時差式超聲波流量計在劉老澗泵站中的應用及分析

吉慶偉，李進東，張一祁，袁 堯，楊 帆

（1.江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；3.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 問題的提出

2 工程概況

劉老澗泵站位于江蘇省宿遷市宿豫區(qū)仰化鎮(zhèn)境內(nèi)，是江蘇省江水北調(diào)第五梯級泵站，也是國家南水北調(diào)東線第五梯級泵站之一。劉老澗泵站的泵房采用鋼筋混凝土堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，安裝3100ZLQ38-4.2 型立式軸流泵，葉輪直徑3 100 mm，轉(zhuǎn)速136.4 r/min，設計流量150.00 m3/s，設計揚程4.20 m，配TL2200-40/3250 型同步電動機4臺套，總裝機容量8 800 kW。該泵站建成于1996年，運行20 多年來為江蘇省的江水北調(diào)、淮水北調(diào)和南水北調(diào)工程發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但泵站設備老化和存在的問題也日益突出。劉老澗抽水站安全鑒定結(jié)果表明，經(jīng)抽檢的主水泵氣蝕嚴重，主電機絕緣老化，安全鑒定為Ⅲ類泵站。為消除安全隱患，保證工程效益發(fā)揮，適應經(jīng)濟社會發(fā)展要求，2019 年8 月對該泵站進行加固改造，2020 年8 月基本完成主要改造任務，并通過試運行，改造效果見圖1。改造后泵站設計流量仍為150.00 m3/s，裝機4 臺套，單機設計流量37.50 m3/s，設計揚程由原4.20 m 調(diào)整為3.70 m。為便于泵站運行管理，實時了解泵站的流量參數(shù)，采用時差式超聲波流量計對該泵站進行實時測流。

圖1 劉老澗泵站加固改造效果圖

3 超聲波測流理論及方法

3.1 測流原理

根據(jù)超聲波信號檢測的不同原理，超聲波流量計可以分為傳播速度差法、多普勒效應法、相關(guān)法、波束偏移法以及噪聲法等不同類型[7]。傳播速度差法利用被測流體的流速與超聲波在流體中的傳播速度差的關(guān)系測量流體的流速，進而可以計算出通過各種不同截面的流量。根據(jù)測量的參數(shù)不同，傳播速度差法可以具體分為時差法、相位差法和頻率差法[8]。

時差法超聲波流量計測量1 組或幾組成對的換能器在流體正向和逆向2 個方向的傳播時間，同時測量上下游2 個換能器同時發(fā)射的信號傳播的時間差。由于每一對換能器中的任何1 個都可以作為超聲波信號的發(fā)射端，也可以作為接收端，所以可以使用同一對換能器來確定傳播時間的差異（見圖2）。

圖2 時差法超聲波流量計原理示意圖

通過超聲波脈沖路徑的液體軸向流速和超聲波傳輸時間差之間存在比例關(guān)系。反復進行測量以確定液體的平均軸向流速并將隨機誤差最小化。計算公式如下：

3.2 測流方法

為保證在復雜惡劣的明渠內(nèi)流態(tài)條件下獲得高精度的測量數(shù)據(jù)，明渠的流量測量通常配置多聲路時差式超聲波流量計。多聲路測量采用“平均斷面積分法”，將整個渠道的測量斷面從渠底到水面分成若干層，由各層的測量流量累加從而得到整個過水斷面的總流量。其中每層的流量由該層的平均流速與該層的截面積計算得出，總流量QT可以由公式（3）～（5）計算得出。明渠多聲路測量中流量與流速分布示意見圖3。

圖3 明渠多聲路測量中流量與流速分布示意圖

式中：Qbot為渠底層流量，m3/s；Qtop為渠頂層流量，m3/s；n為總聲路數(shù)；Vi為第i聲路流速，m/s；Vs為表面流速估計值，m/s；Ai為第i聲路截面積，m2；Abot為渠底層截面積，m2；F為渠底摩擦系數(shù)；Wt為渠頂加權(quán)系數(shù)。

4 應用與結(jié)果分析

4.1 工程應用

為了保證劉老澗泵站加固改造工程配套超聲波測流裝置能夠長期、穩(wěn)定運行，并提供高精度的流量測量數(shù)據(jù)，針對劉老澗泵站的現(xiàn)地條件和運行情況，對測流裝置從選址到安裝進行精心研究和設計。泵站進出水渠道經(jīng)攔河壩截水以后，實地考察渠道內(nèi)淤積情況，現(xiàn)將安裝方案調(diào)整如下：

4.1.1 安裝位置

某國的幾十個高官們坐飛機去旅游，其中一個省長說：“我丟個100元紙幣下去，誰撿到了誰準高興。”一個市長說：“不如丟10張10元下去，10個人都會高興?！绷硪粋€區(qū)長說：“干脆丟100個一元硬幣下去，100個人撿到100個人高興。”飛行員聽后說：“不如我把你們?nèi)珌G下去，讓全國人民都高興！”

泵站下游渠道淤積嚴重，渠底淤積最深處約2 m，兩岸邊坡特別是左岸完全被淤泥覆蓋住。如在原設計斷面安裝流量計，一段時間以后換能器將被淤泥覆蓋不能工作，而且渠道底部的淤泥會嚴重影響測量精度。

劉老澗泵站上游直渠段約650 m，其中泵出口流道翼墻到攔河壩（上游圍堰）距離約270 m，現(xiàn)地水文觀測房距離翼墻約200 m。渠底寬約60 m，渠頂寬約95 m，邊坡比1∶2.5，邊坡當前為邊長1 m的正六邊形砌塊，淤積深度約0.5 m。

為更好地消除泵后不良流態(tài)的影響，將換能器安裝在現(xiàn)地水文觀測房上游處（攔河壩與水文觀測房之間），定位及安裝示意見圖4～5。換能器測量斷面跨度32 m，距離泵后翼墻末端210～240 m。在上游225 m 河道中安裝1 臺套RISONIC Modular時差式超聲波流量計，具體位置見圖6。

圖4 超聲波流量計換能器定位示意圖

圖5 超聲波流量計換能器實際安裝圖

圖6 流量計安裝位置圖

4.1.2 測流設備

德國BRUGG 集團生產(chǎn)的RISONIC Modular超聲波流量計為交叉測量斷面8 聲道配置，配備控制模塊（1 個）和超聲波模塊（2 個）。

主要技術(shù)參數(shù)：殼體防護等級IP68，晶振頻率200 kHz，最小聲道長15 m，最大聲道長150 m，最小渠寬10 m，最大渠寬100 m，運行溫度-30～+70 ℃。

4.2 流量測量不確定度分析

在機組的現(xiàn)場流量測試過程中，選取泵站凈揚程、功率不變，葉片角度為-4°條件時重復采集的10 組流量測試數(shù)據(jù)（見表1）進行隨機不確定度分析。

表1 流量現(xiàn)場實測結(jié)果表 m3/s

（1）隨機不確定度（EQ）r。根據(jù)流量測量的離散程度計算出流量重復值的平均值、標準偏差和隨機不確定度，計算式如下：

流量綜合不確定度滿足SL 54—2012《泵站現(xiàn)場測試與安全檢測規(guī)程》中低于1%的精度要求。

4.3 實測與模型試驗換算對比

將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與TJ04-ZL-06 水力模型試驗數(shù)據(jù)進行對比。在揚州大學高精度水力機械試驗臺對該泵裝置物理模型進行測試，試驗臺具體采納數(shù)據(jù)詳見參考文獻[9-10]。模型與原型流量依據(jù)公式（7）進行換算。

式中：Q為原型泵流量，m3/s；Qm為模型泵流量，m3/s；n為圓形泵轉(zhuǎn)速，r/min；nm為模型泵轉(zhuǎn)速，r/min；D為原型泵葉輪直徑，mm；Dm為模型泵葉輪直徑，mm。

劉老澗水泵裝置模型比尺為1∶10.33，葉輪直徑D=300 mm，葉片數(shù)為3，導葉葉片數(shù)為5，采用直流整流器調(diào)節(jié)模型泵裝置試驗電機轉(zhuǎn)速，泵裝置模型試驗額定轉(zhuǎn)速為1 409.5 r/min。

在劉老澗泵站現(xiàn)場采集+2°、0°、-2°、-4°共4個葉片安放角的流量數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 現(xiàn)場實測結(jié)果與模型裝置試驗數(shù)據(jù)對比表

在測試揚程2.69～3.42 m 范圍內(nèi)，現(xiàn)場測試的流量數(shù)值與模型試驗換算結(jié)果相比基本偏??；在平均揚程3.41 m，3.42 m，葉片安放角分別為0°，-4°時，流量絕對差值最小，實測值偏小0.25 m3/s；在葉片安放角為+2°、0°、-2°、-4°時，各實測流量值與模型試驗換算值的平均絕對差值為1.10 m3/s；葉片安放角為-4°時，揚程越大，流量實測值與模型試驗換算值的絕對差值越小。

5 結(jié) 語

本文介紹時差式超聲波流量計的測流原理、測流方法及適用條件。為保證測流的準確度，結(jié)合劉老澗泵站的現(xiàn)場測流條件對時差式超聲波流量計進行安裝方案設計及現(xiàn)場布置。

實測結(jié)果表明，時差式超聲波流量計測流的隨機不確定度為±0.546%，流量綜合不確定度為0.830%，滿足SL 548—2012《泵站現(xiàn)場測試與安全檢測規(guī)程》對測流精度的要求，實測流量滿足劉老澗泵站更新改造后的設計流量要求。在測試揚程2.69～3.42 m 范圍內(nèi)，與物理模型試驗換算值相比，實測流量基本偏小，平均絕對差值為1.10 m3/s。該測試方法可以為類似工程提供參考。