引黄入晋出水口超声波流量计现场率定研

张永刚

（山西省万家寨引黄工程管理局 太原 030012）

1 引言

山西省万家寨引黄入晋工程位于山西省西北部，从万家寨水库取水，经总干线、南干线向太原供水。总干线由三级泵站提水，线路长44km,输水至下土寨分水闸；南干线由二级泵站提水，线路长102km，输水至头马营明渠出水口，一期工程5座泵站均已安装了3台水泵机组，其中2台运行1台备用，设计流量12.9m3/s；二期工程最终设计流量25.8m3/s，各泵站再增加安装其余水泵机组。

2 现场永久超声波流量计率定目的

目前，国内对安装在现场的永久超声波流量计率定还无统一规范。我们应用水力学方法对万家寨引黄入晋头马营明渠出水口的永久超声波流量计进行率定，为输水运行中水量平衡和计量提供依据；出水口安装的永久超声波流量计所监测的流量值由计算机自动通信传输系统直接传至太原调度中心。通过与量测超声波流量计的测值进行比对，可判断传输系统的稳定性。出水口还临时修建了梯形薄壁堰，通过量测超声波流量计的测值可推算其流量系数。

3 率定的依据和要求

3.1 依据

在现场率定主要依据《水泵流量测定方法》（GB3214—1991）、《泵站现场测试规程》（SD140—1985）和《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力性能现场验收试验规程》（IEC60041—1991）等实施。

3.2 要求

在率定前先对现场使用的量测超声波流量计的液位变送器精度进行实验室检定，允许误差为±0.5%；用于现场明渠量测的允许误差为±2%。

4 率定方法及使用仪器

根据头马营明渠出水口现场控制断面的实际情况，用于量测的超声波流量计（型号：7510—P8，美国产、四声路）量测时可保证声路系统均在工作状态，安设位置距上游直线段大于20m；距永久安装的超声波流量计（型号：ACCUSONIC7500，美国产、四声路）约80m，下游直线段距离大于10m，距临时修建的梯形薄壁堰约100m，均满足规范要求。

换能器安装位置按照量测超声波流量计使用要求布置，测流断面宽度、声路长度、换能器安装位置等均采用钢卷尺测定；声路角度采用万能角尺测定。

测流断面水深采用液位变送器（型号：PM—90，中国产）测量，为适应渠道输水时因流量变化引起的水位变化，及时调整了换能器的安装位置。方法是在量测断面两侧边壁上安装了换能器支架和升降活动轨道，使换能器可随水位变化在支架上升降，提高了量测精度。

5 现场率定的情况说明

5.1 量测流量数据

量测超声波流量计瞬时流量的显示可根据要求设置，本次量测设置时间间隔为2s，量测流量数值采用规定时间段所有瞬时流量测值的算术平均值。

5.2 量测规定时段

量测流量过程均选择渠道水流相对稳定的时段进行，规定按整点时间段（1h、2h等）记录并计算算术平均值。

5.3 量测工况选择

分别选择在水泵单机和双机两种工况运行时进行，由于在两种工况下渠道水位变化较大，及时调整换能器的安装位置，以保证量测超声波流量计量测值精度。

5.4 量测值与永久超声波流量计比对

比对时选择渠道水流相对稳定的时段，为减小误差，比对时采用同步、同时段实时量测两段面的流量测值。并同时调取太原调度中心计算机自动通信传输系统的显示数据，比对结果详见表1（单机运行）和表2（双机运行）。

从表1和表2可以看出：量测超声波流量计均值分别为6.682m3/s和12.456m3/s；永久超声波流量计显示均值分别为6.350m3/s和12.156m3/s。

表1 头马营出口明渠水力量测比对结果（第一天单机运行）

表2 头马营出口明渠水力量测比对结果（第二天双机运行）

6 梯形薄壁堰

头马营出水口是引黄一期工程输水建筑物流量的关键控制断面，对出水口流量的监测至关重要，因此，依据《堰槽测流规范》（SL24—1991）修建了梯形薄壁堰流量量测设施（以备永久超声波流量计发生故障时使用）。

6.1 堰上水头量测

依据《水位观测标准》（GBJ138—1990）对堰上水头进行量测，在梯形薄壁堰堰口两侧安装有水尺，两水尺最小刻度均为1cm，每次读取3组数据，取其算术平均值作为堰上水头的量测值，水位量测精度误差为±0.5cm。

6.2 梯形薄壁堰流量系数

经量测梯形薄壁堰堰口宽度B为5.995m，堰底高程为1480.453m，堰上水头零点高程为1480.453m，与堰底齐平，堰后为自由出流，过堰流量采用西坡列梯（Cippoletti）公式计算：

式中M——流量系数；

B——堰口宽度，取=5.995m；

h——堰上水头，由实测而得。

过堰流量可采用量测超声波流量计实时测得，故梯形薄壁堰流量系数可按下式计算：

式中符号意义同式（1）。

流量系数计算结果详见表1（其值为1.878）和表2（其值为1.869）。

6.3 梯形薄壁堰流量系数实验室模拟试验

头马营梯形薄壁堰流量系数在实验室内还进行了3个不同比尺模型测验值试验，经拟合求得为1.862，与现场单机运行时原型量测值相差0.016，与双机运行原型量测值相差0.0007，都比较接近。

7 结语

在输水建筑物上实施现场永久超声波流量计率定是一项系统工程，在引黄一期工程头马营明渠出水口做了试验，取得了较好的效果，按照测试规范及仪器使用要求和实验室内对梯形薄壁堰流量系数模型测验值试验结果，量测超声波流量计流量值精度达到了允许误差范围（±2%）。

在量测流量的过程中，选择水流相对稳定的时段对梯形薄壁堰流量系数进行了标定；对永久超声波流量计进行了率定，单机运行时显示的流量值偏小约4.9%，大于2%的允许误差；分析其原因，是由于永久超声波流量计安装位置渠道断面的最终设计流量为25.8m3/s，单机运行时只达到最终设计值的26%，使得永久超声波流量计的4个声路系统未能全部投入工作所致。双机运行时达到最终设计值的48%，显示的量测流量值仍偏小2.2%，都未达到允许误差2%。根据率定结果对永久超声波流量计内设参数重新进行了调整，达到了现场明渠量测的允许误差范围（±2%）。

现场永久超声波流量计率定结果显示：引黄一期工程输水建筑物运行较为稳定，现场比对所得水力学参数为今后经济运行管理和安全供水提供了有价值的借鉴资料，可供有关设计，运行研究参考。