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(zhǎng)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(cè)流裝置和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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。

  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(jí)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。

  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(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定, 建立實(shí)測(cè)流量與現(xiàn)場(chǎng)已安裝的流量計(jì)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系, 對(duì)現(xiàn)有的流量計(jì)測(cè)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。

  超聲傳播時(shí)間法是通過測(cè)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(cè)量單一介質(zhì)的流體, 測(cè)量精度較高, 一般在0.5%~1.5%, 尤其適合清潔水體的流量測(cè)量。

  超聲波傳播時(shí)間法以一對(duì)換能器 (在電信號(hào)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(hào)的器件) 以聲道長(zhǎng)度L (成對(duì)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=V cosφ (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。

  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(cè)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(cè)量技術(shù)包含三部分:準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量、準(zhǔn)確的幾何參數(shù)測(cè)量和代表性流速計(jì)算流量的算法。

  在實(shí)際應(yīng)用中, 經(jīng)常在流道不同的聲道高度zi (聲道高度的值是聲道與流道軸線之間的***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(duì)于流動(dòng)充分發(fā)展的流體具有一定優(yōu)勢(shì)。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(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)附錄選取;αi——聲道高度角, 測(cè)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(duì)應(yīng)的角度。

  測(cè)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(chǎng)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(zhǎng)越理想。較低配置為單面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。

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(duì)流量計(jì)采取隔熱、防凍措施。對(duì)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(hào)處理單元、超聲換能器、流量測(cè)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(duì)流量計(jì)進(jìn)行必要的保護(hù), 流量計(jì)信號(hào)電纜應(yīng)避免與電源電纜平行敷設(shè), 并使用信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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10 D后3 D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(hào)強(qiáng)度、測(cè)得聲速值、信號(hào)質(zhì)量、安裝距離等參數(shù), 將換能器安裝位置調(diào)整到***佳位置。

  根據(jù)規(guī)范規(guī)定, 采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(cè)試方法的研究。此次率定選擇地方配套1號(hào)管理站觀測(cè)井安裝校準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)稱:地方配套1號(hào)流量計(jì)) 。

  現(xiàn)場(chǎng)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(shì)必產(chǎn)生橫向流和旋渦流場(chǎng), 沒有足夠長(zhǎng)度和順直的流道形成理想的流場(chǎng)。流量計(jì)安裝位置流態(tài)較復(fù)雜, 聲道數(shù)較少, 斷面測(cè)速層數(shù)少, 箱涵非標(biāo)準(zhǔn)矩形, 有4個(gè)45°倒角, 流場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)矩形存在差異化。測(cè)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(hào)管理站觀測(cè)井內(nèi)的地方配套管道上安裝校準(zhǔn)測(cè)流裝置。

  測(cè)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(cè)流裝置的相對(duì)聲道高度和聲道角地在管道外壁劃線, 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(cè)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(cè)流裝置, 16套探頭、8聲道。

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

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(cè)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(cè)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(cè)量—超聲波傳播時(shí)間法》, 此次率定采用8聲道超聲波測(cè)流裝置。因各聲道的聲速值是靠現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量臂可精準(zhǔn)測(cè)量聲道長(zhǎng)度的幾何參數(shù), 在影響計(jì)量精度的時(shí)間測(cè)量和流速代表性等因素分別溯源分析給出現(xiàn)場(chǎng)的不確定度在1%以內(nèi)。因此, 校準(zhǔn)測(cè)流裝置的實(shí)測(cè)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(duì)不同管徑進(jìn)行測(cè)量的用戶, 應(yīng)按照計(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。

  校準(zhǔn)測(cè)流裝置安裝調(diào)試完畢后, 在不影響對(duì)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(jí), 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(hào)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(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn), 總干渠分水口流量計(jì)、地方配套1號(hào)流量計(jì)、自來水廠的流量計(jì)與其對(duì)比。成果見圖2。

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)***好。相對(duì)誤差控制在5%左右, 且相對(duì)穩(wěn)定。

2) 箱涵流量計(jì)相對(duì)偏差在20%~25%之間, 也相對(duì)穩(wěn)定。

3) 地方配套1號(hào)流量計(jì)相對(duì)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(chǎng)情況的標(biāo)定。

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

1) 測(cè)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(cè)流裝置的工作條件, 而影響流量測(cè)量的工作精度。實(shí)際工作中, 有的測(cè)流裝置部位還存在著淤積現(xiàn)象, 對(duì)流量的測(cè)量造成極大負(fù)面影響。因此, 宜在工程勘測(cè)設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌考慮水量計(jì)量及測(cè)流裝置問題, 對(duì)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(cè)流裝置安裝范圍內(nèi)保證前10 D后3 D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(cè)流裝置允許的流速范圍等, 為測(cè)流裝置的提供完全滿足規(guī)范的工作條件。

2) 此次測(cè)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(cè)流裝置和檢查涵洞內(nèi)的測(cè)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(cè)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(cè)流裝置, 凸出效應(yīng)明顯。凸出效應(yīng)是影響測(cè)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(cè)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(cè)流裝置的安裝和觀測(cè)線纜的敷設(shè), 保證測(cè)流裝置安裝后與暗涵混凝土面平齊, 觀測(cè)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(duì)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)的測(cè)量。例如, 1 m的間距, 如果探頭的安裝位置或者測(cè)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(duì)其幾何參數(shù)經(jīng)行測(cè)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(cè)流裝置安裝, 即使管道順直滿足前10 D后3 D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(cè)流裝置的工作條件, 規(guī)范要求閘閥應(yīng)安裝在測(cè)流裝置下游并距離至少3 D。***好是設(shè)計(jì)布置專門的測(cè)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(cè)流裝置的維護(hù)和定期的校訂。

7) 在建設(shè)期安裝測(cè)流裝置時(shí), 應(yīng)招標(biāo)選擇計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)全線的測(cè)流裝置進(jìn)行率定, 以保證流量測(cè)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(cè)流裝置率定工作以便達(dá)成共識(shí)。

8) 在流量計(jì)安裝使用后, 應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn), 一般投入使用后一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行次檢驗(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(chǎng)中各聲道測(cè)得流速代表的流場(chǎng)區(qū)域, 優(yōu)化各聲道的權(quán)重系數(shù)。