超声波流量计在水电站中的应用

张 杨，刘国峰，刘 君

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

超声波流量计可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量，其对流体的温度、粘度、密度等因素不敏感，灵敏度高，安装维修方便，通用性好。目前其应用领域已经涉及到工业、农业、水利和污水处理等行业。水电站在测量机组过机流量或电站引用流量时，常用到超声波流量计[1]，而机组过机流量与机组的效率考核密切相关，如果超声波流量计选型、布置以及安装不当，会因超声波流量计不能正常使用或者流量测量不准确，对机组的效率考核和整个电站的顺利竣工验收造成影响。超声波流量计的选型及安装布置对于其高效应用至关重要,本文着重对时差法超声波流量计的选型和安装布置要求进行归纳总结，通过列举相关工程应用实例，为其他水电站超声波流量计的高效应用提供借鉴。

1 超声波流量计的原理

超声波在流体中传播会载上流体的流速信息，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速信息，进而可换算成流量[2]。根据对信号的检测原理，超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、空间滤波法、噪声法等类型[3]。传播速度差法是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时的速度差来反映流体流速，从而测出流量。多普勒法是应用超声波的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体流速，从而测出流量。传播速度差法又包括时差法、相位差法、直接时差法等。一般而言，被测流体中不含大浓度的悬浮颗粒时，采用时差法；当被测流体中悬浮颗粒比较多时，采用多普勒法[4]。水电站中一般在引水隧洞、机组蜗壳前的压力钢管等部位需要安装超声波流量计，而电站这些部位水质比较清洁，因此，在水电站中应用时差法超声波流量计较为广泛。

时差法超声波流量计测流原理如图1所示。假设静止水流中的声速为c，水流速度为v，一组换能器P1、P2与管路轴线成θ角安装(即声道角为θ)，换能器之间的距离为L，管道的内径为D。从P2到P1逆水流发射时，超声波传输时间为t1，从P1到P2顺水流发射时，超声波传输时间为t2，2束超声波传输的实际路径相同。

图1 时差法超声波流量计测流原理图

对于单声道超声波流量计，可求得流量：

(1)

(2)

式中：A为流道断面面积，m2；n为声道数;f(v1,v2,…,vn)的精确形式因声道排列情况及数值计算方法的不同而不同。

2 超声波流量计的分类、选型与安装布置要求

2.1 超声波流量计的分类

超声波流量计由超声波换能器、电子线路、流量显示与累积系统组成。换能器在电信号的作用下产生超声波输出，并可以将接收到的超声波信号转换为电信号[5]。

按照安装方式，超声波流量计可以分为外夹式、内贴式、插入式、便携式4种类型。外夹式超声波流量计换能器采用专用耦合剂固定在管道外，安装时不损坏管路，声波的传播路径透过管道壁；对于内贴式超声波流量计，换能器是利用焊接、螺栓等方式固定在流道内壁上；插入式超声波流量计使用专用钻孔装置在被测管道上开孔，流量计探头通过钻孔从流道外部插入安装固定，解决了外夹式超声波流量计在测量结垢较厚的管道时不易接收到信号及长时间测量信号衰减的问题；便携式超声波流量计适合移动测量，常用于流量的标定[6]。

按照声道结构类型，超声波流量计可分为单声道超声波流量计和多声道超声波流量计两种。单声道超声波流量计是在被测流道上安装一对换能器构成一个超声波通道。多声道超声波流量计是在流道上安装多对换能器，构成多个超声波通道，综合各声道的结果求出流量。

2.2 超声波流量计的选型

对于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道中流量的测量，一般选用单声道超声波流量计；对于大口径管道和流态分布复杂的管渠中流量的测量，一般选用多声道超声波流量计。水电站中利用超声波流量计测量水轮机过机流量时，一般采用多声道超声波流量计(至少采用4声道)。

水电站中测量机组过机流量和电站总流量时，宜选用内贴式或者外插式超声波流量计，只有在业主有明确要求的情况下，才选用外夹式。水电站水轮发电机组蜗壳前的压力钢管口径一般较大，在压力钢管上布置的超声波流量计，如安装位置在压力钢管的埋管部位(非暴露式流道)，超声波流量计采用内贴式，换能器和电缆管管卡在压力钢管内壁通过焊接固定；如安装位置在压力钢管的明管部位(暴露式流道)，可结合压力钢管口径大小、精度要求、安装条件等因素，考虑采用插入式或内贴式超声波流量计。为便于安装，选用内贴式超声波流量计时D至少为1.6 m，选用外插式超声波流量计时D至少为0.8 m(其中D为安装流道的圆形断面直径或者矩形断面等效直径)。

2.3 超声波流量计的安装布置要求

超声波流量计的换能器的安装位置应尽量选择远离扰动区、流场平顺、施工难度小的位置，应避开管路的焊接位置和凹凸不平处，不宜选择在弯头、变径、阀门、节流装置等能产生压降的设备的下游，因为管道中的流体当压力降低时会不同程度释放出气体，这些气体会减弱超声波信号的强度，同时会产生噪声，影响到流量测量的准确度[7-8]。由于气体会聚集在管道的最高处，为避免流量计由于夹杂有气体或空气或者空管而造成测量误差和功能异常，同时应避免将流量计安装在该位置。换能器可以选择安装在水平管段或者垂直管段，选择垂直管段的部位时，优先选择管中流体向上流动的位置，当现场条件不具备时，才考虑流体自上向下流动的管段，但此时需保证管道内的背压，确保流体满管平稳流动。

对于单声道超声波流量计，其精度要比多声道超声波流量计的精度差一些，为提高单声道超声波流量计的测量准确性，在实际工程设计时，还应尽量保证单声道超声波流量计安装位置的上游侧30倍管径长度的范围内没有影响流体扰动的阀门、水泵、节流孔等[6]。

水电站中测量机组过机流量时，超声波流量计宜安装在蜗壳前压力钢管水平直管段上，超声波流量计换能器安装位置前后的直管段长度应满足前10D后3D(部分厂家要求前10D后5D)，在无法满足前10D后3D直管段长度要求的情况下，安装位置的上游直管段宜大于其下游直管段的长度。对于水泵水轮机，由于需要兼顾水轮机和水泵两种工作模式，需满足前10D后10D的直管段条件。对于无法满足直管段条件的水电站，可采用交叉声道面配置、采用更多的声道数以提高复杂流场条件下的流速代表性。

3 应用实例

3.1 外夹式超声波流量计在水电站中的应用

根据超声波在管道中的反射次数，外夹式超声波流量计可分为“Z”型、“V”型、“N”型等安装方式。对于“Z”型安装的超声波流量计，超声波在管道中直接传输，没有折射，信号衰减小，建议300 mm以上管径优先选用“Z”型安装[7]。“V”型安装的超声波流量计的超声波波束在管道中反射1次，穿过流体2次；“N”型安装的超声波流量计的超声波波束在管道中反射2次，穿过流体3次。由于超声波传播时间越长，测量精度就越高，因此，在测量小口径管道中的流体流量时，可采取多次反射的方法，增大超声波的传播路径，进而增大其传播时间，提高超声波流量计的测量精度。但每次反射都会造成超声波信号的衰减，故传播次数也不宜过多。故“V”型安装与“N”型安装相比，“V”型安装更为常用，管径在100～300 mm时可优先选用“V”型安装[7]。

南美某水电站位于南美洲厄瓜多尔萨莫拉·钦奇佩省境内的萨莫拉河上，工程开发的主要任务为发电，该电站为低闸长引水式电站，装设3台冲击式水轮发电机组，单机容量60 MW。根据业主要求，该电站在每台机组进水阀前的压力钢管上安装1套单声道外夹式超声波流量计，用于测量机组进口的流量，压力钢管内径为1 400 mm。超声波流量计的安装布置如图2所示，换能器采用“Z”型安装，两换能器水平平齐，与管道轴线水平方向一致，换能器电缆接入控制箱。确定好换能器具体安装位置后，用拧紧固定螺丝将换能器安装框架在管道外壁固定好，在管道周围缠绕安装带，安装带的松紧程度通过安装带调节螺母进行调节，通过安装带对换能器安装框架加固。再将涂有耦合剂的换能器装入换能器安装框架，拧紧换能器的固定螺丝，将换能器紧紧固定在预定的安装位置。控制箱通过螺栓和螺钉在墙上固定。现场安装好的超声波流量计换能器和控制箱分别如图3和图4所示。

图2 单声道外夹式超声波流量计安装布置图

图3 外夹式超声波流量计换能器

图4 超声波流量计控制箱

3.2 内贴式超声波流量计在水电站中的应用

对于内贴式超声波流量计，其安装位置不同，换能器的固定方式也不同。对于安装在引水隧洞混凝土衬砌上的超声波流量计，其换能器一般采用螺栓固定，对于安装在钢管内壁上的内贴式超声波流量计，其换能器一般焊接固定在钢管内壁。

老挝某水电站位于老挝中部赛松本省内，电站距离首都万象公路里程约265 km，直线距离116 km，电站装设3台单机容量为160 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量480 MW。该电站引水隧洞末端经岔管分别引水至3台机组，隧洞内径为7 700 mm，在引水隧洞进水口闸门后位置为T0+130.00 m处设置一套8声道内贴式超声波流量计，安装断面为混凝土衬砌，超声波流量计的安装布置

如图5所示。引水隧洞内的换能器座、电缆管管卡均用化学锚栓固定在引水隧洞内壁衬砌上。换能器的电缆紧贴引水隧洞内壁敷设，沿着引水隧洞敷设至进水口附近，经在进水口预埋的电缆套管引至进水口坝顶层，经穿缆器穿出，再与控制箱连接。

图5 引水隧洞内贴式超声波流量计安装布置图

另外，每台机组进水阀前压力钢管上各设置一套8声路内贴式超声波流量计，安装断面为钢衬，钢衬内径3 300 mm，超声波流量计的安装布置如图6所示。换能器座和电缆管管卡与压力钢管内壁均采用焊接方式固定，信号电缆先通过压力钢管顶部开孔引出，开孔部位与电缆套管的一端焊接，电缆套管埋设在压力钢管上方混凝土中，信号电缆再经电缆套管另一端的穿缆器穿出，引至主厂房上游378.30 m层控制箱。

图6 压力钢管内贴式超声波流量计安装布置图

4 结 论

(1) 时差法超声波流量计测量的流体流速与时间差Δt成正比，2束超声波脉冲传播的时间差越大，流体的流速越大，流量越大。

(2) 引水隧洞和压力钢管埋管部位布置的超声波流量计选用内贴式，压力钢管的明管部位布置的超声波流量计优先采用插入式或内贴式，在业主有明确要求且不能更改时，才用外夹式。

(3) 对于水电站中测量机组过机流量的超声波流量计，其换能器安装位置前后的直管段长度在现场条件具备的情况下宜满足前10D后3D(部分厂家要求前10D后5D)，在无法满足前10D后3D直管段长度要求的情况下，安装位置的上游直管段宜大于其下游直管段的长度，同时应当增加超声波流量计的声道数。

(4) 超声波流量计的准确度与其现场安装条件密切相关，现场流动条件对超声波流量计性能的影响主要与扰流件类型、流量计距扰流件的距离、流量计的声道数、流量计积分方法等因素有关。对无法满足直管段条件的超声波流量计，应进行现场流动条件评估。