超声波流量计在南水北调淮安四站的应用

周 杨，王从友，宋 佳

（1.南水北调东线江苏水源有限责任公司淮安分公司，江苏 淮安 223001 2.江苏省灌溉总渠管理处高良涧闸管理所，江苏 淮安 223001）

在跨区域、长距离的调水工程实施中，水资源的调运效果受到的影响因素较多，需要对水量实时数据进行及时监控。近年来电子及数字技术的不断发展，超声流量计被广泛应用于南水北调工程中。利用流体中超声波所具有的传播特性，能够对流道中水流量、流速等动态变化精准了解，并对泵站机组的运行情况进行适度优化，从而为泵站的流量控制与机组调度提供数据支持［1］。现以南水北调工程淮安四站为例，对其超声波流量计的原理、测流方案以及校验结果进行分析，进一步说明超声流量计的实践应用过程和效果。

1 项目概况

南水北调淮安四站位于江苏省淮安市淮安区境内，与其已经建成的淮安一站、二站、三站共同组成东线第二梯级抽水泵站，能达到抽水300 m3/s的目标。目前，泵站总装机4台套立式全调节轴流泵（1台备机），配备4台套立式同步电机，设计调水流量为100 m3/s。淮安四站工程自2008年建成投运以来，截至2022年2月底，4台主机累计运行2.1万台时，抽水23.9亿m3，其中2019年、2020年参与省内抗旱，抽水4.74亿m3。淮安四站在初期建设过程中已在1#、3#主机组安装有超声波流量计，经长期使用已损坏，2021年9月对其进行更新维修。

水利工程流量测量方法较多，主要有流速仪法、浮标法、声学多普勒流速剖面仪法（ADCP）、多声路超声波法等［2］。其中以超声波测量法在大中型泵站中的应用较为广泛，且具有测量精度高、适应性强、测量范围广等优势，这也在淮安四站中得到了实际的应用，成为泵站工程调度运用研究的关键。

2 淮安四站测流方案

2.1 超声波流量计的优势

超声波流量计实现流道内流速、流量的测定，是一种典型的非接触式测量方式，它在实际的测量应用中具有良好优势。第一，超声波流量计对流体流动本身产生的干扰较少，流体阻力较小，并不容易产生压力损失，效率较高；第二，超声波流量计的使用在很大程度上并不受介质物理特征的影响，适应性较强；第三，超声波流量计更适用于高温、高压的环境，尤其在防腐蚀、防爆、防浑浊度大的液体环境下工作效率更高，准确度也更高；第四，超声波流量计具有更为广泛的测量范围，一般来说，其测量里程可以达到5∶1，测量输出的结果与流量之间表现出线性关系，更便于进行统计分析；第五，超声波流量计的安装更为简便，对安装环境以及安装人员的技术水平要求并不高。

2.2 超声波测流基本原理

超声波流量计一般由流量计主机（二次仪表）、超声波换能器（含换能器电缆）、超声波信号发送接收装置（采集时间信号）及其他配套附件组成。超声传播时间法通过测量超声在流体中传播的时间来计算流体的流速和流量。

如图1所示，一对换能器A和B以声道长度L、声道角Ø安装在流道2侧，流体中超声传播速度C会与声道投影流速Vproj→VcosØ叠加，造成超声从下游到上游换能器的传播时间tu小于从上游到下游换能器的传播时间td。那么，其计算如式1～4所示。

图1 声道轴向流速的测量

由此可以同时得到声道投影速度Vproj和声速C，进而可以得到声道的轴向线平均流速如式（5）所示。

式中：tu为超声波在流体中逆流（由B到A）传播的时间，s；td为超声波在流体中顺流（由A到B）传播的时间，s；L为声道长度，m；V为流体的轴向线平均流速，m/s；Ø为声道角，（°）。

超声波流量计是在上述原理的基础上，在流道内按照一定的规则设置多条声道，将各条声道测得的流道轴向线平均流速采用相应的积分方法进行积分计算，从而得到流道内流体的总流量。这种时差式超声波流量计方案，能够利用常年“畅流期”条件，有利于泵站水量计算，避免了人为选择推流计算参数而引起较大误差的问题。

2.3 流量测量方案

淮安四站泵站进水流道中间设有导流墩，左右2个流道，截面为变断面矩形，参考相关规程和流道的几何尺寸，将淮安四站机组流量测量方案确定为8声道流量计声道布置形式（图2～3）。常用的超声波流量计的流量积分方法，有高斯-雅克比法、圆形优化法、高斯-勒让德法及矩形优化法等，针对不同流道形式有不同应用。

图2 典型的圆形流道8声道流量计声道布置形式

3 超声波流量计安装方法和改造方法

3.1 渐变流道尺寸测量

对渐变流道进行建模分析，便于计算超声波流量计换能器的安装定位分布和流量权重系数的确立等，是提高超声波流量计测量精度的一项有效措施。

可利用三维坐标测量仪器测量采集流道特征线（包括棱线和边线上的点坐标），建立实体模型。对模型进一步分析，建立虚拟轴线及中面，并计算流道的几何参数。测量操作步骤如下：

（1）架设全站仪。选择合适位置在流道底部架设全站仪，使其保证全流道内的特征点都能被全站仪的激光点扫描到。微调水准气泡，保证仪器调平，并且整个测量过程中，仪器不会被触碰走位。

（2）软件进行点坐标采集。通过“超声流量计几何参数测算系统”与全站仪通过蓝牙连接后，可以进行操作全站仪并读取激光点处的相对坐标值。保证系统对每条特征直线边线都至少采样到2个点的坐标，弧形边线至少采样到3个点的坐标。每次采样过程中，全站仪保持固定位置，并且保持仪器水平状态。

（3）软件建模计算。对于圆形流道，系统可以直接对采样点坐标进行拟合，测试圆形管道的直径；但是对于非标准的渐变流道，需要采样建模软件利用点坐标值建立特征线，然后对特征线进行拟合建立流道的各个侧面，进而对侧面进行切割求出流道中面高度及面积。

（4）中面计算。流道中面是超声流量计进行流量测算的重要参数之一，利用模型，切取中面进行分析。

（5）数据计算。根据流道的模型及虚拟的中面计算确定换能器应安装的相对声道高度位置，给出安装施工换能器的定位坐标；进一步计算在该声道高度下的权重系数，利用该权重进行加权求和计算流量。

3.2 换能器安装位置及布置高程的选定

因泵站出水流道流态不稳定，无法保证测量精度，不具备安装条件，故将换能器选择安装在泵站进水流道内。选择进水流道内流态相对稳定、流道形状无变化或变化程度小的断面。对于渐变形流道，安装位置应尽可能靠近闸门槽。声道角选择65°，以缩短前后换能器之间的距离，从而减小安装断面的形变量。因淮安四站进水流道中间有隔墩进行导流，应按照实际情况适当调整换能器安装断面。

泵站机组进水流道属于渐变形有压流道，因此不能按照标准的方形、圆形、城门洞形或其他标准断面的流道布置换能器，故参考《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量超声传播时间法》（GBZ 35717—2017）中关于圆形或方形断面的换能器布置方法进行布设。

选择与进水流道中心线相垂直的断面作为换能器安装布置的断面，并根据流道单线图计算各个换能器的坐标（通常以闸门槽中点为原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴）。

3.3 换能器、电缆管敷设

3.3.1 换能器电缆管敷设方法

电缆管敷设有明敷和暗敷2种方案，考虑不破坏流道混凝土面层及内部钢筋，本次改造采取明敷方案。

原有电缆管能使用的，尽量使用原有管路；无法使用的，尽可能按顺水流方向敷设，不破坏水流形态，并减少水流对管道的冲击。对非顺水流方向的管路，采用防水胶进行平滑处理，减少水流冲击。

3.3.2 换能器安装

（1）根据前期确定的换能器位置以及换能器尺寸，采用切割机切出长200 mm、宽200 mm、深度30 mm的槽，并对其平整度进行处理；（2）换能器安装后，使用丙乳砂浆对缝隙进行填补。

3.3.3 流道混凝土覆层钢筋监测

为避免在换能器基坑和电缆管沟槽施工过程中由于混凝土覆层厚度不够或施工失误使钢筋露出或损坏，从而影响钢筋使用寿命或影响建筑结构强度，在本工程施工中采取以下措施：（1）施工前用钢筋检测仪检测混凝土覆层厚度、钢筋位置、钢筋间距钢筋直径（估测）；（2）根据检测数据合理规划电缆管沟槽排布路线，尽量避开钢筋；（3）如钢筋已经露出，使用环氧树脂涂层或钢铁防锈水涂刷钢筋表面，并尽快用混凝土包裹钢筋；（4）在混凝土中添加钢筋阻锈剂，阻止或延缓钢筋锈蚀。

4 超声波流量计的测量与注意事项

4.1 测量数据及校验

淮安四站流量计安装完成后，采用走航式ADCP进行测流，被测机组为1号和3号机组，单机运行、双机运行时，叶片角度分别调整为-2°、0°、2°，实测流量成果见表1。

从表1可以看出，经测量计算，淮安四站超声波流量计测量值与ADCP实测值相对偏差在-3.4%～2.9%，ADCP流量测验值最大偏差4.0%，ADCP实测流量相对标准差均在5%以内，符合流量测验规范要求，具体如图3所示，比测与校验符合测验精度与相关技术指标要求。

图3 典型的矩形流道8声道流量计声道布置形式

图3 淮安四站超声波流量计测量值与ADCP实测值相对偏差值

表1 淮安四站实测流量成果

可以看出，相对于时差式超声波流量计流速测量值，机组流量是线性的；相对于流道内流速值，时差式超声波流量计流速测量值是稳定可靠的。除少量数值外，在流量较大时，时差式超声波流量计测量值相对误差较小，符合误差分布一般规律［3-4］。

4.2 注意事项

超声波流量计尽管有很多优势，但是也存在一定缺点，特别是当流道内液体噪声较大或者是内有较多气泡时，势必会对超声波传播产生不良影响，从而造成测量结果不准确。超声波流量计自身结构也存在一定的复杂性，其成本偏高，在使用过程中应定期对超声波测量计进行维护。另外，超声波流量计在某些具备发电功能的泵站应用，应注重发电工况下流道内易产生真空现象，生成大量气泡，从而导致超声波流速计无法正常工作。

5 结语

南水北调淮安四站通过采用典型的8声道流量计声道布置形式，这种设计方案，不仅可以达到工程建设的实际需求，还可以进一步提高测量精度，其精度可达到±4.0%以内，与预期效果相符。总体而言，超声波流量计可以对不易观察到的流体流量和大管径流量进行有效测量，且测量的灵敏度高、通用性好，便于维修和安装，可广泛应用于大中型泵站工程中。