时差式超声波流量计在刘老涧泵站中的应用及分析

吉庆伟，李进东，张一祁，袁 尧，杨 帆

（1.江苏省骆运水利工程管理处，江苏 宿迁 223800；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；3.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

1 问题的提出

2 工程概况

刘老涧泵站位于江苏省宿迁市宿豫区仰化镇境内，是江苏省江水北调第五梯级泵站，也是国家南水北调东线第五梯级泵站之一。刘老涧泵站的泵房采用钢筋混凝土堤身式块基型结构，安装3100ZLQ38-4.2 型立式轴流泵，叶轮直径3 100 mm，转速136.4 r/min，设计流量150.00 m3/s，设计扬程4.20 m，配TL2200-40/3250 型同步电动机4台套，总装机容量8 800 kW。该泵站建成于1996年，运行20 多年来为江苏省的江水北调、淮水北调和南水北调工程发挥了巨大的经济效益和社会效益，但泵站设备老化和存在的问题也日益突出。刘老涧抽水站安全鉴定结果表明，经抽检的主水泵气蚀严重，主电机绝缘老化，安全鉴定为Ⅲ类泵站。为消除安全隐患，保证工程效益发挥，适应经济社会发展要求，2019 年8 月对该泵站进行加固改造，2020 年8 月基本完成主要改造任务，并通过试运行，改造效果见图1。改造后泵站设计流量仍为150.00 m3/s，装机4 台套，单机设计流量37.50 m3/s，设计扬程由原4.20 m 调整为3.70 m。为便于泵站运行管理，实时了解泵站的流量参数，采用时差式超声波流量计对该泵站进行实时测流。

图1 刘老涧泵站加固改造效果图

3 超声波测流理论及方法

3.1 测流原理

根据超声波信号检测的不同原理，超声波流量计可以分为传播速度差法、多普勒效应法、相关法、波束偏移法以及噪声法等不同类型[7]。传播速度差法利用被测流体的流速与超声波在流体中的传播速度差的关系测量流体的流速，进而可以计算出通过各种不同截面的流量。根据测量的参数不同，传播速度差法可以具体分为时差法、相位差法和频率差法[8]。

时差法超声波流量计测量1 组或几组成对的换能器在流体正向和逆向2 个方向的传播时间，同时测量上下游2 个换能器同时发射的信号传播的时间差。由于每一对换能器中的任何1 个都可以作为超声波信号的发射端，也可以作为接收端，所以可以使用同一对换能器来确定传播时间的差异（见图2）。

图2 时差法超声波流量计原理示意图

通过超声波脉冲路径的液体轴向流速和超声波传输时间差之间存在比例关系。反复进行测量以确定液体的平均轴向流速并将随机误差最小化。计算公式如下：

3.2 测流方法

为保证在复杂恶劣的明渠内流态条件下获得高精度的测量数据，明渠的流量测量通常配置多声路时差式超声波流量计。多声路测量采用“平均断面积分法”，将整个渠道的测量断面从渠底到水面分成若干层，由各层的测量流量累加从而得到整个过水断面的总流量。其中每层的流量由该层的平均流速与该层的截面积计算得出，总流量QT可以由公式（3）～（5）计算得出。明渠多声路测量中流量与流速分布示意见图3。

图3 明渠多声路测量中流量与流速分布示意图

式中：Qbot为渠底层流量，m3/s；Qtop为渠顶层流量，m3/s；n为总声路数；Vi为第i声路流速，m/s；Vs为表面流速估计值，m/s；Ai为第i声路截面积，m2；Abot为渠底层截面积，m2；F为渠底摩擦系数；Wt为渠顶加权系数。

4 应用与结果分析

4.1 工程应用

为了保证刘老涧泵站加固改造工程配套超声波测流装置能够长期、稳定运行，并提供高精度的流量测量数据，针对刘老涧泵站的现地条件和运行情况，对测流装置从选址到安装进行精心研究和设计。泵站进出水渠道经拦河坝截水以后，实地考察渠道内淤积情况，现将安装方案调整如下：

4.1.1 安装位置

某国的几十个高官们坐飞机去旅游，其中一个省长说：“我丢个100元纸币下去，谁捡到了谁准高兴。”一个市长说：“不如丢10张10元下去，10个人都会高兴。”另一个区长说：“干脆丢100个一元硬币下去，100个人捡到100个人高兴。”飞行员听后说：“不如我把你们全丢下去，让全国人民都高兴！”

泵站下游渠道淤积严重，渠底淤积最深处约2 m，两岸边坡特别是左岸完全被淤泥覆盖住。如在原设计断面安装流量计，一段时间以后换能器将被淤泥覆盖不能工作，而且渠道底部的淤泥会严重影响测量精度。

刘老涧泵站上游直渠段约650 m，其中泵出口流道翼墙到拦河坝（上游围堰）距离约270 m，现地水文观测房距离翼墙约200 m。渠底宽约60 m，渠顶宽约95 m，边坡比1∶2.5，边坡当前为边长1 m的正六边形砌块，淤积深度约0.5 m。

为更好地消除泵后不良流态的影响，将换能器安装在现地水文观测房上游处（拦河坝与水文观测房之间），定位及安装示意见图4～5。换能器测量断面跨度32 m，距离泵后翼墙末端210～240 m。在上游225 m 河道中安装1 台套RISONIC Modular时差式超声波流量计，具体位置见图6。

图4 超声波流量计换能器定位示意图

图5 超声波流量计换能器实际安装图

图6 流量计安装位置图

4.1.2 测流设备

德国BRUGG 集团生产的RISONIC Modular超声波流量计为交叉测量断面8 声道配置，配备控制模块（1 个）和超声波模块（2 个）。

主要技术参数：壳体防护等级IP68，晶振频率200 kHz，最小声道长15 m，最大声道长150 m，最小渠宽10 m，最大渠宽100 m，运行温度-30～+70 ℃。

4.2 流量测量不确定度分析

在机组的现场流量测试过程中，选取泵站净扬程、功率不变，叶片角度为-4°条件时重复采集的10 组流量测试数据（见表1）进行随机不确定度分析。

表1 流量现场实测结果表 m3/s

（1）随机不确定度（EQ）r。根据流量测量的离散程度计算出流量重复值的平均值、标准偏差和随机不确定度，计算式如下：

流量综合不确定度满足SL 54—2012《泵站现场测试与安全检测规程》中低于1%的精度要求。

4.3 实测与模型试验换算对比

将现场实测数据与TJ04-ZL-06 水力模型试验数据进行对比。在扬州大学高精度水力机械试验台对该泵装置物理模型进行测试，试验台具体采纳数据详见参考文献[9-10]。模型与原型流量依据公式（7）进行换算。

式中：Q为原型泵流量，m3/s；Qm为模型泵流量，m3/s；n为圆形泵转速，r/min；nm为模型泵转速，r/min；D为原型泵叶轮直径，mm；Dm为模型泵叶轮直径，mm。

刘老涧水泵装置模型比尺为1∶10.33，叶轮直径D=300 mm，叶片数为3，导叶叶片数为5，采用直流整流器调节模型泵装置试验电机转速，泵装置模型试验额定转速为1 409.5 r/min。

在刘老涧泵站现场采集+2°、0°、-2°、-4°共4个叶片安放角的流量数据（见表2）。

表2 现场实测结果与模型装置试验数据对比表

在测试扬程2.69～3.42 m 范围内，现场测试的流量数值与模型试验换算结果相比基本偏小；在平均扬程3.41 m，3.42 m，叶片安放角分别为0°，-4°时，流量绝对差值最小，实测值偏小0.25 m3/s；在叶片安放角为+2°、0°、-2°、-4°时，各实测流量值与模型试验换算值的平均绝对差值为1.10 m3/s；叶片安放角为-4°时，扬程越大，流量实测值与模型试验换算值的绝对差值越小。

5 结 语

本文介绍时差式超声波流量计的测流原理、测流方法及适用条件。为保证测流的准确度，结合刘老涧泵站的现场测流条件对时差式超声波流量计进行安装方案设计及现场布置。

实测结果表明，时差式超声波流量计测流的随机不确定度为±0.546%，流量综合不确定度为0.830%，满足SL 548—2012《泵站现场测试与安全检测规程》对测流精度的要求，实测流量满足刘老涧泵站更新改造后的设计流量要求。在测试扬程2.69～3.42 m 范围内，与物理模型试验换算值相比，实测流量基本偏小，平均绝对差值为1.10 m3/s。该测试方法可以为类似工程提供参考。