摘要:為保證泵站流量的正確計量,對南水北調(diào)進水流道內(nèi)的流量計進行比測和率定，同時結(jié)合流道真實的運行特征和情況,運用超聲波流量計實現(xiàn)泵站的科學(xué)校驗。
在跨區(qū)域、長距離的調(diào)水工程實施中,水資源的調(diào)運效果受到的影響因素較多,需要對水量實時數(shù)據(jù)進行及時監(jiān)控。近年來電子及數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲流量計被廣泛應(yīng)用于南水北調(diào)工程.中。利用流體中超聲波所具有的傳播特性,能夠?qū)α鞯乐兴髁�、流速等動態(tài)變化正確了解,并對泵站機組的運行情況進行適度優(yōu)化,從而為泵站的流量控制與機組調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持甲。
1項目概況
南水北調(diào)與其已經(jīng)建成的淮安一一站、二站、三站共同組成東線第二梯級抽水泵站,能達到抽水300m'/s的目標(biāo)。目前,泵站總裝機4臺套立式全調(diào)節(jié)軸流泵(1臺備機),配備4臺套立式同步電機,設(shè)計調(diào)水流量為100m³/s。工程自2008年建成投運以來,截至2022年2月底,4臺主機累計運行2.1萬臺時,抽水23.9億m³,其中2019年、2020年參與省內(nèi)抗旱,抽水4.74億m³。在初期建設(shè)過程中已在1#、3#主機組安裝有超聲波流量計,經(jīng)長期使用已損壞,2021年9月對其進行更新維修。
水利工程流量測量方法較多,主要有流速儀法、浮標(biāo)法、聲學(xué)多普勒流速剖面儀法(ADCP)、多聲路超聲波法等。其中以超聲波測量法在大中型泵站中的應(yīng)用較為廣泛,且具有測量精度高、適應(yīng)性強、測量范圍廣等優(yōu)勢,這也在中得到了實際的應(yīng)用,成為泵站工程調(diào)度運用研究的關(guān)鍵。測流方案.
2.1超聲波流量計的優(yōu)勢
超聲波流量計實現(xiàn)流道內(nèi)流速、流量的測定,是一種典型的非接觸式測量方式,它在實際的測量應(yīng)用中具有良好優(yōu)勢。第一,超聲波流量計對流體流動本身產(chǎn)生的干擾較少,流體阻力較小,并不容易產(chǎn)生壓力損失,效率較高;第二,超聲波流量計的使用在很大程度上并不受介質(zhì)物理特征的影響,適應(yīng)性較強;第三,超聲波流量計更適用于高溫、高壓的環(huán)境,尤其在防腐蝕、防爆、防渾濁度大的液體環(huán)境下工作效率更高,精度也更高;第四,超聲波流量計具有更為廣泛的測量范圍,一般來說,其測量里程可以達到5:1,測量輸出的結(jié)果與流量之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，更便于進行統(tǒng)計分析;第五,超聲波流量計的安裝更為簡便,對安裝環(huán)境以及安裝人員的技術(shù)水平要求并不高。
2.2超聲波測流基本原理
超聲波流量計一般由流量計主機(二次儀表)、超聲波換能器(含換能器電纜)、超聲波信號發(fā)送接收裝置(采集時間信號)及其他配套附件組成。超聲傳播時間法通過測量超聲在流體中傳播的時間來計算流體的流速和流量。
如圖1所示，一對換能器A和B以聲道長度L、聲道角φ安裝在流道2側(cè),流體中超聲傳播速度C會與聲道投影流速Vproj→Vcosφ疊加,造成超聲從下游到上游換能器的傳播時間tu小于從上游到下游換能器的傳播時間td那么，其計算如式1~4所示。
tu=L/(C-Vproj)(1)
td=L/(C+Vproj)(2)
由此可以同時得到聲道投影速度Vproj和聲速C,，進而可以得到聲道的軸向線平均流速如式(5)所示。
式中:tu為超聲波在流體中逆流(由B到A)傳播的時間,s;td為超聲波在流體中順流(由A到B)傳播的時間,s;L為聲道長度,m;V為流體的軸向線平均流速，m/s;0為聲道角,(°)。
超聲波流量計是在上述原理的基礎(chǔ)上,在流道內(nèi)按照--定的規(guī)則設(shè)置多條聲道,將各條聲道測得的流道軸向線平均流速采用相應(yīng)的積分方法進行積分計算,從而得到流道內(nèi)流體的總流量。這種時差式超聲波流量計方案,能夠利用常年“暢流期”條件,有利于泵站水量計算,避免了人為選擇推流計算參數(shù)而引起較大誤差的問題。
2.3流量測量方案
泵站進水流道中間設(shè)有導(dǎo)流墩,左右2個流道,截面為變斷面矩形,參考相關(guān)規(guī)程和流道的幾何尺寸,將機組流量測量方案確定為8聲道流量計聲道布置形式(圖2~3)。常用的超聲波流量計的流量積分方法,有高斯-雅克比法、圓形優(yōu)化法、高斯-勒讓德法及矩形優(yōu)化法等,針對不同流道形式有不同應(yīng)用。
3超聲波流量計安裝方法和改造方法
3.1漸變流道尺寸測量
對漸變流道進行建模分析,便于計算超聲波流量計換能器的安裝定位分布和流量權(quán)重系數(shù)的確立等，是提高超聲波流量計測量精度的一項有效措施。
可利用三維坐標(biāo)測量儀器測量采集流道特征線(包括棱線和邊線上的點坐標(biāo)),建立實體模型。對模型進一一步分析,建立虛擬軸線及中面,并計算流道的幾何參數(shù)。測量操作步驟如下:
(1)架設(shè)全站儀。選擇合適位置在流道底部架設(shè)全站儀,使其保證全流道內(nèi)的特征點都能被全站儀的激光點掃描到。微調(diào)水準氣泡,保證儀器調(diào)平，并且整個測量過程中,儀器不會被觸碰走位。
(2)軟件進行點坐標(biāo)采集。通過“超聲流量計幾何參數(shù)測算系統(tǒng)”與全站儀通過藍牙連接后,可以進行操作全站儀并讀取激光點處的相對坐標(biāo)值。保證系統(tǒng)對每條特征直線邊線都至少采樣到2個點的坐標(biāo)，弧形邊線至少采樣到3個點的坐標(biāo)。每次采樣過程中,全站儀保持固定位置,并且保持儀器水平狀態(tài)。
(3)軟件建模計算。對于圓形流道,系統(tǒng)可以直接對采樣點坐標(biāo)進行擬合，測試圓形管道的直徑;但是對于非標(biāo)準的漸變流道,需要采樣建模軟件利用點坐標(biāo)值建立特征線,然后對特征線進行擬合建立流道的各個側(cè)面,進而對側(cè)面進行切割求出流道中面高度及面積。
(4)中面計算。流道中面是超聲流量計進行流量測算的重要參數(shù)之一,利用模型,切取中面進行分析。
(5)數(shù)據(jù)計算。根據(jù)流道的模型及虛擬的中面.計算確定換能器應(yīng)安裝的相對聲道高度位置,給出安裝施工換能器的定位坐標(biāo);進--步計算在該聲道高度下的權(quán)重系數(shù),利用該權(quán)重進行加權(quán)求和計算流量。
3.2換能器安裝位置及布置高程的選定
因泵站出水流道流態(tài)不穩(wěn)定,無法保證測量精度,不具備安裝條件,故將換能器選擇安裝在泵站進水流道內(nèi)。選擇進水流道內(nèi)流態(tài)相對穩(wěn)定、流道形狀無變化或變化程度小的斷面。對于漸變形流道，安裝位置應(yīng)盡可能靠近閘門槽。聲道角選擇65°,以縮短前后換能器之間的距離,從而減小安裝斷面的形變量。因進水流道中間有隔墩進行導(dǎo)流,應(yīng)按照實際情況適當(dāng)調(diào)整換能器安裝斷面。
泵站機組進水流道屬于漸變形有壓流道,因此不能按照標(biāo)準的方形、圓形、城門洞形或其他標(biāo)準斷面的流道布置換能器,故參考《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量超聲傳播時間法》(GBZ35717-2017)中關(guān)于圓形或方形斷面的換能器布置方法進行布設(shè)。
選擇與進水流道中心線相垂直的斷面作為換能器安裝布置的斷面,并根據(jù)流道單線圖計算各個換能器的坐標(biāo)(通常以閘門槽中點為原點,水平方向為X軸,垂直方向為Y軸)。
3.3換能器、電纜管敷設(shè)
3.3.1換能器電纜管敷設(shè)方法
電纜管敷設(shè)有明敷和暗敷2種方案,考慮不破壞流道混凝土面層及內(nèi)部鋼筋,本次改造采取明敷方案。
原有電纜管能使用的,盡量使用原有管路;無法使用的,盡可能按順?biāo)鞣较蚍笤O(shè),不破壞水流形態(tài),并減少水流對管道的沖擊。對非順?biāo)鞣较虻墓苈?采用防水膠進行平滑處理,減少水流沖擊。
3.3.2換能器安裝
(1)根據(jù)前期確定的換能器位置以及換能器尺.寸,采用切割機切出長200mm、寬200mm、深度30mm的槽,并對其平整度進行處理;(2)換能器安裝后,使用丙乳砂漿對縫隙進行填補。
3.3.3流道混凝土覆層鋼筋監(jiān)測
為避免在換能器基坑和電纜管溝槽施工過程中由于混凝土覆層厚度不夠或施工失誤使鋼筋露出或損壞，從而影響鋼筋使用壽命或影響建筑結(jié)構(gòu)強度,在本工程施工中采取以下措施:(1)施工前用鋼筋檢測儀檢測混凝土覆層厚度、鋼筋位置、鋼筋間距鋼筋直徑(估測);(2)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)合理規(guī)劃電纜管溝槽排布路線,盡量避開鋼筋;(3)如鋼筋已經(jīng)露出，使用環(huán)氧樹脂涂層或鋼鐵防銹水涂刷鋼筋表面，并盡快用混凝土包裹鋼筋;(4)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑,阻止或延緩鋼筋銹蝕。
4超聲波流量計的測量與注意事項
4.1測雖數(shù)據(jù)及校驗
流量計安裝完成后,采用走航式ADCP進行測流，被測機組為1號和3號機組,單機.運行、雙機運行時,葉片角度分別調(diào)整為-2°、0°、2°,實測流量成果見表1。
從表1可以看出,經(jīng)測量計算,超聲波流量計測量值與ADCP實測值相對偏差在-3.4%~2.9%,ADCP流量測驗值最大偏差4.0%,ADCP實測流量相對標(biāo)準差均在5%以內(nèi),符合流量測驗規(guī)范要求,具體如圖3所示,比測與校驗符合測驗精度與相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。
可以看出,相對于時差式超聲波流量計流速測量值,機組流量是線性的;相對于流道內(nèi)流速值,時差式超聲波流量計流速測量值是穩(wěn)定可靠的。除少量數(shù)值外,在流量較大時,時差式超聲波流量計測量值相對誤差較小，符合誤差分布一般規(guī)律。
4.2注意事項
超聲波流量計盡管有很多優(yōu)勢,但是也存在一定缺點,特別是當(dāng)流道內(nèi)液體噪聲較大或者是內(nèi)有較多氣泡時,勢必會對超聲波傳播產(chǎn)生不良影響，從而造成測量結(jié)果不正確。超聲波流量計自身結(jié)構(gòu)也存在一定的復(fù)雜性,其成本偏高,在使用過程中應(yīng)定期對超聲波測量計進行維護。另外,超聲波流量計在某些具備發(fā)電功能的泵站應(yīng)用,應(yīng)注重發(fā)電工況下流道內(nèi)易產(chǎn)生真空現(xiàn)象,生成大量氣泡,從而導(dǎo)致超聲波流速計無法正常工作。
5結(jié)語
南水北調(diào)通過采用典型的8聲道流量計聲道布置形式,這種設(shè)計方案,不僅可以達到工程建設(shè)的實際需求,還可以進一步提高測量精度,其精度可達到±4.0%以內(nèi)，與預(yù)期效果相符總體而言,超聲波流量計可以對不易觀察到的流體流量和大管徑流量進行有效測量,且測量的靈敏度高、通用性好，便于維修和安裝,可廣泛應(yīng)用于大中型泵站工程中。
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