戴元將，陳世杰，楊 帆，高 慧

（1.江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司，江蘇 鹽城 224002；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 工程概況

某泵站位于江蘇省鹽城市境內(nèi)，廢黃河立交下游左岸，樁號(hào)8 + 940 m，為原址拆建。該泵站采用閘站結(jié)合形式，該泵站設(shè)計(jì)抽引流量3.000 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程6.70 m。該站更新改造工程主要由站身及上下游引河等組成，站身設(shè)抽引孔2孔，每孔布置3臺(tái)立軸導(dǎo)葉式混流泵，葉片安放角為-2°，共計(jì)6臺(tái)套，每臺(tái)配套電機(jī)功率75 kW，總裝機(jī)容量450 kW。站身兩側(cè)設(shè)出水池，采用鋼筋混凝土U型渠與原有防滲渠相接。1#、2#、3#機(jī)組連接西出水池，4#、5#、6#機(jī)組連接?xùn)|出水池。

2 測(cè)試方法

經(jīng)現(xiàn)場勘查，現(xiàn)場被測(cè)水體滿足SL 548 — 2012《泵站現(xiàn)場測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》中第3.3.1條的要求：水中不夾帶氣泡；水中夾帶的纖維狀或顆粒狀雜物較??；測(cè)試過程中，水溫變化的允許偏差低于±0.5 ℃。

超聲波流量計(jì)測(cè)流技術(shù)在泵站流量測(cè)試中已有相關(guān)應(yīng)用[1-4]。根據(jù)該泵站現(xiàn)場條件，采用超聲波法對(duì)該泵站6臺(tái)機(jī)組中的2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行單機(jī)組流量測(cè)試，測(cè)試按照中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 548 — 2012《泵站現(xiàn)場測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》中流量測(cè)試要求進(jìn)行。

借鑒文獻(xiàn)[5]中測(cè)流斷面的實(shí)際確定方法，結(jié)合SL 548 — 2012《泵站現(xiàn)場測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》中3.2.2要求，該泵站測(cè)流斷面上游應(yīng)具有長度不少于20倍管徑、下游不少于5倍管徑的順直段。

實(shí)際測(cè)試段中心距上游來流長度約14 m，滿足20倍管徑的要求；距離去流長度方向約6 m，滿足不少于5倍管徑的要求。

測(cè)試斷面形狀為圓形，垂直于水流方向，流態(tài)穩(wěn)定，流速分布均勻，滿足超聲波法測(cè)流要求。

3 測(cè)試設(shè)備

3.1 設(shè)備概述

本次流量測(cè)試采用外夾式超聲波流量計(jì)，超聲波流量計(jì)采用凱馳瑞鑫（大連）儀器發(fā)展有限公司生產(chǎn)的KRCFLO 1518Hand手持式超聲波液體流量計(jì)，超聲波發(fā)射電路采用低電壓多脈沖，采用DSP數(shù)字信號(hào)處理方法，該超聲波流量計(jì)的相關(guān)參數(shù)為：①測(cè)量范圍：0 ～ 10 000 m3/h；②公稱通徑：10 ～ 6 000 mm；③適用介質(zhì)：液體；④工作溫度：-30 ～ 40 ℃；⑤精度等級(jí)：0.625%。

3.2 測(cè)試原理

超聲波法使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量，其基本原理是利用被測(cè)流體的非聲學(xué)量（如流速、液位等）和媒介的聲學(xué)量（如聲速、聲阻抗等）之間存在的關(guān)系，通過聲學(xué)量的測(cè)定求出非聲學(xué)量。超聲波在流體中傳播速度與在靜止水體中傳播速度是不同的，其變化與水流速度有關(guān)，其值與媒介的平均流速呈線性關(guān)系。

在順流和逆流介質(zhì)中，其超聲波的速度有差異而形成時(shí)間差。時(shí)差法超聲波流量計(jì)就是利用該原理對(duì)流體的流速和流量進(jìn)行測(cè)試的。

在現(xiàn)場測(cè)試時(shí)，若在安裝距離為L的距離內(nèi)，分別安裝超聲波發(fā)射器和接收器，則對(duì)于順流和逆流情況下有：

式中：c為超聲波在靜止流體內(nèi)的傳播速度（m/s）；v為流體流動(dòng)的速度（m/s）；t1、t2為順流和逆流傳播所需要的時(shí)間（s）；L為安裝距離（m）。

一般情況下，液體中的聲速c在1 000 m/s以上，而一般測(cè)量流體的流速v在每秒幾米的量級(jí)內(nèi)，即c2v2，所以時(shí)間差可以近似的寫成：

由式（3）可知，當(dāng)聲速c一定時(shí)，流速v和時(shí)差Δt成正比，只要測(cè)出時(shí)差Δt就可以求得流體流速v，再通過

式（4）計(jì)算管道內(nèi)的流量，這就是時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理。

式中：Q為流量（m3/s）；A為管道的內(nèi)截面積（m2）。

根據(jù)該泵站現(xiàn)場測(cè)試條件，泵站出水管道底部為鋼筋混凝土，無法開挖，僅能采用V法測(cè)量，V法安裝具有使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，安裝時(shí)2傳感器水平對(duì)齊，其中心線與管道軸線水平即可，V法安裝示意見圖1。

圖1 超聲波流量計(jì)V法安裝示意圖

依據(jù)現(xiàn)場提供的出水管道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，測(cè)量管直徑為530 mm，管道壁厚8 mm，內(nèi)徑為514 mm，出水管道外壁涂有防銹漆。

為保證測(cè)試精度，采用人工打磨除去出水管道外壁面的防銹漆。實(shí)際超聲波流量計(jì)探頭的安裝位置避免了焊縫、接頭、管道底部以及易受管道內(nèi)滯留氣體影響的部位，在安裝前在傳感器的接觸面涂抹一定量的耦合劑。

實(shí)際測(cè)量中，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后開始測(cè)量流量，測(cè)試時(shí)間不宜小于60 s，且讀數(shù)不少于10個(gè)，對(duì)測(cè)量結(jié)果計(jì)算各次測(cè)量讀數(shù)的算術(shù)平均值。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

現(xiàn)場共測(cè)試該泵站東西側(cè)各1臺(tái)機(jī)組，分別為3#機(jī)組和4#機(jī)組。

（1）3#機(jī)組流量測(cè)試結(jié)果。現(xiàn)場選取連接西出水池的3#機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，3#機(jī)組位于泵房西側(cè)一端，整個(gè)流量測(cè)試時(shí)間持續(xù)約11 min，待西出水池內(nèi)水位穩(wěn)定，待西出水池水位穩(wěn)定后，經(jīng)測(cè)試3#機(jī)組的流量穩(wěn)定在0.305 m3/s。

（2）4#機(jī)組流量測(cè)試結(jié)果。現(xiàn)場選取連接?xùn)|出水池的4#機(jī)組進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試初始采用測(cè)繩對(duì)進(jìn)水池，東出水池水位進(jìn)行量測(cè)，未開機(jī)前進(jìn)水池水位為2.70 m，東出水池水位為5.50 m。流量測(cè)試至4#機(jī)組開機(jī)后東出水池水位維持不變，整個(gè)測(cè)流過程大約20 min。流量測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 4#機(jī)組流量動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果表

續(xù)表1

對(duì)4#機(jī)組進(jìn)行流量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在測(cè)試時(shí)間11∶47 — 11∶53內(nèi)，泵站凈揚(yáng)程僅變化了6 mm，故認(rèn)為該時(shí)間段內(nèi)東出水池水位維持不變，對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的測(cè)試流量和泵站凈揚(yáng)程計(jì)算平均值，與其余時(shí)間測(cè)試流量與泵站凈揚(yáng)程的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 4#機(jī)組流量與泵站凈揚(yáng)程的關(guān)系曲線圖

5 流量測(cè)量不確定度分析

5.1 隨機(jī)不確定度計(jì)算

從4#機(jī)組的現(xiàn)場流量測(cè)試中，在泵站凈揚(yáng)程不變時(shí)（11∶50 — 11∶54）選取重復(fù)采集的10組流量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)不確定度分析，10組數(shù)據(jù)見表2。

表2 流量測(cè)量數(shù)據(jù)表

根據(jù)流量測(cè)量的離散程度計(jì)算出流量重復(fù)值得出平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算式如下：

式中：N為測(cè)量次數(shù)（次）；Qi為第i次流量的測(cè)量值（m3/s）；Q 為流量平均值（m3/s）。t0.95(N-1)為對(duì)應(yīng)于0.95置信率和（N - 1）個(gè)自由度的t分布值。

據(jù)表2的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為：

5.2 測(cè)試系統(tǒng)不確定度計(jì)算

KRCFLO 1518Hand超聲波流量計(jì)的流量測(cè)試系統(tǒng)的不確定度為0.625%。

5.3 流量綜合不確定度

流量測(cè)試的綜合不確定度由超聲波流量計(jì)的系統(tǒng)不確定度和隨機(jī)不確定度“方和根”合成。此次流量測(cè)試的綜合不確定度為：

流量測(cè)試的綜合不確定度滿足SL 548 — 2012《泵站現(xiàn)場測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》規(guī)定的不大于3.500%要求。

6 結(jié) 語

（1）根據(jù)該泵站3#機(jī)組和4#機(jī)組的單臺(tái)流量測(cè)試結(jié)果，當(dāng)3#機(jī)組和4#機(jī)組均處于穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí)，3#機(jī)組的流量為0.305 m3/s，4#機(jī)組的流量為0.303 m3/s。

（2）根據(jù)該泵站現(xiàn)場情況，采用超聲波流量計(jì)對(duì)單臺(tái)機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場流量測(cè)試，經(jīng)現(xiàn)場流量測(cè)試結(jié)果計(jì)算，現(xiàn)場流量測(cè)試的綜合不確定度為0.781%，滿足SL 548 — 2012《泵站現(xiàn)場測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》規(guī)定的不大于3.500%要求，表明該方法是有效可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫振華.超聲波流量計(jì)在大型泵站流量測(cè)試中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(3)：130 - 131.

[2] 賴冠文，練偉航，張巍，等.小欖泵站現(xiàn)場測(cè)試與分析[J].節(jié)水灌溉，2002(6)：36.

[3] 戴紅霞，李斌.關(guān)于泵站現(xiàn)場測(cè)試中流量測(cè)量問題[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2005，11(2)：106 - 108.

[4] 孫振華.超聲波流量計(jì)在大型泵站流量測(cè)試中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(3)：130 - 131.

[5] 劉曼，胡毓麟.某泵站的現(xiàn)場測(cè)試及結(jié)果分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，22(4)：31 - 34.