摘要:為保證泵站流量的正確計量,對南水北調進水流道內的流量計進行比測和率定，同時結合流道真實的運行特征和情況,運用超聲波流量計實現泵站的科學校驗。
在跨區域、長距離的調水工程實施中,水資源的調運效果受到的影響因素較多,需要對水量實時數據進行及時監控。近年來電子及數字技術的不斷發展,超聲流量計被廣泛應用于南水北調工程.中。利用流體中超聲波所具有的傳播特性,能夠對流道中水流量、流速等動態變化正確了解,并對泵站機組的運行情況進行適度優化,從而為泵站的流量控制與機組調度提供數據支持甲。
1項目概況
南水北調與其已經建成的淮安一一站、二站、三站共同組成東線第二梯級抽水泵站,能達到抽水300m'/s的目標。目前,泵站總裝機4臺套立式全調節軸流泵(1臺備機),配備4臺套立式同步電機,設計調水流量為100m³/s。工程自2008年建成投運以來,截至2022年2月底,4臺主機累計運行2.1萬臺時,抽水23.9億m³,其中2019年、2020年參與省內抗旱,抽水4.74億m³。在初期建設過程中已在1#、3#主機組安裝有超聲波流量計,經長期使用已損壞,2021年9月對其進行更新維修。
水利工程流量測量方法較多,主要有流速儀法、浮標法、聲學多普勒流速剖面儀法(ADCP)、多聲路超聲波法等。其中以超聲波測量法在大中型泵站中的應用較為廣泛,且具有測量精度高、適應性強、測量范圍廣等優勢,這也在中得到了實際的應用,成為泵站工程調度運用研究的關鍵。測流方案.
2.1超聲波流量計的優勢
超聲波流量計實現流道內流速、流量的測定,是一種典型的非接觸式測量方式,它在實際的測量應用中具有良好優勢。第一,超聲波流量計對流體流動本身產生的干擾較少,流體阻力較小,并不容易產生壓力損失,效率較高;第二,超聲波流量計的使用在很大程度上并不受介質物理特征的影響,適應性較強;第三,超聲波流量計更適用于高溫、高壓的環境,尤其在防腐蝕、防爆、防渾濁度大的液體環境下工作效率更高,精度也更高;第四,超聲波流量計具有更為廣泛的測量范圍,一般來說,其測量里程可以達到5:1,測量輸出的結果與流量之間表現出線性關系，更便于進行統計分析;第五,超聲波流量計的安裝更為簡便,對安裝環境以及安裝人員的技術水平要求并不高。
2.2超聲波測流基本原理
超聲波流量計一般由流量計主機(二次儀表)、超聲波換能器(含換能器電纜)、超聲波信號發送接收裝置(采集時間信號)及其他配套附件組成。超聲傳播時間法通過測量超聲在流體中傳播的時間來計算流體的流速和流量。
如圖1所示，一對換能器A和B以聲道長度L、聲道角φ安裝在流道2側,流體中超聲傳播速度C會與聲道投影流速Vproj→Vcosφ疊加,造成超聲從下游到上游換能器的傳播時間tu小于從上游到下游換能器的傳播時間td那么，其計算如式1~4所示。
tu=L/(C-Vproj)(1)
td=L/(C+Vproj)(2)
由此可以同時得到聲道投影速度Vproj和聲速C,，進而可以得到聲道的軸向線平均流速如式(5)所示。
式中:tu為超聲波在流體中逆流(由B到A)傳播的時間,s;td為超聲波在流體中順流(由A到B)傳播的時間,s;L為聲道長度,m;V為流體的軸向線平均流速，m/s;0為聲道角,(°)。
超聲波流量計是在上述原理的基礎上,在流道內按照--定的規則設置多條聲道,將各條聲道測得的流道軸向線平均流速采用相應的積分方法進行積分計算,從而得到流道內流體的總流量。這種時差式超聲波流量計方案,能夠利用常年“暢流期”條件,有利于泵站水量計算,避免了人為選擇推流計算參數而引起較大誤差的問題。
2.3流量測量方案
泵站進水流道中間設有導流墩,左右2個流道,截面為變斷面矩形,參考相關規程和流道的幾何尺寸,將機組流量測量方案確定為8聲道流量計聲道布置形式(圖2~3)。常用的超聲波流量計的流量積分方法,有高斯-雅克比法、圓形優化法、高斯-勒讓德法及矩形優化法等,針對不同流道形式有不同應用。
3超聲波流量計安裝方法和改造方法
3.1漸變流道尺寸測量
對漸變流道進行建模分析,便于計算超聲波流量計換能器的安裝定位分布和流量權重系數的確立等，是提高超聲波流量計測量精度的一項有效措施。
可利用三維坐標測量儀器測量采集流道特征線(包括棱線和邊線上的點坐標),建立實體模型。對模型進一一步分析,建立虛擬軸線及中面,并計算流道的幾何參數。測量操作步驟如下:
(1)架設全站儀。選擇合適位置在流道底部架設全站儀,使其保證全流道內的特征點都能被全站儀的激光點掃描到。微調水準氣泡,保證儀器調平，并且整個測量過程中,儀器不會被觸碰走位。
(2)軟件進行點坐標采集。通過“超聲流量計幾何參數測算系統”與全站儀通過藍牙連接后,可以進行操作全站儀并讀取激光點處的相對坐標值。保證系統對每條特征直線邊線都至少采樣到2個點的坐標，弧形邊線至少采樣到3個點的坐標。每次采樣過程中,全站儀保持固定位置,并且保持儀器水平狀態。
(3)軟件建模計算。對于圓形流道,系統可以直接對采樣點坐標進行擬合，測試圓形管道的直徑;但是對于非標準的漸變流道,需要采樣建模軟件利用點坐標值建立特征線,然后對特征線進行擬合建立流道的各個側面,進而對側面進行切割求出流道中面高度及面積。
(4)中面計算。流道中面是超聲流量計進行流量測算的重要參數之一,利用模型,切取中面進行分析。
(5)數據計算。根據流道的模型及虛擬的中面.計算確定換能器應安裝的相對聲道高度位置,給出安裝施工換能器的定位坐標;進--步計算在該聲道高度下的權重系數,利用該權重進行加權求和計算流量。
3.2換能器安裝位置及布置高程的選定
因泵站出水流道流態不穩定,無法保證測量精度,不具備安裝條件,故將換能器選擇安裝在泵站進水流道內。選擇進水流道內流態相對穩定、流道形狀無變化或變化程度小的斷面。對于漸變形流道，安裝位置應盡可能靠近閘門槽。聲道角選擇65°,以縮短前后換能器之間的距離,從而減小安裝斷面的形變量。因進水流道中間有隔墩進行導流,應按照實際情況適當調整換能器安裝斷面。
泵站機組進水流道屬于漸變形有壓流道,因此不能按照標準的方形、圓形、城門洞形或其他標準斷面的流道布置換能器,故參考《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量超聲傳播時間法》(GBZ35717-2017)中關于圓形或方形斷面的換能器布置方法進行布設。
選擇與進水流道中心線相垂直的斷面作為換能器安裝布置的斷面,并根據流道單線圖計算各個換能器的坐標(通常以閘門槽中點為原點,水平方向為X軸,垂直方向為Y軸)。
3.3換能器、電纜管敷設
3.3.1換能器電纜管敷設方法
電纜管敷設有明敷和暗敷2種方案,考慮不破壞流道混凝土面層及內部鋼筋,本次改造采取明敷方案。
原有電纜管能使用的,盡量使用原有管路;無法使用的,盡可能按順水流方向敷設,不破壞水流形態,并減少水流對管道的沖擊。對非順水流方向的管路,采用防水膠進行平滑處理,減少水流沖擊。
3.3.2換能器安裝
(1)根據前期確定的換能器位置以及換能器尺.寸,采用切割機切出長200mm、寬200mm、深度30mm的槽,并對其平整度進行處理;(2)換能器安裝后,使用丙乳砂漿對縫隙進行填補。
3.3.3流道混凝土覆層鋼筋監測
為避免在換能器基坑和電纜管溝槽施工過程中由于混凝土覆層厚度不夠或施工失誤使鋼筋露出或損壞，從而影響鋼筋使用壽命或影響建筑結構強度,在本工程施工中采取以下措施:(1)施工前用鋼筋檢測儀檢測混凝土覆層厚度、鋼筋位置、鋼筋間距鋼筋直徑(估測);(2)根據檢測數據合理規劃電纜管溝槽排布路線,盡量避開鋼筋;(3)如鋼筋已經露出，使用環氧樹脂涂層或鋼鐵防銹水涂刷鋼筋表面，并盡快用混凝土包裹鋼筋;(4)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑,阻止或延緩鋼筋銹蝕。
4超聲波流量計的測量與注意事項
4.1測雖數據及校驗
流量計安裝完成后,采用走航式ADCP進行測流，被測機組為1號和3號機組,單機.運行、雙機運行時,葉片角度分別調整為-2°、0°、2°,實測流量成果見表1。
從表1可以看出,經測量計算,超聲波流量計測量值與ADCP實測值相對偏差在-3.4%~2.9%,ADCP流量測驗值最大偏差4.0%,ADCP實測流量相對標準差均在5%以內,符合流量測驗規范要求,具體如圖3所示,比測與校驗符合測驗精度與相關技術指標要求。
可以看出,相對于時差式超聲波流量計流速測量值,機組流量是線性的;相對于流道內流速值,時差式超聲波流量計流速測量值是穩定可靠的。除少量數值外,在流量較大時,時差式超聲波流量計測量值相對誤差較小，符合誤差分布一般規律。
4.2注意事項
超聲波流量計盡管有很多優勢,但是也存在一定缺點,特別是當流道內液體噪聲較大或者是內有較多氣泡時,勢必會對超聲波傳播產生不良影響，從而造成測量結果不正確。超聲波流量計自身結構也存在一定的復雜性,其成本偏高,在使用過程中應定期對超聲波測量計進行維護。另外,超聲波流量計在某些具備發電功能的泵站應用,應注重發電工況下流道內易產生真空現象,生成大量氣泡,從而導致超聲波流速計無法正常工作。
5結語
南水北調通過采用典型的8聲道流量計聲道布置形式,這種設計方案,不僅可以達到工程建設的實際需求,還可以進一步提高測量精度,其精度可達到±4.0%以內，與預期效果相符總體而言,超聲波流量計可以對不易觀察到的流體流量和大管徑流量進行有效測量,且測量的靈敏度高、通用性好，便于維修和安裝,可廣泛應用于大中型泵站工程中。
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