劉洪超，杜新果，祝玉媛

（南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局河南分局，河南鄭州 450008）

1 基本情況

1.1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是緩解京、津、豫、冀等地區(qū)水資源緊張，優(yōu)化我國國土和水資源配置的戰(zhàn)略性跨流域大型調(diào)水工程，擔(dān)負(fù)著向北京、天津、鄭州、石家莊等數(shù)十座城市供水任務(wù)。南水北調(diào)中線干線全長1 432 km，沿線設(shè)97個(gè)分水口，64個(gè)節(jié)制閘。在節(jié)制閘、分水口、退水閘等處，安裝了175臺(tái)超聲波流量計(jì)和28臺(tái)電磁流量計(jì)。通過這些測流裝置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對全線流量的動(dòng)態(tài)變化、分水水量的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，為全線輸水調(diào)度運(yùn)行、水量平衡計(jì)算提供依據(jù)，對各供水用戶供水量核算及水費(fèi)征繳提供技術(shù)支撐，是保證工程運(yùn)行和管理的重要設(shè)施。

1.2 供水管理模式

南水北調(diào)中線工程2014年12月12日正式自通水以來已累計(jì)向受水區(qū)供水112.87億m3，發(fā)揮了巨大的社會(huì)、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，成為沿線城市的生命線。其供水管理模式和供水路徑為：總干渠各分水口供水至各調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池連接地方配套工程供水管道，管道末端連接各受水水廠，通過水廠的自來水管網(wǎng)配送至終端用戶。總干渠由南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局管理，自調(diào)節(jié)池及以后配套輸水管道歸地方各級調(diào)水辦管理，地方配套輸水管道末端至水廠由各自來水廠管理。

1.3 問題提出

由于存在不同的管理單位而產(chǎn)生多個(gè)經(jīng)營主體，因此各個(gè)供水環(huán)節(jié)的水量計(jì)量顯得尤其重要。目前存在總干渠分水口流量計(jì)、地方配套管道安裝的流量計(jì)以及水廠入口處流量計(jì)三者讀取的水量數(shù)據(jù)相差較大，因此，對流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，建立實(shí)測流量與現(xiàn)場已安裝的流量計(jì)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，對現(xiàn)有的流量計(jì)測量工況進(jìn)行完善，給出各方均認(rèn)可的流量計(jì)量數(shù)據(jù)是極為重要的工作。

2 超聲波傳播時(shí)間法測流裝置

2.1 基本原理

超聲傳播時(shí)間法是通過測量超聲波在流體中順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間之差來計(jì)算流速和流量的方法。適用測量單一介質(zhì)的流體，測量精度較高，一般在0.5%～1.5%，尤其適合清潔水體的流量測量。

超聲波傳播時(shí)間法以一對換能器（在電信號的作用下產(chǎn)生超聲波輸出，并能接收超聲波轉(zhuǎn)換成電信號的器件）以聲道長度 L（成對換能器表面之間超聲波傳播的實(shí)際距離）、聲道角φ（聲道與流道軸線之間的夾角）安裝在流道兩側(cè)。超聲波在流體中的傳播速度C會(huì)與流速在聲道方向的投影分量 Vproj=Vcos φ（V為流體流速）相疊加，造成超聲波從下游到上游換能器的傳播時(shí)間 tu小于從上游到下游換能器的傳播時(shí)間td。如圖1所示。

圖1 超聲波傳播時(shí)間法測流原理示意圖

由公式（1）、（2）可以推導(dǎo)出流體在聲道方向的投影速度Vproj。

由公式（3）、（4）可以推導(dǎo)出流體在流道軸向方向的流速V值。

由公式（5）可知，只要測得 φ，td，tu這3個(gè)參數(shù)，就能計(jì)算出流體在流道軸線方向的流速，進(jìn)而求得流量。因此，超聲波時(shí)間傳播法流量測量技術(shù)包含三部分：準(zhǔn)確的時(shí)間測量、準(zhǔn)確的幾何參數(shù)測量和代表性流速計(jì)算流量的算法。

2.2 流量的計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常在流道不同的聲道高度zi（聲道高度的絕對值是聲道與流道軸線之間的最短距離，通常以流道中心以上為正值、以下為負(fù)值，正好過流道中心的為零）上平行布置若干聲道，如圖1所示。聲道軸向流速 Vi代表其上下的一定面積內(nèi)的平均流速，利用多個(gè)Vi更好地估計(jì)流道的面平均流速V，進(jìn)而通過速度面積法得到流量。

圓形流道通常用高斯—雅可比積分法(Gauss—Jacobi)和圓形優(yōu)化積分法(OWICS)計(jì)算流量。后者考慮了管道壁面附近的零流速，系統(tǒng)偏差略小，對于流動(dòng)充分發(fā)展的流體具有一定優(yōu)勢。流量可利用加權(quán)平均的方式計(jì)算：

式中：R——管道半徑，m；Wi——權(quán)重系數(shù)，按照《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)流量測量》國家標(biāo)準(zhǔn)附錄選取；αi——聲道高度角，測流裝置（換能器）安裝位置投影到斷面上與斷面水平方向的夾角，即聲道高度與半徑比值的正弦值對應(yīng)的角度。

測流裝置應(yīng)選擇遠(yuǎn)離擾動(dòng)區(qū)域的流態(tài)平穩(wěn)流場平順的位置進(jìn)行安裝，原則上選取的位置應(yīng)保證前10D（D，管道直徑）后3D的直管段，順直段越長越理想。最低配置為單面4聲道配置，否則應(yīng)采取交叉聲道。聲道層均應(yīng)水平布置。

2.3 安裝和使用要求

1）一般情況下，超聲波流量計(jì)安裝的環(huán)境溫度應(yīng)在-20～55℃的范圍內(nèi)。當(dāng)安裝環(huán)境溫度超出上述范圍時(shí)，應(yīng)再對流量計(jì)采取隔熱、防凍措施。對于暴露在野外的流量計(jì)還應(yīng)該采取遮雨、防曬措施。

2）流量計(jì)的安裝應(yīng)避開有強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)影響的位置。特別是要避開可能引起流量計(jì)信號處理單元、超聲換能器、流量測量管等部件發(fā)生共振的環(huán)境。

3）流量計(jì)及其相關(guān)導(dǎo)線安裝時(shí)應(yīng)盡量避開可能存在強(qiáng)烈電磁或電子干擾的環(huán)境，否則就要對流量計(jì)進(jìn)行必要的保護(hù)，流量計(jì)信號電纜應(yīng)避免與電源電纜平行敷設(shè)，并使用信號屏蔽電纜。

4）流量計(jì)安裝時(shí)應(yīng)盡量避免接近噪聲源，否則在安裝時(shí)應(yīng)采取必要的措施消除環(huán)境聲學(xué)噪聲的干擾。

5）安裝時(shí)要保證流體流動(dòng)方向與流量計(jì)標(biāo)志的流體正方向一致，保證流量計(jì)測量管軸線與管道軸線方向一致。

6）流量計(jì)與管道連接的部分應(yīng)無滲漏，連接處的密封墊不得突出到管道內(nèi)。

7）在流量計(jì)上、下游直管段范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁應(yīng)清潔，無明顯凸凹、銹蝕、結(jié)垢和起皮現(xiàn)象。流量計(jì)測量管、連接法蘭及上、下游直管段應(yīng)具有相同的內(nèi)徑，流量計(jì)與其試驗(yàn)管段的連接部位應(yīng)沒有泄漏。連接處應(yīng)平滑,不得有影響流體狀態(tài)的臺(tái)階或凸起。測量管內(nèi)徑與流量計(jì)上、下游直管段內(nèi)徑的偏差應(yīng)小于2%，且不大于3 mm。

8）被側(cè)水體為清水并必須充滿管道，安裝前應(yīng)調(diào)查清楚管道的外徑、材質(zhì)、壁厚、襯里材料及襯里厚度等管道的相關(guān)參數(shù)。

9）換能器安裝的部位前、后直管段應(yīng)至少滿足前10D后3D的要求，應(yīng)避開管道頂部和底部，盡量安裝在管道的水平位置，并注意避開焊縫。

10）根據(jù)流量計(jì)計(jì)算出的安裝距離安裝換能器，并綜合參考流量計(jì)的信號強(qiáng)度、測得聲速值、信號質(zhì)量、安裝距離等參數(shù)，將換能器安裝位置調(diào)整到最佳位置。

3 工程實(shí)例研究

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，采用標(biāo)準(zhǔn)測流裝置在封閉管道流量的量值傳標(biāo)準(zhǔn)，可用于各種類型的流量計(jì)檢定、校準(zhǔn)及流量測試方法的研究。此次率定選擇地方配套1號管理站觀測井安裝校準(zhǔn)測流裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（8聲道超聲波時(shí)差法流量計(jì)）為測流裝置，使流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，比較兩者的輸出流量數(shù)據(jù)，從而率定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。

選定的典型分水口為1孔閘門，箱涵（1.4 m×1.4 m）引水，設(shè)計(jì)分水流量2 m3/s。目前，運(yùn)行分水流量瞬時(shí)流量0.86 m3/s，流速0.44 m/s。暗涵內(nèi)安裝瑞士Rittmeyer雙聲道超聲波流量計(jì)（以下簡稱：總干渠分水流量計(jì)），聲道角48°。暗涵后連接調(diào)蓄水池，調(diào)蓄水池連接地方配套輸水PCCP管道，管道直徑1.2 m。調(diào)節(jié)水池下游30 m處有地方配套管道檢查井1個(gè)，井內(nèi)安裝開封儀表廠生產(chǎn)的E-mag電磁流量計(jì)（以下簡稱：地方配套1號流量計(jì)）。

現(xiàn)場踏勘時(shí)發(fā)現(xiàn)，暗涵進(jìn)水口為喇叭狀與總干渠成90°交叉，流量計(jì)安裝位置靠近進(jìn)水口，由于上游閘門及進(jìn)水口形狀影響等因素，勢必產(chǎn)生橫向流和旋渦流場，沒有足夠長度和順直的流道形成理想的流場。流量計(jì)安裝位置流態(tài)較復(fù)雜，聲道數(shù)較少，斷面測速層數(shù)少，箱涵非標(biāo)準(zhǔn)矩形，有4個(gè)45°倒角，流場與標(biāo)準(zhǔn)矩形存在差異化。測流裝置直接安裝在暗涵的混凝土表面，凸出效應(yīng)明顯。

經(jīng)踏勘比選后，在位于總干渠分水口下游100 m處的地方配套1號管理站觀測井內(nèi)的地方配套管道上安裝校準(zhǔn)測流裝置。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)測流裝置的安裝

測流裝置的安裝按照如下步驟實(shí)施：

1）根據(jù)規(guī)范要求的8聲道測流裝置的相對聲道高度和聲道角精確地在管道外壁劃線，確定管道開孔位置。

2）管壁焊接導(dǎo)向塊（不銹鋼）。為管道帶壓鉆孔和安裝測流裝置提供基本的工作平臺(tái)。

3）表面清洗、噴涂滲透劑和顯影劑。檢查導(dǎo)向塊焊接是否牢固，是否有滲漏洇濕現(xiàn)象。確保流量計(jì)與管道連接部分沒有滲漏，連接處的密封墊等不凸出到管道內(nèi)。

4）由專業(yè)的技術(shù)工人操作實(shí)施管壁開孔作業(yè)，不中斷供水，帶壓管道開孔。

5）安裝測流裝置，16套探頭、8聲道。

6）采用先進(jìn)的三坐標(biāo)測量臂設(shè)備進(jìn)行測流裝置安裝位置的幾何參數(shù)精測。

7）流速代表性系數(shù)計(jì)算和建立數(shù)據(jù)模型。

8）開展數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

中國計(jì)量院在2 m寬的水槽內(nèi)采用雙面10聲道配置，通過幾何參數(shù)復(fù)核精測以及流速代表性優(yōu)化后，數(shù)據(jù)不確定性在1%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)成果經(jīng)過了國家驗(yàn)收，可作為此次率定工作的參考物理模型。

根據(jù)規(guī)范GB/Z35717—2017《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)流量的測量—超聲波傳播時(shí)間法》，此次率定采用8聲道超聲波測流裝置。因各聲道的聲速值是靠現(xiàn)場幾何定位的數(shù)據(jù)除以超聲波時(shí)間差獲得的，采用三坐標(biāo)測量臂可精準(zhǔn)測量聲道長度的幾何參數(shù)，在影響計(jì)量精度的時(shí)間測量和流速代表性等因素分別溯源分析給出現(xiàn)場的不確定度在1%以內(nèi)。因此，校準(zhǔn)測流裝置的實(shí)測數(shù)據(jù)可作為率定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

需要注意的是，流量計(jì)在不同管徑上檢定、校準(zhǔn)，有不同的修正系數(shù)。即使同一臺(tái)主機(jī)使用相同類型的不同換能器，也會(huì)得到不同的修正系數(shù)。因此，使用單臺(tái)超聲流量計(jì)對不同管徑進(jìn)行測量的用戶，應(yīng)按照國家計(jì)量檢定規(guī)程的要求定期送檢。檢定時(shí)，應(yīng)注意管徑、安裝方式及主機(jī)與換能器的組合應(yīng)與實(shí)際使用情況保持一致。

3.2 數(shù)據(jù)分析

校準(zhǔn)測流裝置安裝調(diào)試完畢后,在不影響對用戶正常供水的情況下，上游總干渠分水口門閘門開度1 m，保證敞泄?fàn)顟B(tài)供水，通過下游水廠閥門調(diào)節(jié)流量，從小到大分為8個(gè)不同的流量級，以覆蓋供水期內(nèi)的流量上下限。同時(shí)讀取總干渠分水流量計(jì)、地方配套1號流量計(jì)、自來水廠的流量計(jì)、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的讀數(shù)。以校準(zhǔn)裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),總干渠分水口流量計(jì)、地方配套1號流量計(jì)、自來水廠的流量計(jì)與其對比。成果見圖2。

圖2 分水口不同流量條件下不同流量計(jì)與校準(zhǔn)流量計(jì)數(shù)據(jù)對比

由圖2分析得出：

1）在率定時(shí)間段內(nèi)不同流量下水廠的流量計(jì)表現(xiàn)最好。相對誤差控制在5%左右，且相對穩(wěn)定。

2）箱涵流量計(jì)相對偏差在20%～25%之間，也相對穩(wěn)定。

3）地方配套1號流量計(jì)相對偏差在5%～40%之間。當(dāng)管道內(nèi)流速較低時(shí)，電磁流量計(jì)在低速區(qū)間精度較差，也印證了電磁流量計(jì)在低流速區(qū)（0.3 m/s以內(nèi)）偏差較大的規(guī)律。因此，電磁流量計(jì)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)合現(xiàn)場情況的標(biāo)定。

以標(biāo)準(zhǔn)測流裝置為基準(zhǔn)，以總干渠分水流量計(jì)為率定對象建立率定關(guān)系，成果見圖3。線性回歸分析Y=0.849 2X-0.012 7。

圖3 總干渠分水流量率定關(guān)系

4 結(jié)語

1）測流裝置的安裝一般是在土建工程基本完工后才尋找合適的部位進(jìn)行，這樣往往找到的斷面和位置不能完全滿足測流裝置的工作條件，而影響流量測量的工作精度。實(shí)際工作中，有的測流裝置部位還存在著淤積現(xiàn)象，對流量的測量造成極大負(fù)面影響。因此，宜在工程勘測設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌考慮水量計(jì)量及測流裝置問題，對水工建筑物進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)調(diào)整和優(yōu)化。例如，優(yōu)化總干渠分水口的進(jìn)口水工結(jié)構(gòu)，使進(jìn)水口流態(tài)平穩(wěn)；在測流裝置安裝范圍內(nèi)保證前10D后3D的直管段并保證該范圍內(nèi)流速為不沖不淤流速；采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┍ＷC在供水流量變幅范圍內(nèi)的流速均在測流裝置允許的流速范圍等，為測流裝置的提供完全滿足規(guī)范的工作條件。

2）此次測量裝置率定工作因?yàn)闊o法做到中斷供水，給率定工作帶來不小的困難。應(yīng)提前創(chuàng)造停水時(shí)段，便于在引水箱涵中安裝標(biāo)準(zhǔn)測流裝置和檢查涵洞內(nèi)的測流裝置。在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，宜選用雙涵洞方案并在涵洞的進(jìn)出口布置檢修閘門，在檢修期間保證不間斷供水條件下，可以在不同的涵洞中進(jìn)行靈活切換，既保證不間斷供水，又便于測流裝置的檢查檢驗(yàn)。

3）采用內(nèi)貼式在引水箱涵中安裝測流裝置，凸出效應(yīng)明顯。凸出效應(yīng)是影響測流裝置準(zhǔn)確度的重要因素，因此在工程建設(shè)期，設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮測流裝置的安裝要求，在引水箱涵側(cè)墻預(yù)留孔洞，以便于測流裝置的安裝和觀測線纜的敷設(shè)，保證測流裝置安裝后與暗涵混凝土面平齊，觀測線纜通過預(yù)埋的管道暗敷，以消除凸出效應(yīng)。

4）水利工程中，在涵洞的4個(gè)頂角部位一般設(shè)計(jì)有45°的倒角。在規(guī)范GB/Z35717-2017附錄A中給出的矩形流道相對聲道高度和權(quán)重系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的矩形斷面，這一點(diǎn)在計(jì)算應(yīng)引起注意。

5）超聲波探頭安裝的幾何參數(shù)的精確測量。例如，1 m的間距，如果探頭的安裝位置或者測量的安裝間距誤差1 cm，帶來的流速值誤差可能就是1%。因此，超聲波探頭應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置安裝，并對其幾何參數(shù)經(jīng)行精確測量。

6）由于管道一般為地埋式，往往需要利用其他閘閥井進(jìn)行管道測流裝置安裝，即使管道順直滿足前10D后3D的直管段的安裝條件要求，但由于閘閥井內(nèi)既有的各類閘閥的影響造成流態(tài)惡化，無法滿足測流裝置的工作條件，規(guī)范要求閘閥應(yīng)安裝在測流裝置下游并距離至少3D。最好是設(shè)計(jì)布置專門的測流裝置安裝檢查井，并確保有足夠的操作空間和維護(hù)通道，以便于運(yùn)行期測流裝置的維護(hù)和定期的校訂。

7）在建設(shè)期安裝測流裝置時(shí)，應(yīng)招標(biāo)選擇計(jì)量檢測機(jī)構(gòu)對全線的測流裝置進(jìn)行率定，以保證流量測量數(shù)據(jù)的精度。各運(yùn)行管理單位（總干渠管理單位、地方配套等單位）宜參與測流裝置率定工作以便達(dá)成共識。

8）在流量計(jì)安裝使用后，應(yīng)定期對其進(jìn)行檢驗(yàn)，一般投入使用后一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行第一次檢驗(yàn)，以后檢驗(yàn)周期至少1次/年。

9）利用仿真技術(shù)分析流場中各聲道測得流速代表的流場區(qū)域，優(yōu)化各聲道的權(quán)重系數(shù)。