超聲波流量計在水電站中的應用

張 楊，劉國峰，劉 君

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

超聲波流量計可用來測量不易接觸、不易觀察的流體流量和大管徑流量，其對流體的溫度、粘度、密度等因素不敏感，靈敏度高，安裝維修方便，通用性好。目前其應用領域已經涉及到工業(yè)、農業(yè)、水利和污水處理等行業(yè)。水電站在測量機組過機流量或電站引用流量時，常用到超聲波流量計[1]，而機組過機流量與機組的效率考核密切相關，如果超聲波流量計選型、布置以及安裝不當，會因超聲波流量計不能正常使用或者流量測量不準確，對機組的效率考核和整個電站的順利竣工驗收造成影響。超聲波流量計的選型及安裝布置對于其高效應用至關重要,本文著重對時差法超聲波流量計的選型和安裝布置要求進行歸納總結，通過列舉相關工程應用實例，為其他水電站超聲波流量計的高效應用提供借鑒。

1 超聲波流量計的原理

超聲波在流體中傳播會載上流體的流速信息，通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速信息，進而可換算成流量[2]。根據對信號的檢測原理，超聲波流量計可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、空間濾波法、噪聲法等類型[3]。傳播速度差法是測量超聲波脈沖順水流和逆水流時的速度差來反映流體流速，從而測出流量。多普勒法是應用超聲波的多普勒效應測得順水流和逆水流的頻差來反映流體流速，從而測出流量。傳播速度差法又包括時差法、相位差法、直接時差法等。一般而言，被測流體中不含大濃度的懸浮顆粒時，采用時差法；當被測流體中懸浮顆粒比較多時，采用多普勒法[4]。水電站中一般在引水隧洞、機組蝸殼前的壓力鋼管等部位需要安裝超聲波流量計，而電站這些部位水質比較清潔，因此，在水電站中應用時差法超聲波流量計較為廣泛。

時差法超聲波流量計測流原理如圖1所示。假設靜止水流中的聲速為c，水流速度為v，一組換能器P1、P2與管路軸線成θ角安裝(即聲道角為θ)，換能器之間的距離為L，管道的內徑為D。從P2到P1逆水流發(fā)射時，超聲波傳輸時間為t1，從P1到P2順水流發(fā)射時，超聲波傳輸時間為t2，2束超聲波傳輸?shù)膶嶋H路徑相同。

圖1 時差法超聲波流量計測流原理圖

對于單聲道超聲波流量計，可求得流量：

(1)

(2)

式中：A為流道斷面面積，m2；n為聲道數(shù);f(v1,v2,…,vn)的精確形式因聲道排列情況及數(shù)值計算方法的不同而不同。

2 超聲波流量計的分類、選型與安裝布置要求

2.1 超聲波流量計的分類

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路、流量顯示與累積系統(tǒng)組成。換能器在電信號的作用下產生超聲波輸出，并可以將接收到的超聲波信號轉換為電信號[5]。

按照安裝方式，超聲波流量計可以分為外夾式、內貼式、插入式、便攜式4種類型。外夾式超聲波流量計換能器采用專用耦合劑固定在管道外，安裝時不損壞管路，聲波的傳播路徑透過管道壁；對于內貼式超聲波流量計，換能器是利用焊接、螺栓等方式固定在流道內壁上；插入式超聲波流量計使用專用鉆孔裝置在被測管道上開孔，流量計探頭通過鉆孔從流道外部插入安裝固定，解決了外夾式超聲波流量計在測量結垢較厚的管道時不易接收到信號及長時間測量信號衰減的問題；便攜式超聲波流量計適合移動測量，常用于流量的標定[6]。

按照聲道結構類型，超聲波流量計可分為單聲道超聲波流量計和多聲道超聲波流量計兩種。單聲道超聲波流量計是在被測流道上安裝一對換能器構成一個超聲波通道。多聲道超聲波流量計是在流道上安裝多對換能器，構成多個超聲波通道，綜合各聲道的結果求出流量。

2.2 超聲波流量計的選型

對于中小口徑管道和對測量精度要求不高的渠道中流量的測量，一般選用單聲道超聲波流量計；對于大口徑管道和流態(tài)分布復雜的管渠中流量的測量，一般選用多聲道超聲波流量計。水電站中利用超聲波流量計測量水輪機過機流量時，一般采用多聲道超聲波流量計(至少采用4聲道)。

水電站中測量機組過機流量和電站總流量時，宜選用內貼式或者外插式超聲波流量計，只有在業(yè)主有明確要求的情況下，才選用外夾式。水電站水輪發(fā)電機組蝸殼前的壓力鋼管口徑一般較大，在壓力鋼管上布置的超聲波流量計，如安裝位置在壓力鋼管的埋管部位(非暴露式流道)，超聲波流量計采用內貼式，換能器和電纜管管卡在壓力鋼管內壁通過焊接固定；如安裝位置在壓力鋼管的明管部位(暴露式流道)，可結合壓力鋼管口徑大小、精度要求、安裝條件等因素，考慮采用插入式或內貼式超聲波流量計。為便于安裝，選用內貼式超聲波流量計時D至少為1.6 m，選用外插式超聲波流量計時D至少為0.8 m(其中D為安裝流道的圓形斷面直徑或者矩形斷面等效直徑)。

2.3 超聲波流量計的安裝布置要求

超聲波流量計的換能器的安裝位置應盡量選擇遠離擾動區(qū)、流場平順、施工難度小的位置，應避開管路的焊接位置和凹凸不平處，不宜選擇在彎頭、變徑、閥門、節(jié)流裝置等能產生壓降的設備的下游，因為管道中的流體當壓力降低時會不同程度釋放出氣體，這些氣體會減弱超聲波信號的強度，同時會產生噪聲，影響到流量測量的準確度[7-8]。由于氣體會聚集在管道的最高處，為避免流量計由于夾雜有氣體或空氣或者空管而造成測量誤差和功能異常，同時應避免將流量計安裝在該位置。換能器可以選擇安裝在水平管段或者垂直管段，選擇垂直管段的部位時，優(yōu)先選擇管中流體向上流動的位置，當現(xiàn)場條件不具備時，才考慮流體自上向下流動的管段，但此時需保證管道內的背壓，確保流體滿管平穩(wěn)流動。

對于單聲道超聲波流量計，其精度要比多聲道超聲波流量計的精度差一些，為提高單聲道超聲波流量計的測量準確性，在實際工程設計時，還應盡量保證單聲道超聲波流量計安裝位置的上游側30倍管徑長度的范圍內沒有影響流體擾動的閥門、水泵、節(jié)流孔等[6]。

水電站中測量機組過機流量時，超聲波流量計宜安裝在蝸殼前壓力鋼管水平直管段上，超聲波流量計換能器安裝位置前后的直管段長度應滿足前10D后3D(部分廠家要求前10D后5D)，在無法滿足前10D后3D直管段長度要求的情況下，安裝位置的上游直管段宜大于其下游直管段的長度。對于水泵水輪機，由于需要兼顧水輪機和水泵兩種工作模式，需滿足前10D后10D的直管段條件。對于無法滿足直管段條件的水電站，可采用交叉聲道面配置、采用更多的聲道數(shù)以提高復雜流場條件下的流速代表性。

3 應用實例

3.1 外夾式超聲波流量計在水電站中的應用

根據超聲波在管道中的反射次數(shù)，外夾式超聲波流量計可分為“Z”型、“V”型、“N”型等安裝方式。對于“Z”型安裝的超聲波流量計，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號衰減小，建議300 mm以上管徑優(yōu)先選用“Z”型安裝[7]?！癡”型安裝的超聲波流量計的超聲波波束在管道中反射1次，穿過流體2次；“N”型安裝的超聲波流量計的超聲波波束在管道中反射2次，穿過流體3次。由于超聲波傳播時間越長，測量精度就越高，因此，在測量小口徑管道中的流體流量時，可采取多次反射的方法，增大超聲波的傳播路徑，進而增大其傳播時間，提高超聲波流量計的測量精度。但每次反射都會造成超聲波信號的衰減，故傳播次數(shù)也不宜過多。故“V”型安裝與“N”型安裝相比，“V”型安裝更為常用，管徑在100～300 mm時可優(yōu)先選用“V”型安裝[7]。

南美某水電站位于南美洲厄瓜多爾薩莫拉·欽奇佩省境內的薩莫拉河上，工程開發(fā)的主要任務為發(fā)電，該電站為低閘長引水式電站，裝設3臺沖擊式水輪發(fā)電機組，單機容量60 MW。根據業(yè)主要求，該電站在每臺機組進水閥前的壓力鋼管上安裝1套單聲道外夾式超聲波流量計，用于測量機組進口的流量，壓力鋼管內徑為1 400 mm。超聲波流量計的安裝布置如圖2所示，換能器采用“Z”型安裝，兩換能器水平平齊，與管道軸線水平方向一致，換能器電纜接入控制箱。確定好換能器具體安裝位置后，用擰緊固定螺絲將換能器安裝框架在管道外壁固定好，在管道周圍纏繞安裝帶，安裝帶的松緊程度通過安裝帶調節(jié)螺母進行調節(jié)，通過安裝帶對換能器安裝框架加固。再將涂有耦合劑的換能器裝入換能器安裝框架，擰緊換能器的固定螺絲，將換能器緊緊固定在預定的安裝位置?？刂葡渫ㄟ^螺栓和螺釘在墻上固定。現(xiàn)場安裝好的超聲波流量計換能器和控制箱分別如圖3和圖4所示。

圖2 單聲道外夾式超聲波流量計安裝布置圖

圖3 外夾式超聲波流量計換能器

圖4 超聲波流量計控制箱

3.2 內貼式超聲波流量計在水電站中的應用

對于內貼式超聲波流量計，其安裝位置不同，換能器的固定方式也不同。對于安裝在引水隧洞混凝土襯砌上的超聲波流量計，其換能器一般采用螺栓固定，對于安裝在鋼管內壁上的內貼式超聲波流量計，其換能器一般焊接固定在鋼管內壁。

老撾某水電站位于老撾中部賽松本省內，電站距離首都萬象公路里程約265 km，直線距離116 km，電站裝設3臺單機容量為160 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量480 MW。該電站引水隧洞末端經岔管分別引水至3臺機組，隧洞內徑為7 700 mm，在引水隧洞進水口閘門后位置為T0+130.00 m處設置一套8聲道內貼式超聲波流量計，安裝斷面為混凝土襯砌，超聲波流量計的安裝布置

如圖5所示。引水隧洞內的換能器座、電纜管管卡均用化學錨栓固定在引水隧洞內壁襯砌上。換能器的電纜緊貼引水隧洞內壁敷設，沿著引水隧洞敷設至進水口附近，經在進水口預埋的電纜套管引至進水口壩頂層，經穿纜器穿出，再與控制箱連接。

圖5 引水隧洞內貼式超聲波流量計安裝布置圖

另外，每臺機組進水閥前壓力鋼管上各設置一套8聲路內貼式超聲波流量計，安裝斷面為鋼襯，鋼襯內徑3 300 mm，超聲波流量計的安裝布置如圖6所示。換能器座和電纜管管卡與壓力鋼管內壁均采用焊接方式固定，信號電纜先通過壓力鋼管頂部開孔引出，開孔部位與電纜套管的一端焊接，電纜套管埋設在壓力鋼管上方混凝土中，信號電纜再經電纜套管另一端的穿纜器穿出，引至主廠房上游378.30 m層控制箱。

圖6 壓力鋼管內貼式超聲波流量計安裝布置圖

4 結 論

(1) 時差法超聲波流量計測量的流體流速與時間差Δt成正比，2束超聲波脈沖傳播的時間差越大，流體的流速越大，流量越大。

(2) 引水隧洞和壓力鋼管埋管部位布置的超聲波流量計選用內貼式，壓力鋼管的明管部位布置的超聲波流量計優(yōu)先采用插入式或內貼式，在業(yè)主有明確要求且不能更改時，才用外夾式。

(3) 對于水電站中測量機組過機流量的超聲波流量計，其換能器安裝位置前后的直管段長度在現(xiàn)場條件具備的情況下宜滿足前10D后3D(部分廠家要求前10D后5D)，在無法滿足前10D后3D直管段長度要求的情況下，安裝位置的上游直管段宜大于其下游直管段的長度，同時應當增加超聲波流量計的聲道數(shù)。

(4) 超聲波流量計的準確度與其現(xiàn)場安裝條件密切相關，現(xiàn)場流動條件對超聲波流量計性能的影響主要與擾流件類型、流量計距擾流件的距離、流量計的聲道數(shù)、流量計積分方法等因素有關。對無法滿足直管段條件的超聲波流量計，應進行現(xiàn)場流動條件評估。