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時差式超聲波流量計在劉老澗泵站中的應用及分析

來源:作者:發表時間:2021-12-13 15:52:11

  作者:吉慶偉 1,李進東 2,張一祁 3,袁 堯 2,楊 帆 3 

(1. 江蘇省駱運水利工程管理處,江蘇 宿遷 223800;2. 江蘇省水利科學研究院,江蘇 南京 210017;3. 揚州大學水利科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)
 
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摘 要:流量測量在泵站現場測試中起到重要的作用。以劉老澗泵站工程為背景,介紹時差式超聲波流量計的測流原理與測流方法,并根據現場應用的經驗,進行渠道清淤、安裝位置等調整。經過現場測試,流量綜合不確定度為 0.830%,滿足 SL 548—2012《泵站現場測試與安全檢測規程》的精度要求。將實測數據與物理模型試驗結果進行對比,在測試揚程 2.69~3.42 m 范圍內,現場測試的流量數值與模型試驗換算結果相比基本偏小。
 
1 問題的提出
泵站現場測流可為泵站改造提供準確的依據,但由于泵站流量現場測試條件各異,影響因素很多,既要考慮科學性,也要考慮可靠性和精度 [1]。根據 SL 548—2012《泵站現場測試與安全檢測規程》,當前泵站測流常用的方法有:流速儀法、超聲波法、食鹽濃度法、壓差法等。其中超聲波流量計是利用超聲波作為媒介來測量流體的流速,具有精度高、安裝方便、維護量小、無接觸測量等優點 [2-5],被廣泛應用于南水北調東線的泵站工程中,以便泵站管理單位實現對低揚程大流量水泵過機流量的精確測量 [6]。但每座泵站的工程特點不同,如何合理選擇超聲波流量計及合理布置換能器,需要進行分析。本文以劉老澗泵站工程為背景,分析時差式超聲波流量計在該泵站工程中的布置及應用,為同類泵站實時測流提供參考。
 
2 工程概況
劉老澗泵站位于江蘇省宿遷市宿豫區仰化鎮境內,是江蘇省江水北調第五梯級泵站,也是國家南水北調東線第五梯級泵站之一。劉老澗泵站的泵房采用鋼筋混凝土堤身式塊基型結構,安裝3100ZLQ38-4.2 型 立 式 軸 流 泵, 葉 輪 直 徑 3 100 mm,轉速 136.4 r/min,設計流量 150.00 m3/s,設計揚程 4.20 m,配 TL2200-40/3250 型同步電動機 4臺套,總裝機容量 8 800 kW。該泵站建成于 1996 年,運行 20 多年來為江蘇省的江水北調、淮水北調和南水北調工程發揮了巨大的經濟效益和社會效益,但泵站設備老化和存在的問題也日益突出。
 
劉老澗抽水站安全鑒定結果表明,經抽檢的主水泵氣蝕嚴重,主電機絕緣老化,安全鑒定為Ⅲ類泵站。為消除安全隱患,保證工程效益發揮,適應經濟社會發展要求,2019 年 8 月對該泵站進行加固改造,2020 年 8 月基本完成主要改造任務,并通過試運行,改造效果見圖 1。改造后泵站設計流量仍為150.00 m3/s,裝機 4 臺套,單機設計流量 37.50 m3/s,設計揚程由原 4.20 m 調整為 3.70 m。為便于泵站運行管理,實時了解泵站的流量參數,采用時差式超聲波流量計對該泵站進行實時測流。
劉老澗泵站加固改造效果圖
3 超聲波測流理論及方法
3.1 測流原理
根據超聲波信號檢測的不同原理,超聲波流量計可以分為傳播速度差法、多普勒效應法、相關法、波束偏移法以及噪聲法等不同類型 [7]。傳播速度差法利用被測流體的流速與超聲波在流體中的傳播速度差的關系測量流體的流速,進而可以計算出通過各種不同截面的流量。根據測量的參數不同,傳播速度差法可以具體分為時差法、相位差法和頻率差法 [8]。
 
時差法超聲波流量計測量 1 組或幾組成對的換能器在流體正向和逆向 2 個方向的傳播時間,同時測量上下游 2 個換能器同時發射的信號傳播的時間差。由于每一對換能器中的任何 1 個都可以作為超聲波信號的發射端,也可以作為接收端,所以可以使用同一對換能器來確定傳播時間的差異(見圖 2)。
通過超聲波脈沖路徑的液體軸向流速和超聲波傳輸時間差之間存在比例關系。反復進行測量以確定液體的平均軸向流速并將隨機誤差最小化。計算公式如下:
360桌面截圖20211213155540.jpg
式中:L 為一對換能器的發射面(接受面)在液體中的距離,m;c 為當前流態下液體中的聲速,m/s;Φ 為聲路與水流方向的夾角(聲路角),º; va 為距離 L 之間的平均軸向流速,m/s;td、tu 為逆向、正向傳輸時間(ε 分別對應于 -1 和 +1),s。
時差法超聲波流量計原理示意圖
3.2 測流方法
為保證在復雜惡劣的明渠內流態條件下獲得高精度的測量數據,明渠的流量測量通常配置多聲路時差式超聲波流量計。多聲路測量采用“平均斷面
積分法”,將整個渠道的測量斷面從渠底到水面分成若干層,由各層的測量流量累加從而得到整個過水斷面的總流量。其中每層的流量由該層的平均流速與該層的截面積計算得出,總流量 QT 可以由公式(3)~(5)計算得出。明渠多聲路測量中流量與流速分布示意見圖 3。
20211213160000.jpg
式中:Qbot 為渠底層流量,m3/s;Qtop 為渠頂層流量,m3/s;n 為總聲路數;Vi 為第 i 聲路流速,m/s;Vs 為表面流速估計值,m/s;Ai 為第 i 聲路截面積,m2;Abot 為渠底層截面積,m2;F 為渠底摩擦系數;Wt 為渠頂加權系數。
明渠多聲路測量中流量與流速分布示意圖
 
4 應用與結果分析
4.1 工程應用
為了保證劉老澗泵站加固改造工程配套超聲波測流裝置能夠長期、穩定運行,并提供高精度的流量測量數據,針對劉老澗泵站的現地條件和運行情況,對測流裝置從選址到安裝進行精心研究和設計。泵站進出水渠道經攔河壩截水以后,實地考察渠道內淤積情況,現將安裝方案調整如下:
 
4.1.1 安裝位置
泵站下游渠道淤積嚴重,渠底淤積最深處約2 m,兩岸邊坡特別是左岸完全被淤泥覆蓋住。如在原設計斷面安裝流量計,一段時間以后換能器將被淤泥覆蓋不能工作,而且渠道底部的淤泥會嚴重影響測量精度。
 
劉老澗泵站上游直渠段約 650 m,其中泵出口流道翼墻到攔河壩(上游圍堰)距離約 270 m,現地水文觀測房距離翼墻約 200 m。渠底寬約 60 m,渠頂寬約 95 m,邊坡比 1:2.5,邊坡當前為邊長 1 m的正六邊形砌塊,淤積深度約 0.5 m。
 
為更好地消除泵后不良流態的影響,將換能器安裝在現地水文觀測房上游處(攔河壩與水文觀測房之間),定位及安裝示意見圖 4~5。換能器測量斷面跨度 32 m,距離泵后翼墻末端 210~240 m。在上游 225 m 河道中安裝 1 臺套 RISONIC Modular時差式超聲波流量計,具體位置見圖 6。
 

超聲波流量計換能器定位示意圖超聲波流量計換能器實際安裝圖流量計安裝位置圖

 
4.1.2 測流設備
德 國 BRUGG 集團生產的 RISONIC Modular超聲波流量計為交叉測量斷面 8 聲道配置,配備控制模塊(1 個)和超聲波模塊(2 個)。主要技術參數:殼體防護等級 IP68,晶振頻率 200 kHz,最小聲道長 15 m,最大聲道長150 m,最小渠寬 10 m,最大渠寬 100 m,運行溫度 -30~+70 ℃。
 
4.2 流量測量不確定度分析
在機組的現場流量測試過程中,選取泵站凈揚程、功率不變,葉片角度為 -4° 條件時重復采集的 10 組流量測試數據(見表 1)進行隨機不確定度分析。
流量現場實測結果表
(1)隨機不確定度(EQ)r。根據流量測量的離散程度計算出流量重復值的平均值、標準偏差和隨機不確定度,計算式如下:
計算公式
式中:SQ為流量平均值的標準偏差,m3/s;N為測量次數;Qi 為第 i 次流量的測量值,m3/s;Q為流量平均值,m3/s;t0.95(N -1)為對應于 0.95 置信率和(N-1)個自由度的 t 分布值。根據表的流量實測數據,計算結果為:
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(2)測試系統不確定度(EQ)s。超聲波流量計的測試系統不確定度為 0.625%。 (3)流量綜合不確定度 EQ。此次測試的流量綜合不確定度為:
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流量綜合不確定度滿足 SL 54—2012《泵站現場測試與安全檢測規程》中低于 1% 的精度要求。
 
4.3 實測與模型試驗換算對比
將現場實測數據與 TJ04-ZL-06 水力模型試驗數據進行對比。在揚州大學高精度水力機械試驗臺對該泵裝置物理模型進行測試,試驗臺具體采納數據詳見參考文獻 [9-10]。模型與原型流量依據公式(7)進行換算。
20211213160350.jpg
式中:Q 為原型泵流量,m3/s;Qm為模型泵流量,m3/s;n 為圓形泵轉速,r/min;nm 為模型泵轉速,r/min;D 為原型泵葉輪直徑,mm;Dm 為模型泵葉輪直徑,mm。
 
劉老澗水泵裝置模型比尺為 1:10.33,葉輪直徑 D=300 mm,葉片數為 3,導葉葉片數為 5,采用直流整流器調節模型泵裝置試驗電機轉速,泵裝置模型試驗額定轉速為 1 409.5 r/min。在劉老澗泵站現場采集 +2°、0°、-2°、-4° 共4個葉片安放角的流量數據(見表 2)。
現場實測結果與模型裝置試驗數據對比表
在測試揚程 2.69~3.42 m 范圍內,現場測試的流量數值與模型試驗換算結果相比基本偏??;在平均揚程 3.41 m,3.42 m,葉片安放角分別為 0°,-4°時,流量很好差值最小,實測值偏小 0.25 m3/s;在葉片安放角為 +2°、0°、-2°、-4° 時,各實測流量值與模型試驗換算值的平均很好差值為 1.10 m3/s;葉片安放角為 -4° 時,揚程越大,流量實測值與模型試驗換算值的很好差值越小。
 
5 結 語
本文介紹時差式超聲波流量計的測流原理、測流方法及適用條件。為保證測流的準確度,結合劉老澗泵站的現場測流條件對時差式超聲波流量計進行安裝方案設計及現場布置。
 
實測結果表明,時差式超聲波流量計測流的隨機不確定度為 ±0.546%,流量綜合不確定度為0.830%,滿足 SL 548—2012《泵站現場測試與安全檢測規程》對測流精度的要求,實測流量滿足劉老澗泵站更新改造后的設計流量要求。在測試揚程2.69~3.42 m 范圍內,與物理模型試驗換算值相比,實測流量基本偏小,平均很好差值為 1.10 m3/s。該測試方法可以為類似工程提供參考。
 
參考文獻:
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(責任編輯 劉冬雪)
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