大型调水工程水量计量实例研究

刘洪超，杜新果，祝玉媛

（南水北调中线干线建设管理局河南分局，河南郑州 450008）

1 基本情况

1.1 工程概况

南水北调中线工程是缓解京、津、豫、冀等地区水资源紧张，优化我国国土和水资源配置的战略性跨流域大型调水工程，担负着向北京、天津、郑州、石家庄等数十座城市供水任务。南水北调中线干线全长1 432 km，沿线设97个分水口，64个节制闸。在节制闸、分水口、退水闸等处，安装了175台超声波流量计和28台电磁流量计。通过这些测流装置和设备实现了对全线流量的动态变化、分水水量的实时自动监控，为全线输水调度运行、水量平衡计算提供依据，对各供水用户供水量核算及水费征缴提供技术支撑，是保证工程运行和管理的重要设施。

1.2 供水管理模式

南水北调中线工程2014年12月12日正式自通水以来已累计向受水区供水112.87亿m3，发挥了巨大的社会、生态和经济效益，成为沿线城市的生命线。其供水管理模式和供水路径为：总干渠各分水口供水至各调节池，调节池连接地方配套工程供水管道，管道末端连接各受水水厂，通过水厂的自来水管网配送至终端用户。总干渠由南水北调中线干线工程建设管理局管理，自调节池及以后配套输水管道归地方各级调水办管理，地方配套输水管道末端至水厂由各自来水厂管理。

1.3 问题提出

由于存在不同的管理单位而产生多个经营主体，因此各个供水环节的水量计量显得尤其重要。目前存在总干渠分水口流量计、地方配套管道安装的流量计以及水厂入口处流量计三者读取的水量数据相差较大，因此，对流量计进行标定，建立实测流量与现场已安装的流量计之间的数据关系，对现有的流量计测量工况进行完善，给出各方均认可的流量计量数据是极为重要的工作。

2 超声波传播时间法测流装置

2.1 基本原理

超声传播时间法是通过测量超声波在流体中顺流传播时间与逆流传播时间之差来计算流速和流量的方法。适用测量单一介质的流体，测量精度较高，一般在0.5%～1.5%，尤其适合清洁水体的流量测量。

超声波传播时间法以一对换能器（在电信号的作用下产生超声波输出，并能接收超声波转换成电信号的器件）以声道长度 L（成对换能器表面之间超声波传播的实际距离）、声道角φ（声道与流道轴线之间的夹角）安装在流道两侧。超声波在流体中的传播速度C会与流速在声道方向的投影分量 Vproj=Vcos φ（V为流体流速）相叠加，造成超声波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。如图1所示。

图1 超声波传播时间法测流原理示意图

由公式（1）、（2）可以推导出流体在声道方向的投影速度Vproj。

由公式（3）、（4）可以推导出流体在流道轴向方向的流速V值。

由公式（5）可知，只要测得 φ，td，tu这3个参数，就能计算出流体在流道轴线方向的流速，进而求得流量。因此，超声波时间传播法流量测量技术包含三部分：准确的时间测量、准确的几何参数测量和代表性流速计算流量的算法。

2.2 流量的计算

在实际应用中，经常在流道不同的声道高度zi（声道高度的绝对值是声道与流道轴线之间的最短距离，通常以流道中心以上为正值、以下为负值，正好过流道中心的为零）上平行布置若干声道，如图1所示。声道轴向流速 Vi代表其上下的一定面积内的平均流速，利用多个Vi更好地估计流道的面平均流速V，进而通过速度面积法得到流量。

圆形流道通常用高斯—雅可比积分法(Gauss—Jacobi)和圆形优化积分法(OWICS)计算流量。后者考虑了管道壁面附近的零流速，系统偏差略小，对于流动充分发展的流体具有一定优势。流量可利用加权平均的方式计算：

式中：R——管道半径，m；Wi——权重系数，按照《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量测量》国家标准附录选取；αi——声道高度角，测流装置（换能器）安装位置投影到断面上与断面水平方向的夹角，即声道高度与半径比值的正弦值对应的角度。

测流装置应选择远离扰动区域的流态平稳流场平顺的位置进行安装，原则上选取的位置应保证前10D（D，管道直径）后3D的直管段，顺直段越长越理想。最低配置为单面4声道配置，否则应采取交叉声道。声道层均应水平布置。

2.3 安装和使用要求

1）一般情况下，超声波流量计安装的环境温度应在-20～55℃的范围内。当安装环境温度超出上述范围时，应再对流量计采取隔热、防冻措施。对于暴露在野外的流量计还应该采取遮雨、防晒措施。

2）流量计的安装应避开有强烈机械振动影响的位置。特别是要避开可能引起流量计信号处理单元、超声换能器、流量测量管等部件发生共振的环境。

3）流量计及其相关导线安装时应尽量避开可能存在强烈电磁或电子干扰的环境，否则就要对流量计进行必要的保护，流量计信号电缆应避免与电源电缆平行敷设，并使用信号屏蔽电缆。

4）流量计安装时应尽量避免接近噪声源，否则在安装时应采取必要的措施消除环境声学噪声的干扰。

5）安装时要保证流体流动方向与流量计标志的流体正方向一致，保证流量计测量管轴线与管道轴线方向一致。

6）流量计与管道连接的部分应无渗漏，连接处的密封垫不得突出到管道内。

7）在流量计上、下游直管段范围内，管道内壁应清洁，无明显凸凹、锈蚀、结垢和起皮现象。流量计测量管、连接法兰及上、下游直管段应具有相同的内径，流量计与其试验管段的连接部位应没有泄漏。连接处应平滑,不得有影响流体状态的台阶或凸起。测量管内径与流量计上、下游直管段内径的偏差应小于2%，且不大于3 mm。

8）被侧水体为清水并必须充满管道，安装前应调查清楚管道的外径、材质、壁厚、衬里材料及衬里厚度等管道的相关参数。

9）换能器安装的部位前、后直管段应至少满足前10D后3D的要求，应避开管道顶部和底部，尽量安装在管道的水平位置，并注意避开焊缝。

10）根据流量计计算出的安装距离安装换能器，并综合参考流量计的信号强度、测得声速值、信号质量、安装距离等参数，将换能器安装位置调整到最佳位置。

3 工程实例研究

根据规范规定，采用标准测流装置在封闭管道流量的量值传标准，可用于各种类型的流量计检定、校准及流量测试方法的研究。此次率定选择地方配套1号管理站观测井安装校准测流装置，采用标准流量计（8声道超声波时差法流量计）为测流装置，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量计和被检流量计，比较两者的输出流量数据，从而率定被检流量计的计量性能。

选定的典型分水口为1孔闸门，箱涵（1.4 m×1.4 m）引水，设计分水流量2 m3/s。目前，运行分水流量瞬时流量0.86 m3/s，流速0.44 m/s。暗涵内安装瑞士Rittmeyer双声道超声波流量计（以下简称：总干渠分水流量计），声道角48°。暗涵后连接调蓄水池，调蓄水池连接地方配套输水PCCP管道，管道直径1.2 m。调节水池下游30 m处有地方配套管道检查井1个，井内安装开封仪表厂生产的E-mag电磁流量计（以下简称：地方配套1号流量计）。

现场踏勘时发现，暗涵进水口为喇叭状与总干渠成90°交叉，流量计安装位置靠近进水口，由于上游闸门及进水口形状影响等因素，势必产生横向流和旋涡流场，没有足够长度和顺直的流道形成理想的流场。流量计安装位置流态较复杂，声道数较少，断面测速层数少，箱涵非标准矩形，有4个45°倒角，流场与标准矩形存在差异化。测流装置直接安装在暗涵的混凝土表面，凸出效应明显。

经踏勘比选后，在位于总干渠分水口下游100 m处的地方配套1号管理站观测井内的地方配套管道上安装校准测流装置。

3.1 标准测流装置的安装

测流装置的安装按照如下步骤实施：

1）根据规范要求的8声道测流装置的相对声道高度和声道角精确地在管道外壁划线，确定管道开孔位置。

2）管壁焊接导向块（不锈钢）。为管道带压钻孔和安装测流装置提供基本的工作平台。

3）表面清洗、喷涂渗透剂和显影剂。检查导向块焊接是否牢固，是否有渗漏洇湿现象。确保流量计与管道连接部分没有渗漏，连接处的密封垫等不凸出到管道内。

4）由专业的技术工人操作实施管壁开孔作业，不中断供水，带压管道开孔。

5）安装测流装置，16套探头、8声道。

6）采用先进的三坐标测量臂设备进行测流装置安装位置的几何参数精测。

7）流速代表性系数计算和建立数据模型。

8）开展数据监测和数据分析。

中国计量院在2 m宽的水槽内采用双面10声道配置，通过几何参数复核精测以及流速代表性优化后，数据不确定性在1%以内，实验成果经过了国家验收，可作为此次率定工作的参考物理模型。

根据规范GB/Z35717—2017《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机流量的测量—超声波传播时间法》，此次率定采用8声道超声波测流装置。因各声道的声速值是靠现场几何定位的数据除以超声波时间差获得的，采用三坐标测量臂可精准测量声道长度的几何参数，在影响计量精度的时间测量和流速代表性等因素分别溯源分析给出现场的不确定度在1%以内。因此，校准测流装置的实测数据可作为率定的基础数据。

需要注意的是，流量计在不同管径上检定、校准，有不同的修正系数。即使同一台主机使用相同类型的不同换能器，也会得到不同的修正系数。因此，使用单台超声流量计对不同管径进行测量的用户，应按照国家计量检定规程的要求定期送检。检定时，应注意管径、安装方式及主机与换能器的组合应与实际使用情况保持一致。

3.2 数据分析

校准测流装置安装调试完毕后,在不影响对用户正常供水的情况下，上游总干渠分水口门闸门开度1 m，保证敞泄状态供水，通过下游水厂阀门调节流量，从小到大分为8个不同的流量级，以覆盖供水期内的流量上下限。同时读取总干渠分水流量计、地方配套1号流量计、自来水厂的流量计、校准标准流量计的读数。以校准装置监测数据为基准,总干渠分水口流量计、地方配套1号流量计、自来水厂的流量计与其对比。成果见图2。

图2 分水口不同流量条件下不同流量计与校准流量计数据对比

由图2分析得出：

1）在率定时间段内不同流量下水厂的流量计表现最好。相对误差控制在5%左右，且相对稳定。

2）箱涵流量计相对偏差在20%～25%之间，也相对稳定。

3）地方配套1号流量计相对偏差在5%～40%之间。当管道内流速较低时，电磁流量计在低速区间精度较差，也印证了电磁流量计在低流速区（0.3 m/s以内）偏差较大的规律。因此，电磁流量计需要严谨的结合现场情况的标定。

以标准测流装置为基准，以总干渠分水流量计为率定对象建立率定关系，成果见图3。线性回归分析Y=0.849 2X-0.012 7。

图3 总干渠分水流量率定关系

4 结语

1）测流装置的安装一般是在土建工程基本完工后才寻找合适的部位进行，这样往往找到的断面和位置不能完全满足测流装置的工作条件，而影响流量测量的工作精度。实际工作中，有的测流装置部位还存在着淤积现象，对流量的测量造成极大负面影响。因此，宜在工程勘测设计阶段统筹考虑水量计量及测流装置问题，对水工建筑物进行必要的设计调整和优化。例如，优化总干渠分水口的进口水工结构，使进水口流态平稳；在测流装置安装范围内保证前10D后3D的直管段并保证该范围内流速为不冲不淤流速；采取适当的工程措施保证在供水流量变幅范围内的流速均在测流装置允许的流速范围等，为测流装置的提供完全满足规范的工作条件。

2）此次测量装置率定工作因为无法做到中断供水，给率定工作带来不小的困难。应提前创造停水时段，便于在引水箱涵中安装标准测流装置和检查涵洞内的测流装置。在工程规划设计阶段，宜选用双涵洞方案并在涵洞的进出口布置检修闸门，在检修期间保证不间断供水条件下，可以在不同的涵洞中进行灵活切换，既保证不间断供水，又便于测流装置的检查检验。

3）采用内贴式在引水箱涵中安装测流装置，凸出效应明显。凸出效应是影响测流装置准确度的重要因素，因此在工程建设期，设计应充分考虑测流装置的安装要求，在引水箱涵侧墙预留孔洞，以便于测流装置的安装和观测线缆的敷设，保证测流装置安装后与暗涵混凝土面平齐，观测线缆通过预埋的管道暗敷，以消除凸出效应。

4）水利工程中，在涵洞的4个顶角部位一般设计有45°的倒角。在规范GB/Z35717-2017附录A中给出的矩形流道相对声道高度和权重系数是标准的矩形断面，这一点在计算应引起注意。

5）超声波探头安装的几何参数的精确测量。例如，1 m的间距，如果探头的安装位置或者测量的安装间距误差1 cm，带来的流速值误差可能就是1%。因此，超声波探头应严格按照设计位置安装，并对其几何参数经行精确测量。

6）由于管道一般为地埋式，往往需要利用其他闸阀井进行管道测流装置安装，即使管道顺直满足前10D后3D的直管段的安装条件要求，但由于闸阀井内既有的各类闸阀的影响造成流态恶化，无法满足测流装置的工作条件，规范要求闸阀应安装在测流装置下游并距离至少3D。最好是设计布置专门的测流装置安装检查井，并确保有足够的操作空间和维护通道，以便于运行期测流装置的维护和定期的校订。

7）在建设期安装测流装置时，应招标选择计量检测机构对全线的测流装置进行率定，以保证流量测量数据的精度。各运行管理单位（总干渠管理单位、地方配套等单位）宜参与测流装置率定工作以便达成共识。

8）在流量计安装使用后，应定期对其进行检验，一般投入使用后一个月内进行第一次检验，以后检验周期至少1次/年。

9）利用仿真技术分析流场中各声道测得流速代表的流场区域，优化各声道的权重系数。