張 楊，劉國峰，劉 君

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

超聲波流量計(jì)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(duì)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(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利和污水處理等行業(yè)。水電站在測量機(jī)組過機(jī)流量或電站引用流量時(shí)，常用到超聲波流量計(jì)[1]，而機(jī)組過機(jī)流量與機(jī)組的效率考核密切相關(guān)，如果超聲波流量計(jì)選型、布置以及安裝不當(dāng)，會(huì)因超聲波流量計(jì)不能正常使用或者流量測量不準(zhǔn)確，對(duì)機(jī)組的效率考核和整個(gè)電站的順利竣工驗(yàn)收造成影響。超聲波流量計(jì)的選型及安裝布置對(duì)于其高效應(yīng)用至關(guān)重要,本文著重對(duì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)的選型和安裝布置要求進(jìn)行歸納總結(jié)，通過列舉相關(guān)工程應(yīng)用實(shí)例，為其他水電站超聲波流量計(jì)的高效應(yīng)用提供借鑒。

1 超聲波流量計(jì)的原理

超聲波在流體中傳播會(huì)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(jìn)而可換算成流量[2]。根據(jù)對(duì)信號(hào)的檢測原理，超聲波流量計(jì)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?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)的速度差來反映流體流速，從而測出流量。多普勒法是應(yīng)用超聲波的多普勒效應(yīng)測得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體流速，從而測出流量。傳播速度差法又包括時(shí)差法、相位差法、直接時(shí)差法等。一般而言，被測流體中不含大濃度的懸浮顆粒時(shí)，采用時(shí)差法；當(dāng)被測流體中懸浮顆粒比較多時(shí)，采用多普勒法[4]。水電站中一般在引水隧洞、機(jī)組蝸殼前的壓力鋼管等部位需要安裝超聲波流量計(jì)，而電站這些部位水質(zhì)比較清潔，因此，在水電站中應(yīng)用時(shí)差法超聲波流量計(jì)較為廣泛。

時(shí)差法超聲波流量計(jì)測流原理如圖1所示。假設(shè)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(nèi)徑為D。從P2到P1逆水流發(fā)射時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為t1，從P1到P2順?biāo)靼l(fā)射時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間為t2，2束超聲波傳輸?shù)膶?shí)際路徑相同。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測流原理圖

對(duì)于單聲道超聲波流量計(jì)，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(jì)算方法的不同而不同。

2 超聲波流量計(jì)的分類、選型與安裝布置要求

2.1 超聲波流量計(jì)的分類

超聲波流量計(jì)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(hào)的作用下產(chǎn)生超聲波輸出，并可以將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[5]。

按照安裝方式，超聲波流量計(jì)可以分為外夾式、內(nèi)貼式、插入式、便攜式4種類型。外夾式超聲波流量計(jì)換能器采用專用耦合劑固定在管道外，安裝時(shí)不損壞管路，聲波的傳播路徑透過管道壁；對(duì)于內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，換能器是利用焊接、螺栓等方式固定在流道內(nèi)壁上；插入式超聲波流量計(jì)使用專用鉆孔裝置在被測管道上開孔，流量計(jì)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(jì)在測量結(jié)垢較厚的管道時(shí)不易接收到信號(hào)及長時(shí)間測量信號(hào)衰減的問題；便攜式超聲波流量計(jì)適合移動(dòng)測量，常用于流量的標(biāo)定[6]。

按照聲道結(jié)構(gòu)類型，超聲波流量計(jì)可分為單聲道超聲波流量計(jì)和多聲道超聲波流量計(jì)兩種。單聲道超聲波流量計(jì)是在被測流道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道。多聲道超聲波流量計(jì)是在流道上安裝多對(duì)換能器，構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道的結(jié)果求出流量。

2.2 超聲波流量計(jì)的選型

對(duì)于中小口徑管道和對(duì)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(jì)；對(duì)于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠中流量的測量，一般選用多聲道超聲波流量計(jì)。水電站中利用超聲波流量計(jì)測量水輪機(jī)過機(jī)流量時(shí)，一般采用多聲道超聲波流量計(jì)(至少采用4聲道)。

水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量和電站總流量時(shí)，宜選用內(nèi)貼式或者外插式超聲波流量計(jì)，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(jī)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(jì)，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(jì)采用內(nèi)貼式，換能器和電纜管管卡在壓力鋼管內(nèi)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(jié)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(nèi)貼式超聲波流量計(jì)。為便于安裝，選用內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)時(shí)D至少為1.6 m，選用外插式超聲波流量計(jì)時(shí)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(jì)的安裝布置要求

超聲波流量計(jì)的換能器的安裝位置應(yīng)盡量選擇遠(yuǎn)離擾動(dòng)區(qū)、流場平順、施工難度小的位置，應(yīng)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(chǎn)生壓降的設(shè)備的下游，因?yàn)楣艿乐械牧黧w當(dāng)壓力降低時(shí)會(huì)不同程度釋放出氣體，這些氣體會(huì)減弱超聲波信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響到流量測量的準(zhǔn)確度[7-8]。由于氣體會(huì)聚集在管道的最高處，為避免流量計(jì)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(shí)應(yīng)避免將流量計(jì)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(shí)，優(yōu)先選擇管中流體向上流動(dòng)的位置，當(dāng)現(xiàn)場條件不具備時(shí)，才考慮流體自上向下流動(dòng)的管段，但此時(shí)需保證管道內(nèi)的背壓，確保流體滿管平穩(wěn)流動(dòng)。

對(duì)于單聲道超聲波流量計(jì)，其精度要比多聲道超聲波流量計(jì)的精度差一些，為提高單聲道超聲波流量計(jì)的測量準(zhǔn)確性，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)盡量保證單聲道超聲波流量計(jì)安裝位置的上游側(cè)30倍管徑長度的范圍內(nèi)沒有影響流體擾動(dòng)的閥門、水泵、節(jié)流孔等[6]。

水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量時(shí)，超聲波流量計(jì)宜安裝在蝸殼前壓力鋼管水平直管段上，超聲波流量計(jì)換能器安裝位置前后的直管段長度應(yīng)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(duì)于水泵水輪機(jī)，由于需要兼顧水輪機(jī)和水泵兩種工作模式，需滿足前10D后10D的直管段條件。對(duì)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(fù)雜流場條件下的流速代表性。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 外夾式超聲波流量計(jì)在水電站中的應(yīng)用

根據(jù)超聲波在管道中的反射次數(shù)，外夾式超聲波流量計(jì)可分為“Z”型、“V”型、“N”型等安裝方式。對(duì)于“Z”型安裝的超聲波流量計(jì)，超聲波在管道中直接傳輸，沒有折射，信號(hào)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)，可采取多次反射的方法，增大超聲波的傳播路徑，進(jìn)而增大其傳播時(shí)間，提高超聲波流量計(jì)的測量精度。但每次反射都會(huì)造成超聲波信號(hào)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(shí)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(nèi)的薩莫拉河上，工程開發(fā)的主要任務(wù)為發(fā)電，該電站為低閘長引水式電站，裝設(shè)3臺(tái)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量60 MW。根據(jù)業(yè)主要求，該電站在每臺(tái)機(jī)組進(jìn)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(jì)，用于測量機(jī)組進(jìn)口的流量，壓力鋼管內(nèi)徑為1 400 mm。超聲波流量計(jì)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(diào)節(jié)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過安裝帶對(duì)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(yù)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(jì)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(jì)安裝布置圖

圖3 外夾式超聲波流量計(jì)換能器

圖4 超聲波流量計(jì)控制箱

3.2 內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)在水電站中的應(yīng)用

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

老撾某水電站位于老撾中部賽松本省內(nèi)，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(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為160 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量480 MW。該電站引水隧洞末端經(jīng)岔管分別引水至3臺(tái)機(jī)組，隧洞內(nèi)徑為7 700 mm，在引水隧洞進(jìn)水口閘門后位置為T0+130.00 m處設(shè)置一套8聲道內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，安裝斷面為混凝土襯砌，超聲波流量計(jì)的安裝布置

如圖5所示。引水隧洞內(nèi)的換能器座、電纜管管卡均用化學(xué)錨栓固定在引水隧洞內(nèi)壁襯砌上。換能器的電纜緊貼引水隧洞內(nèi)壁敷設(shè)，沿著引水隧洞敷設(shè)至進(jìn)水口附近，經(jīng)在進(jìn)水口預(yù)埋的電纜套管引至進(jìn)水口壩頂層，經(jīng)穿纜器穿出，再與控制箱連接。

圖5 引水隧洞內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)安裝布置圖

另外，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥前壓力鋼管上各設(shè)置一套8聲路內(nèi)貼式超聲波流量計(jì)，安裝斷面為鋼襯，鋼襯內(nèi)徑3 300 mm，超聲波流量計(jì)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(nèi)壁均采用焊接方式固定，信號(hào)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(shè)在壓力鋼管上方混凝土中，信號(hào)電纜再經(jīng)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(nèi)貼式超聲波流量計(jì)安裝布置圖

4 結(jié) 論

(1) 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量的流體流速與時(shí)間差Δt成正比，2束超聲波脈沖傳播的時(shí)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(jì)選用內(nèi)貼式，壓力鋼管的明管部位布置的超聲波流量計(jì)優(yōu)先采用插入式或內(nèi)貼式，在業(yè)主有明確要求且不能更改時(shí)，才用外夾式。

(3) 對(duì)于水電站中測量機(jī)組過機(jī)流量的超聲波流量計(jì)，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(shí)應(yīng)當(dāng)增加超聲波流量計(jì)的聲道數(shù)。

(4) 超聲波流量計(jì)的準(zhǔn)確度與其現(xiàn)場安裝條件密切相關(guān)，現(xiàn)場流動(dòng)條件對(duì)超聲波流量計(jì)性能的影響主要與擾流件類型、流量計(jì)距擾流件的距離、流量計(jì)的聲道數(shù)、流量計(jì)積分方法等因素有關(guān)。對(duì)無法滿足直管段條件的超聲波流量計(jì)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場流動(dòng)條件評(píng)估。