲において上流方向及び下流方向の超音波伝播時間を解析し、偏流・旋回流分布と偏流・旋回流による流量計測値への影響を評価したものである。ここで解析結果データを実測の偏流・旋回流の状態と比較することにより、運転時に流量計測値がどれだけずれるのかを見積もり、さらに測線寄与率をどれほど調整すれば、正確な流量を計測することができるかを計算することができる。
【００７２】
次に、超音波流量計６００は、測線寄与率計算装置６０３により、偏流・旋回流分布データ及び解析結果データに基づいて各測線平均流速の流量に対する寄与率を計算し、測線寄与率データが測線寄与率データ記憶装置６０３ａに記憶される。そして流量計算装置６０４により、測線平均流速データ及び測線寄与率データに基づいて流量を計測する。
【００７３】
ここで図８を用いて、測線寄与率計算及び測線寄与率に基づく流量計測の例を説明する。図８は、本発明の実施例による超音波流量計の測線寄与率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７００は偏流分布の一例を示しており、グラデーション表示された偏流分布のうち濃度の高い部分が流速の速い領域を示している。
【００７４】
また、実施例１の図５と同様に、点線で示した７０１ａ、７０２ａ、７０３ａ、７０４ａが測線の位置を示し、７０１ｂ、７０２ｂ、７０３ｂ、７０４ｂが各測線の寄与率を示している。
【００７５】
実施例１では図５のように各測線位置ξと各測線の重み係数ｗはガウス積分公式により決定され、実際に偏流がある場合でもそれらの値は一定値となっている。そこで、実施例２では実際の偏流・旋回流に合わせて、例えば偏流が強い場合に管軸から遠い側の寄与率を大きめに設定する等の処理によって、実際の運転時の精度向上、信頼性向上を図ることができる。ここで、運転条件で寄与率を変更した場合の効果の予測に流体・構造・超音波伝播解析を用いることによって、実機での各測線寄与率ｗを精度よく設定することができ、流量計測精度をより向上することができる。
【００７６】
図７において、超音波流量計６００は、計測結果表示装置６０５により測線平均流速データ及び偏流・旋回流分布データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する。
【００７７】
図９は、本発明のコンピュータディスプレイ等に表示される計測結果表示画面の一例を示す。計測結果表示画面８００には、測線平均流速データ及び偏流・旋回流分布データ及び測線寄与率データ及び流量測線平均流速データ及び測線寄与率データ及び流量を表示する。また、入力の製造誤差実測値を製造誤差測定の精度とともに表示し、また流量計測値とともに流量計測の精度を表示してもよい。
【００７８】
本発明の多測線伝播時間差方式の超音波流量計により、偏流・旋回流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。
【００７９】
図１０は、本発明の実施例２による超音波流量計の流量計測手順を示すフローチャートである。超音波流量計による流量計測を開始すると、センサ情報実測値入力ステップＳ２０１により超音波センサ情報を入力する。次いで測線平均流速計算ステップＳ２０２により各測線の平均流速を計算し、流体・構造・超音波伝播解析ステップＳ２０３により流量計内の流れ解析および流量計の熱変形解析及び超音波伝播解析を行う。さらに測線平均流速補正ステップＳ２０４で測線平均流速補正を行った後、このデータに基づいて偏流・旋回流分布計算ステップＳ２０５で偏流・旋回流分布計算を行う。
【００８０】
その後、測線寄与率計算ステップＳ２０６により偏流・旋回流分布計算ステップＳ２０５の計算結果と流体・構造・超音波伝播解析ステップＳ２０３と偏流・旋回流分布計算ステップＳ２０５の結果に基づいて各測線平均流速の流量に対する測線寄与率を計算し、流量計算ステップＳ２０７によりステップＳ２０４による各測線平均流速補正値とステップＳ２０６による各測線寄与率から流量を計算する。
【００８１】
最後に、計測結果表示ステップＳ２０８により測線平均流速及び測線寄与率及び流量を表示する。
【００８２】
実施例２の流量計測方法によれば、偏流・旋回流の影響を反映した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。
【符号の説明】
【００８３】
１０１…センサ情報実測値入力装置
１０１ａ、６０７ａ…センサ情報実測値データ記憶装置
１０２、６０２…流体・構造・超音波伝播解析装置
１０２ａ、６０２ａ…解析結果データ記憶装置
１０３、６０６…測線平均流速計算装置
１０３ａ、６００ａ…測線平均流速データ記憶装置
１０４、６０３…測線寄与率計算装置
１０４ａ、６０３ａ…測線寄与率データ記憶装置
１０５、６０４…流量計算装置
１０６、６０５…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
６０１…偏流・旋回流分布計算装置
６０１ａ…偏流・旋回流分布データ記憶装置
８００…計測結果表示画面
【図１】
2013024646.tif 000003
【図２Ａ】
2013024646.tif 000004
【図２Ｂ】
2013024646.tif 000005
【図２Ｃ】
2013024646.tif 000006
【図３】
2013024646.tif 000007
【図４】
2013024646.tif 000008
【図５】
2013024646.tif 000009
【図６】
2013024646.tif 000010
【図７】
2013024646.tif 000011
【図８】
2013024646.tif 000012
【図９】
2013024646.tif 000013
【図１０】
2013024646.tif 000014