吉慶偉，李進(jìn)東，張一祁，袁 堯，楊 帆

（1.江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 問(wèn)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(jí)泵站，也是國(guó)家南水北調(diào)東線第五梯級(jí)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(shè)計(jì)流量150.00 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.20 m，配TL2200-40/3250 型同步電動(dòng)機(jī)4臺(tái)套，總裝機(jī)容量8 800 kW。該泵站建成于1996年，運(yùn)行20 多年來(lái)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(jì)效益和社會(huì)效益，但泵站設(shè)備老化和存在的問(wèn)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(yán)重，主電機(jī)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(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，2019 年8 月對(duì)該泵站進(jìn)行加固改造，2020 年8 月基本完成主要改造任務(wù)，并通過(guò)試運(yùn)行，改造效果見(jiàn)圖1。改造后泵站設(shè)計(jì)流量仍為150.00 m3/s，裝機(jī)4 臺(tái)套，單機(jī)設(shè)計(jì)流量37.50 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程由原4.20 m 調(diào)整為3.70 m。為便于泵站運(yùn)行管理，實(shí)時(shí)了解泵站的流量參數(shù)，采用時(shí)差式超聲波流量計(jì)對(duì)該泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)流。

圖1 劉老澗泵站加固改造效果圖

3 超聲波測(cè)流理論及方法

3.1 測(cè)流原理

根據(jù)超聲波信號(hào)檢測(cè)的不同原理，超聲波流量計(jì)可以分為傳播速度差法、多普勒效應(yīng)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(cè)流體的流速與超聲波在流體中的傳播速度差的關(guān)系測(cè)量流體的流速，進(jìn)而可以計(jì)算出通過(guò)各種不同截面的流量。根據(jù)測(cè)量的參數(shù)不同，傳播速度差法可以具體分為時(shí)差法、相位差法和頻率差法[8]。

時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量1 組或幾組成對(duì)的換能器在流體正向和逆向2 個(gè)方向的傳播時(shí)間，同時(shí)測(cè)量上下游2 個(gè)換能器同時(shí)發(fā)射的信號(hào)傳播的時(shí)間差。由于每一對(duì)換能器中的任何1 個(gè)都可以作為超聲波信號(hào)的發(fā)射端，也可以作為接收端，所以可以使用同一對(duì)換能器來(lái)確定傳播時(shí)間的差異（見(jiàn)圖2）。

圖2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理示意圖

通過(guò)超聲波脈沖路徑的液體軸向流速和超聲波傳輸時(shí)間差之間存在比例關(guān)系。反復(fù)進(jìn)行測(cè)量以確定液體的平均軸向流速并將隨機(jī)誤差最小化。計(jì)算公式如下：

3.2 測(cè)流方法

為保證在復(fù)雜惡劣的明渠內(nèi)流態(tài)條件下獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，明渠的流量測(cè)量通常配置多聲路時(shí)差式超聲波流量計(jì)。多聲路測(cè)量采用“平均斷面積分法”，將整個(gè)渠道的測(cè)量斷面從渠底到水面分成若干層，由各層的測(cè)量流量累加從而得到整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娴目偭髁俊Ｆ渲忻繉拥牧髁坑稍搶拥钠骄魉倥c該層的截面積計(jì)算得出，總流量QT可以由公式（3）～（5）計(jì)算得出。明渠多聲路測(cè)量中流量與流速分布示意見(jiàn)圖3。

圖3 明渠多聲路測(cè)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(jì)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(yīng)用與結(jié)果分析

4.1 工程應(yīng)用

為了保證劉老澗泵站加固改造工程配套超聲波測(cè)流裝置能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，并提供高精度的流量測(cè)量數(shù)據(jù)，針對(duì)劉老澗泵站的現(xiàn)地條件和運(yùn)行情況，對(duì)測(cè)流裝置從選址到安裝進(jìn)行精心研究和設(shè)計(jì)。泵站進(jìn)出水渠道經(jīng)攔河壩截水以后，實(shí)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(guó)的幾十個(gè)高官們坐飛機(jī)去旅游，其中一個(gè)省長(zhǎng)說(shuō)：“我丟個(gè)100元紙幣下去，誰(shuí)撿到了誰(shuí)準(zhǔn)高興?！币粋€(gè)市長(zhǎng)說(shuō)：“不如丟10張10元下去，10個(gè)人都會(huì)高興?！绷硪粋€(gè)區(qū)長(zhǎng)說(shuō)：“干脆丟100個(gè)一元硬幣下去，100個(gè)人撿到100個(gè)人高興?！憋w行員聽(tīng)后說(shuō)：“不如我把你們?nèi)珌G下去，讓全國(guó)人民都高興！”

泵站下游渠道淤積嚴(yán)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(shè)計(jì)斷面安裝流量計(jì)，一段時(shí)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(huì)嚴(yán)重影響測(cè)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(cè)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(dāng)前為邊長(zhǎng)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(cè)房上游處（攔河壩與水文觀測(cè)房之間），定位及安裝示意見(jiàn)圖4～5。換能器測(cè)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(tái)套R(shí)ISONIC Modular時(shí)差式超聲波流量計(jì)，具體位置見(jiàn)圖6。

圖4 超聲波流量計(jì)換能器定位示意圖

圖5 超聲波流量計(jì)換能器實(shí)際安裝圖

圖6 流量計(jì)安裝位置圖

4.1.2 測(cè)流設(shè)備

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

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

4.2 流量測(cè)量不確定度分析

在機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)試過(guò)程中，選取泵站凈揚(yáng)程、功率不變，葉片角度為-4°條件時(shí)重復(fù)采集的10 組流量測(cè)試數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）進(jìn)行隨機(jī)不確定度分析。

表1 流量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表 m3/s

（1）隨機(jī)不確定度（EQ）r。根據(jù)流量測(cè)量的離散程度計(jì)算出流量重復(fù)值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和隨機(jī)不確定度，計(jì)算式如下：

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

4.3 實(shí)測(cè)與模型試驗(yàn)換算對(duì)比

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與TJ04-ZL-06 水力模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在揚(yáng)州大學(xué)高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該泵裝置物理模型進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)具體采納數(shù)據(jù)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9-10]。模型與原型流量依據(jù)公式（7）進(jìn)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(dǎo)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(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，泵裝置模型試驗(yàn)額定轉(zhuǎn)速為1 409.5 r/min。

在劉老澗泵站現(xiàn)場(chǎng)采集+2°、0°、-2°、-4°共4個(gè)葉片安放角的流量數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與模型裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

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

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹時(shí)差式超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理、測(cè)流方法及適用條件。為保證測(cè)流的準(zhǔn)確度，結(jié)合劉老澗泵站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流條件對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)進(jìn)行安裝方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)布置。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，時(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)流的隨機(jī)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(chǎng)測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》對(duì)測(cè)流精度的要求，實(shí)測(cè)流量滿足劉老澗泵站更新改造后的設(shè)計(jì)流量要求。在測(cè)試揚(yáng)程2.69～3.42 m 范圍內(nèi)，與物理模型試驗(yàn)換算值相比，實(shí)測(cè)流量基本偏小，平均絕對(duì)差值為1.10 m3/s。該測(cè)試方法可以為類似工程提供參考。