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, 擔負著向北京、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個分水口, 64個節(jié)制閘。在節(jié)制閘、分水口、退水閘等處, 安裝了175臺超聲波流量計和28臺電磁流量計。通過這些測流裝置和設(shè)備實現(xiàn)了對全線流量的動態(tài)變化、分水水量的實時自動監(jiān)控, 為全線輸水調(diào)度運行、水量平衡計算提供依據(jù), 對各供水用戶供水量核算及水費征繳提供技術(shù)支撐, 是保證工程運行和管理的重要設(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向受水區(qū)供水112.87億m3, 發(fā)揮了巨大的社會、生態(tài)和經(jīng)濟效益, 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。

  由于存在不同的管理單位而產(chǎn)生多個經(jīng)營主體, 因此各個供水環(huán)節(jié)的水量計量顯得尤其重要。目前存在總干渠分水口流量計、地方配套管道安裝的流量計以及水廠入口處流量計三者讀取的水量數(shù)據(jù)相差較大, 因此, 對流量計進行標定, 建立實測流量與現(xiàn)場已安裝的流量計之間的數(shù)據(jù)關(guān)系, 對現(xiàn)有的流量計測量工況進行完善, 給出各方均認可的流量計量數(shù)據(jù)是極為重要的工作。

  超聲傳播時間法是通過測量超聲波在流體中順流傳播時間與逆流傳播時間之差來計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間tu小于從上游到下游換能器的傳播時間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, 只要測得φ, td, tu這3個參數(shù), 就能計算出流體在流道軸線方向的流速, 進而求得流量。因此, 超聲波時間傳播法流量測量技術(shù)包含三部分:準確的時間測量、準確的幾何參數(shù)測量和代表性流速計算流量的算法。

  在實際應(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Vi更好地估計流道的面平均流速V, 進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)平均的方式計算:

  式中:R——管道半徑, m;Wi——權(quán)重系數(shù), 按照《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量測量》標準附錄選取;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)選擇遠離擾動區(qū)域的流態(tài)平穩(wěn)流場平順的位置進行安裝, 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。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, 超聲波流量計安裝的環(huán)境溫度應(yīng)在-20~55℃的范圍內(nèi)。當安裝環(huán)境溫度超出上述范圍時, 應(yīng)再對流量計采取隔熱、防凍措施。對于暴露在野外的流量計還應(yīng)該采取遮雨、防曬措施。

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

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

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

5) 安裝時要保證流體流動方向與流量計標志的流體正方向一致, 保證流量計測量管軸線與管道軸線方向一致。

6) 流量計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, 流量計與其試驗管段的連接部位應(yīng)沒有泄漏。連接處應(yīng)平滑, 不得有影響流體狀態(tài)的臺階或凸起。測量管內(nèi)徑與流量計上、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)流量計計算出的安裝距離安裝換能器, 并綜合參考流量計的信號強度、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***佳位置。

  根據(jù)規(guī)范規(guī)定, 采用標準測流裝置在封閉管道流量的量值傳標準, 可用于各種類型的流量計檢定、校準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測流裝置, 采用標準流量計 (8聲道超聲波時差法流量計) 為測流裝置, 使流體在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標準流量計和被檢流量計, 比較兩者的輸出流量數(shù)據(jù), 從而率定被檢流量計的計量性能。

  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)計分水流量2 m3/s。目前, 運行分水流量瞬時流量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 (以下簡稱:總干渠分水流量計) , 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, 井內(nèi)安裝開封儀表廠生產(chǎn)的E-mag電磁流量計 (以下簡稱:地方配套1號流量計) 。

  現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn), 暗涵進水口為喇叭狀與總干渠成90°交叉, 流量計安裝位置靠近進水口, 由于上游閘門及進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, 箱涵非標準矩形, 有4個45°倒角, 流場與標準矩形存在差異化。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測流裝置。

  測流裝置的安裝按照如下步驟實施:

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。

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) 采用先進的三坐標測量臂設(shè)備進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), 實驗成果經(jīng)過了驗收, 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、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量—超聲波傳播時間法》, 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)除以超聲波時間差獲得的, 采用三坐標測量臂可精準測量聲道長度的幾何參數(shù), 在影響計量精度的時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, 校準測流裝置的實測數(shù)據(jù)可作為率定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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

  校準測流裝置安裝調(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, 保證敞泄狀態(tài)供水, 通過下游水廠閥門調(diào)節(jié)流量, 從小到大分為8個不同的流量級, 以覆蓋供水期內(nèi)的流量上下限。同時讀取總干渠分水流量計、地方配套1號流量計、自來水廠的流量計、校準標準流量計的讀數(shù)。以校準裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準, 總干渠分水口流量計、地方配套1號流量計、自來水廠的流量計與其對比。成果見圖2。

由圖2分析得出:

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

2) 箱涵流量計相對偏差在20%~25%之間, 也相對穩(wěn)定。

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

以標準測流裝置為基準, 以總干渠分水流量計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 2 X-0.012 7。

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面影響。因此, 宜在工程勘測設(shè)計階段統(tǒng)籌考慮水量計量及測流裝置問題, 對水工建筑物進行必要的設(shè)計調(diào)整和優(yōu)化。例如, 優(yōu)化總干渠分水口的進口水工結(jié)構(gòu), 使進水口流態(tài)平穩(wěn);在測流裝置安裝范圍內(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?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為無法做到中斷供水, 給率定工作帶來不小的困難。應(yīng)提前創(chuàng)造停水時段, 便于在引水箱涵中安裝標準測流裝置和檢查涵洞內(nèi)的測流裝置。在工程規(guī)劃設(shè)計階段, 宜選用雙涵洞方案并在涵洞的進出口布置檢修閘門, 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。

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)是影響測流裝置準確度的重要因素, 因此在工程建設(shè)期, 設(shè)計應(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個頂角部位一般設(shè)計有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)是標準的矩形斷面, 這一點在計算應(yīng)引起注意。

5) 超聲波探頭安裝的幾何參數(shù)的測量。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)嚴格按照設(shè)計位置安裝, 并對其幾何參數(shù)經(jīng)行測量。

6) 由于管道一般為地埋式, 往往需要利用其他閘閥井進行管道測流裝置安裝, 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3 D。***好是設(shè)計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通道, 以便于運行期測流裝置的維護和定期的校訂。

7) 在建設(shè)期安裝測流裝置時, 應(yīng)招標選擇計量檢測機構(gòu)對全線的測流裝置進行率定, 以保證流量測量數(shù)據(jù)的精度。各運行管理單位 (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成共識。

8) 在流量計安裝使用后, 應(yīng)定期對其進行檢驗, 一般投入使用后一個月內(nèi)進行次檢驗, 以后檢驗周期至少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)。