某泵站现场流量测试及分析

戴元将，陈世杰，杨 帆，高 慧

（1.江苏盐城水利建设有限公司，江苏 盐城 224002；2.扬州大学，江苏 扬州 225127）

1 工程概况

某泵站位于江苏省盐城市境内，废黄河立交下游左岸，桩号8 + 940 m，为原址拆建。该泵站采用闸站结合形式，该泵站设计抽引流量3.000 m3/s，设计净扬程6.70 m。该站更新改造工程主要由站身及上下游引河等组成，站身设抽引孔2孔，每孔布置3台立轴导叶式混流泵，叶片安放角为-2°，共计6台套，每台配套电机功率75 kW，总装机容量450 kW。站身两侧设出水池，采用钢筋混凝土U型渠与原有防渗渠相接。1#、2#、3#机组连接西出水池，4#、5#、6#机组连接东出水池。

2 测试方法

经现场勘查，现场被测水体满足SL 548 — 2012《泵站现场测试与安全检测规程》中第3.3.1条的要求：水中不夹带气泡；水中夹带的纤维状或颗粒状杂物较小；测试过程中，水温变化的允许偏差低于±0.5 ℃。

超声波流量计测流技术在泵站流量测试中已有相关应用[1-4]。根据该泵站现场条件，采用超声波法对该泵站6台机组中的2台机组进行单机组流量测试，测试按照中华人民共和国水利行业标准SL 548 — 2012《泵站现场测试与安全检测规程》中流量测试要求进行。

借鉴文献[5]中测流断面的实际确定方法，结合SL 548 — 2012《泵站现场测试与安全检测规程》中3.2.2要求，该泵站测流断面上游应具有长度不少于20倍管径、下游不少于5倍管径的顺直段。

实际测试段中心距上游来流长度约14 m，满足20倍管径的要求；距离去流长度方向约6 m，满足不少于5倍管径的要求。

测试断面形状为圆形，垂直于水流方向，流态稳定，流速分布均匀，满足超声波法测流要求。

3 测试设备

3.1 设备概述

本次流量测试采用外夹式超声波流量计，超声波流量计采用凯驰瑞鑫（大连）仪器发展有限公司生产的KRCFLO 1518Hand手持式超声波液体流量计，超声波发射电路采用低电压多脉冲，采用DSP数字信号处理方法，该超声波流量计的相关参数为：①测量范围：0 ～ 10 000 m3/h；②公称通径：10 ～ 6 000 mm；③适用介质：液体；④工作温度：-30 ～ 40 ℃；⑤精度等级：0.625%。

3.2 测试原理

超声波法使用超声波流量计进行流量测量，其基本原理是利用被测流体的非声学量（如流速、液位等）和媒介的声学量（如声速、声阻抗等）之间存在的关系，通过声学量的测定求出非声学量。超声波在流体中传播速度与在静止水体中传播速度是不同的，其变化与水流速度有关，其值与媒介的平均流速呈线性关系。

在顺流和逆流介质中，其超声波的速度有差异而形成时间差。时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测试的。

在现场测试时，若在安装距离为L的距离内，分别安装超声波发射器和接收器，则对于顺流和逆流情况下有：

式中：c为超声波在静止流体内的传播速度（m/s）；v为流体流动的速度（m/s）；t1、t2为顺流和逆流传播所需要的时间（s）；L为安装距离（m）。

一般情况下，液体中的声速c在1 000 m/s以上，而一般测量流体的流速v在每秒几米的量级内，即c2v2，所以时间差可以近似的写成：

由式（3）可知，当声速c一定时，流速v和时差Δt成正比，只要测出时差Δt就可以求得流体流速v，再通过

式（4）计算管道内的流量，这就是时差法超声波流量计的测量原理。

式中：Q为流量（m3/s）；A为管道的内截面积（m2）。

根据该泵站现场测试条件，泵站出水管道底部为钢筋混凝土，无法开挖，仅能采用V法测量，V法安装具有使用方便，测量准确的优点，安装时2传感器水平对齐，其中心线与管道轴线水平即可，V法安装示意见图1。

图1 超声波流量计V法安装示意图

依据现场提供的出水管道参数进行设置，测量管直径为530 mm，管道壁厚8 mm，内径为514 mm，出水管道外壁涂有防锈漆。

为保证测试精度，采用人工打磨除去出水管道外壁面的防锈漆。实际超声波流量计探头的安装位置避免了焊缝、接头、管道底部以及易受管道内滞留气体影响的部位，在安装前在传感器的接触面涂抹一定量的耦合剂。

实际测量中，待机组运行稳定后开始测量流量，测试时间不宜小于60 s，且读数不少于10个，对测量结果计算各次测量读数的算术平均值。

4 测试结果与分析

现场共测试该泵站东西侧各1台机组，分别为3#机组和4#机组。

（1）3#机组流量测试结果。现场选取连接西出水池的3#机组进行测试，3#机组位于泵房西侧一端，整个流量测试时间持续约11 min，待西出水池内水位稳定，待西出水池水位稳定后，经测试3#机组的流量稳定在0.305 m3/s。

（2）4#机组流量测试结果。现场选取连接东出水池的4#机组进行测试，测试初始采用测绳对进水池，东出水池水位进行量测，未开机前进水池水位为2.70 m，东出水池水位为5.50 m。流量测试至4#机组开机后东出水池水位维持不变，整个测流过程大约20 min。流量测试结果见表1。

表1 4#机组流量动态实测结果表

续表1

对4#机组进行流量的数据进行分析，在测试时间11∶47 — 11∶53内，泵站净扬程仅变化了6 mm，故认为该时间段内东出水池水位维持不变，对该时间段内的测试流量和泵站净扬程计算平均值，与其余时间测试流量与泵站净扬程的关系曲线见图2。

图2 4#机组流量与泵站净扬程的关系曲线图

5 流量测量不确定度分析

5.1 随机不确定度计算

从4#机组的现场流量测试中，在泵站净扬程不变时（11∶50 — 11∶54）选取重复采集的10组流量测试数据进行随机不确定度分析，10组数据见表2。

表2 流量测量数据表

根据流量测量的离散程度计算出流量重复值得出平均值及标准偏差，计算式如下：

式中：N为测量次数（次）；Qi为第i次流量的测量值（m3/s）；Q 为流量平均值（m3/s）。t0.95(N-1)为对应于0.95置信率和（N - 1）个自由度的t分布值。

据表2的流量实测数据，计算结果为：

5.2 测试系统不确定度计算

KRCFLO 1518Hand超声波流量计的流量测试系统的不确定度为0.625%。

5.3 流量综合不确定度

流量测试的综合不确定度由超声波流量计的系统不确定度和随机不确定度“方和根”合成。此次流量测试的综合不确定度为：

流量测试的综合不确定度满足SL 548 — 2012《泵站现场测试与安全检测规程》规定的不大于3.500%要求。

6 结 语

（1）根据该泵站3#机组和4#机组的单台流量测试结果，当3#机组和4#机组均处于稳定运行工况时，3#机组的流量为0.305 m3/s，4#机组的流量为0.303 m3/s。

（2）根据该泵站现场情况，采用超声波流量计对单台机组进行现场流量测试，经现场流量测试结果计算，现场流量测试的综合不确定度为0.781%，满足SL 548 — 2012《泵站现场测试与安全检测规程》规定的不大于3.500%要求，表明该方法是有效可行的。

参考文献：

[1] 孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010(3)：130 - 131.

[2] 赖冠文，练伟航，张巍，等.小榄泵站现场测试与分析[J].节水灌溉，2002(6)：36.

[3] 戴红霞，李斌.关于泵站现场测试中流量测量问题[J].水利科技与经济，2005，11(2)：106 - 108.

[4] 孙振华.超声波流量计在大型泵站流量测试中的应用[J].中国农村水利水电，2010(3)：130 - 131.

[5] 刘曼，胡毓麟.某泵站的现场测试及结果分析[J].排灌机械工程学报，2004，22(4)：31 - 34.