桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原　030012)

?

萬家寨引黃南干7號洞出口大流量高精度測流設施及其使用總結(jié)

桑文才

(山西省萬家寨引黃工程管理局，山西 太原030012)

【摘要】萬家寨引黃工程向汾河輸水量最大達19.35m3/s，在輸水隧洞出口安裝了梯形薄壁堰、Accusonic7500四聲道超聲波流量計、Risonic2000雙面八聲道超聲波流量計。鑒于梯形薄壁堰超常規(guī)測流，對其流量系數(shù)進行了室內(nèi)模型試驗，并用斷面流速法進行了校核。選取不同流量下長時段測流數(shù)據(jù)進行比較，測流相對精度均高于1.5%。本文結(jié)合現(xiàn)場建筑物布置情況、輸水運行實踐，對三套流量計使用情況進行了分析，認為三套流量計測流均精度高，穩(wěn)定性好，并對各自優(yōu)缺點進行了分析。

【關(guān)鍵詞】薄壁堰；超聲流量計；明渠；流量測驗

萬家寨引黃工程位于山西省西北部，從偏關(guān)縣黃河萬家寨水庫大壩左側(cè)引水，經(jīng)過總干線后分為兩支，向南經(jīng)102km南干線、81.2km汾河天然河道進入汾河水庫，由水庫經(jīng)58.15km連接段向太原市供水；向北經(jīng)160.83km北干線向朔州、大同地區(qū)供水?？偢删€全長44.4km，引水流量48m3/s。南干線引水流量25.8m3/s，北干線引水流量22.2m3/s。引黃工程除81.2km的天然河道段外，主要由6座泵站、隧洞、渡槽、埋涵及PCCP管道組成。向太原供水線路于2002年10月建成，向大同、朔州地區(qū)供水線路于2011年7月建成。

準確測量南干線7號隧洞進入汾河的水量，不僅是引黃輸水運行調(diào)度的需要，也是汾河流域水文測驗、汾河水庫調(diào)度運行的需要。為此，在南干線7號隧洞出口安裝了梯形薄壁堰、超聲波流量計等測流設施。 多年的運行表明：梯形薄壁堰、超聲波流量計工作正常、運行穩(wěn)定、測驗精度高。

1　梯形薄壁堰

1.1布置位置

南干線7號洞出口1號明渠段長180m，上游與南干線7號洞出口節(jié)制閘相接，下游與消力池相連。明渠底寬12m，底坡1/500，邊坡1∶1.5，在明渠樁號約0+110處布置一梯形薄壁堰。梯形薄壁堰尺寸為：b=5.995m，P=1.6m，邊坡m=5.36∶1，肩寬T=8.225m(見下圖)。

南干7號洞出口梯形堰結(jié)構(gòu)圖(單位：m)

1.2流量系數(shù)的確定

根據(jù)測流規(guī)范[1-2]，標準堰型可使用規(guī)范給出的流量系數(shù)，否則需進行現(xiàn)場率定、模型試驗等專項研究。規(guī)范給出的薄壁堰標準測流范圍為0.02～1.009m3/s,堰口寬為0.25～1.5m，該工程設計測流12.9m3/s，堰口寬5.995m，遠超規(guī)范標準。其流量系數(shù)必須進行專題研究。

1.3模型試驗

試驗采用系列模型延伸法進行，即按照幾個不同比尺的模型試驗流量系數(shù)求得原型尺寸的流量系數(shù)。按照重力相似準則，考慮試驗場地及供水情況等因素，選取了三種比尺的正態(tài)模型(λL=6、8、10)進行試驗，用K300型電磁流量計測流(量測精度0.02%～1%)，水位用針形水位計測讀(量測精度0.1mm)，測得的各模型流量系數(shù)見表1[3]。

表1　7號洞出口梯形堰模型試驗不同比尺的流量系數(shù)

由上述數(shù)據(jù)進行線性擬合并外延，得到原型流量系數(shù)為1.862(即λL=1)。

1.4流速面積法對比

測流斷面選在頭馬營7號洞出口閘室內(nèi)，依據(jù)泵站流量測試規(guī)程[4-6]采用多部流速儀同時測流。閘室為矩形結(jié)構(gòu)，寬3.80m，1臺水泵輸水時設計輸水量6.45m3/s，水深2.0m；2臺泵時設計輸水量12.90m3/s,水深2.4m。設7條測流垂線，間距在160～760mm之間，邊墻處間距最小，中間最大；每條垂線6個測點，間距由底向上依次為150～350mm。共使用了42部流速儀，同時布設在測流支架向上游面伸出的水平支桿上，施測時流速儀同時測量、記數(shù)。施測時段為2002年10月8日11時27分至19日22時，當時只有單臺泵工作，流量在6m3/s左右，所測流量與薄壁堰測流量相差0.61%，見表2。

表2　7號洞出口梯形堰與流速斷面法測流對比

2　超聲波流量計

2.1Accusonic7500型超聲流量計

在南干線7號洞距洞口100m處安裝一套計量級超聲波流量計，型號為Accusonic7500，為四聲道明渠測流型，根據(jù)廠商的技術(shù)說明書，測流精度可達1.5%。在實際使用中，考慮儀器精度和安裝情況，測流精度應能達到1.95%[7]。

2.2Risonic2000超聲波流量計

為了加強測流的穩(wěn)定性和精確情，于2013年在Accusonic7500流量計附近，加裝一套雙面八聲道超聲波流量計，型號為Risonic2000，標稱精度為1.0%。

3　流量計測流對比

選取不同開泵數(shù)時流量穩(wěn)定約10d時段，對上述三套流量計測量結(jié)果進行比較，三種流量計測值比較接近，測值偏差均小于1.5%，見表3。

表3　7號洞出口三套流量計平均測流值　單位：m3/s

以3個測值平均值為基準，求得各流量計的相對偏差，見表4。

表4　7號洞出口三套流量計測流值比較

4　分　析

a.梯形薄壁堰是一種操作簡單、穩(wěn)定可靠的傳統(tǒng)測流方式[8]，依據(jù)水力學計算公式，只要測得堰前水位，便可計算出流量。對于小流量測量(1m3/s以下)，嚴格按照規(guī)范[1-2]進行薄壁堰加工安裝，可直接采用規(guī)范給出的流量系數(shù)進行流量計算。對于大流量，則需通過模型試驗或現(xiàn)場體積法、流速儀法進行流量系數(shù)測定。該工程流量系數(shù)以模型試驗值為準，現(xiàn)場也進行了單流量點(6m3/s)流速儀法與薄壁堰測流對比，測值相差約0.61%。

b.現(xiàn)場分別于2002年、2013年安裝了兩套多聲路超聲波時差法流量測量儀。兩流量計均屬于當前代表性產(chǎn)品[9-11]，適用于各種流量范圍、各種斷面型式，且測流精度高，自動化程度高。

c.頭馬營兩套超聲波流量計均布置在隧洞出口，位置相差不超過20m；薄壁堰布置在出口明渠中，與超聲波流量計位置相差不超過200m。區(qū)間水量變化很小，3個測量差值主要是由于儀器本身原因引起的，取長時段的觀測樣本時水流狀態(tài)變化因素可以忽略不計。從測值對比情況來看，三套流量計測值比較接近，最大差值小于1.5%。，三套流量計均工作正常，測值準確可靠。

d.該工程的運行實踐表明，薄壁堰、超聲流量計均可實現(xiàn)高精度測流。隨著過水流量加大，薄壁堰制作安裝費用加大，流量系數(shù)需專題研究；而超聲波流量計安裝使用費基本不隨流量的加大而增加，是一種理想的大流量高精度測量方法。

e.目前，適用于明渠大流量的在線超聲流量計檢定規(guī)程尚未出臺，如何現(xiàn)場確定其精確度是目前面臨的一個研究難題。雖然可用流速面積法進行校對，但在大斷面明渠上進行費時費力，國內(nèi)實施的例子并不多。王丁坤[11]等在南水北調(diào)中線京石段上進行的工作，確定測流總不確定度滿足10%的規(guī)范要求，評價精度比流量計標稱精度(2.0%)低很多。李效賢[12]在東深供水上進行的流量比對，僅給出了相對偏差小于2.61%的結(jié)論，沒有達到檢定的全部要求。其他文獻也沒給出明確檢定結(jié)論。

5　結(jié)　語

薄壁堰、超聲流量計均是精度很高的測流設備。薄壁堰作為一種傳統(tǒng)量水建筑物，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，其測流效果得到了廣泛的認可。但隨著測流斷面加大，堰板制作安裝工作量很大，且對水流狀態(tài)要求也比較高。超聲流量計是近年來興起的一種新型高精度測流設備，無論小型管道，還是幾十米上百米的明渠均能適應，且造價基本不隨斷面的增大而增加；但目前還沒有一套行之有效的準確度評定方法，使用經(jīng)驗不足，還需在實踐中不斷積累總結(jié)經(jīng)驗。

參考文獻

[1]SL 24—91 堰槽測流規(guī)范[S].北京：水利電力出版社，1991.

[2]SL 537—2011 水工建筑物與堰槽測規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]邸國平.引黃南干線7號洞出口明渠梯形薄壁堰流量系數(shù)的選定[J].山西水利科技， 2001(4):21-23.

[4]SD140—85 泵站現(xiàn)場測試規(guī)程[S].北京：水利電力出版社，1985.

[5]GB/T 3214—91 水泵流量的測定方法[S].北京：中國標準出版社，1991.

[6]GB/T 20043—2005.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現(xiàn)場驗收試驗國際規(guī)程[S].北京：中國標準出版社，2005.

[7]徐春榮，馬用寬.萬家寨引黃工程無壓隧洞流量測量分析[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2003,27(4):64-66.

[8]李善征,張春義,吳敬東.明渠堰槽測流技術(shù)綜述[J].北京水利，2003(1):23-25.

[9]易琳，李文學,等.三峽右岸電站機組測流系統(tǒng)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2007,31(6):43-45.

[10]須倫根,徐春榮,鄭源.大中型泵站現(xiàn)場流量測試技術(shù)及應用[J].中國測試技術(shù),2006,32(5):29-32.

[11]王丁坤,呂社慶,王珺.Risonic2000超聲波流量計流量率定成果分析[J].人民黃河,2010,31(6):51-52.

[12]李效賢.大型渠道超聲波法與流速儀法測流比對試驗[J].中國農(nóng)村水利水電,2006(8)107-108,112.

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.07.012

中圖分類號：TV123

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)07- 0033- 04

Large discharge and high precision flow measurement facilities on Wanjiazhai Yellow River Diversion Project south branch No.7 tunnel outlet and the summary of application thereof

SANG Wencai

(ShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProjectAdministration,Taiyuan030012,China)

Abstract:The maximum water diversion capacity of Wanjiazhai Yellow River Diversion Project to Fenhe River is up to 19.35m3/s. The exit of water outlet tunnel is provided with a trapezoidal thin-wall weir, an Accusonic7500 four tracks ultrasonic flowmeter and a Risonic2000 double-sided eight tracks ultrasonic flowmeter. Indoor model test is implemented on the flow coefficient thereof, and it is calibrated through cross section flow rate method due to the extraordinary flow measurement of trapezoidal thin-wall weir. Long duration flow measurement data under different flow discharge are selected for comparison. The relative precision of flow measurement is higher than 1.5%. In the paper, site building layout condition and water conveyance operation practice are combined for analyzing the application condition of three sets of flowmeters. It is believed that the flow measurement precision of three sets of flowmeters are high with high stability. Respective advantages and disadvantages are analyzed.

Key words:thin-walled weir; ultrasonic flowmeter; open channel; flow measurement