摘要:為保證泵站流量的正確計(jì)量,對南水北調(diào)進(jìn)水流道內(nèi)的流量計(jì)進(jìn)行比測和率定，同時(shí)結(jié)合流道真實(shí)的運(yùn)行特征和情況,運(yùn)用超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)泵站的科學(xué)校驗(yàn)。
在跨區(qū)域、長距離的調(diào)水工程實(shí)施中,水資源的調(diào)運(yùn)效果受到的影響因素較多,需要對水量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控。近年來電子及數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于南水北調(diào)工程.中。利用流體中超聲波所具有的傳播特性,能夠?qū)α鞯乐兴髁俊⒘魉俚葎討B(tài)變化正確了解,并對泵站機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行適度優(yōu)化,從而為泵站的流量控制與機(jī)組調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持甲。
1項(xiàng)目概況
南水北調(diào)與其已經(jīng)建成的淮安一一站、二站、三站共同組成東線第二梯級抽水泵站,能達(dá)到抽水300m'/s的目標(biāo)。目前,泵站總裝機(jī)4臺套立式全調(diào)節(jié)軸流泵(1臺備機(jī)),配備4臺套立式同步電機(jī),設(shè)計(jì)調(diào)水流量為100m³/s。工程自2008年建成投運(yùn)以來,截至2022年2月底,4臺主機(jī)累計(jì)運(yùn)行2.1萬臺時(shí),抽水23.9億m³,其中2019年、2020年參與省內(nèi)抗旱,抽水4.74億m³。在初期建設(shè)過程中已在1#、3#主機(jī)組安裝有超聲波流量計(jì),經(jīng)長期使用已損壞,2021年9月對其進(jìn)行更新維修。
水利工程流量測量方法較多,主要有流速儀法、浮標(biāo)法、聲學(xué)多普勒流速剖面儀法(ADCP)、多聲路超聲波法等。其中以超聲波測量法在大中型泵站中的應(yīng)用較為廣泛,且具有測量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、測量范圍廣等優(yōu)勢,這也在中得到了實(shí)際的應(yīng)用,成為泵站工程調(diào)度運(yùn)用研究的關(guān)鍵。測流方案.
2.1超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢
超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)流速、流量的測定,是一種典型的非接觸式測量方式,它在實(shí)際的測量應(yīng)用中具有良好優(yōu)勢。第一,超聲波流量計(jì)對流體流動本身產(chǎn)生的干擾較少,流體阻力較小,并不容易產(chǎn)生壓力損失,效率較高;第二,超聲波流量計(jì)的使用在很大程度上并不受介質(zhì)物理特征的影響,適應(yīng)性較強(qiáng);第三,超聲波流量計(jì)更適用于高溫、高壓的環(huán)境,尤其在防腐蝕、防爆、防渾濁度大的液體環(huán)境下工作效率更高,精度也更高;第四,超聲波流量計(jì)具有更為廣泛的測量范圍,一般來說,其測量里程可以達(dá)到5:1,測量輸出的結(jié)果與流量之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，更便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;第五,超聲波流量計(jì)的安裝更為簡便,對安裝環(huán)境以及安裝人員的技術(shù)水平要求并不高。
2.2超聲波測流基本原理
超聲波流量計(jì)一般由流量計(jì)主機(jī)(二次儀表)、超聲波換能器(含換能器電纜)、超聲波信號發(fā)送接收裝置(采集時(shí)間信號)及其他配套附件組成。超聲傳播時(shí)間法通過測量超聲在流體中傳播的時(shí)間來計(jì)算流體的流速和流量。
如圖1所示，一對換能器A和B以聲道長度L、聲道角φ安裝在流道2側(cè),流體中超聲傳播速度C會與聲道投影流速Vproj→Vcosφ疊加,造成超聲從下游到上游換能器的傳播時(shí)間tu小于從上游到下游換能器的傳播時(shí)間td那么，其計(jì)算如式1~4所示。
tu=L/(C-Vproj)(1)
td=L/(C+Vproj)(2)
由此可以同時(shí)得到聲道投影速度Vproj和聲速C,，進(jìn)而可以得到聲道的軸向線平均流速如式(5)所示。
式中:tu為超聲波在流體中逆流(由B到A)傳播的時(shí)間,s;td為超聲波在流體中順流(由A到B)傳播的時(shí)間,s;L為聲道長度,m;V為流體的軸向線平均流速，m/s;0為聲道角,(°)。
超聲波流量計(jì)是在上述原理的基礎(chǔ)上,在流道內(nèi)按照--定的規(guī)則設(shè)置多條聲道,將各條聲道測得的流道軸向線平均流速采用相應(yīng)的積分方法進(jìn)行積分計(jì)算,從而得到流道內(nèi)流體的總流量。這種時(shí)差式超聲波流量計(jì)方案,能夠利用常年“暢流期”條件,有利于泵站水量計(jì)算,避免了人為選擇推流計(jì)算參數(shù)而引起較大誤差的問題。
2.3流量測量方案
泵站進(jìn)水流道中間設(shè)有導(dǎo)流墩,左右2個(gè)流道,截面為變斷面矩形,參考相關(guān)規(guī)程和流道的幾何尺寸,將機(jī)組流量測量方案確定為8聲道流量計(jì)聲道布置形式(圖2~3)。常用的超聲波流量計(jì)的流量積分方法,有高斯-雅克比法、圓形優(yōu)化法、高斯-勒讓德法及矩形優(yōu)化法等,針對不同流道形式有不同應(yīng)用。
3超聲波流量計(jì)安裝方法和改造方法
3.1漸變流道尺寸測量
對漸變流道進(jìn)行建模分析,便于計(jì)算超聲波流量計(jì)換能器的安裝定位分布和流量權(quán)重系數(shù)的確立等，是提高超聲波流量計(jì)測量精度的一項(xiàng)有效措施。
可利用三維坐標(biāo)測量儀器測量采集流道特征線(包括棱線和邊線上的點(diǎn)坐標(biāo)),建立實(shí)體模型。對模型進(jìn)一一步分析,建立虛擬軸線及中面,并計(jì)算流道的幾何參數(shù)。測量操作步驟如下:
(1)架設(shè)全站儀。選擇合適位置在流道底部架設(shè)全站儀,使其保證全流道內(nèi)的特征點(diǎn)都能被全站儀的激光點(diǎn)掃描到。微調(diào)水準(zhǔn)氣泡,保證儀器調(diào)平，并且整個(gè)測量過程中,儀器不會被觸碰走位。
(2)軟件進(jìn)行點(diǎn)坐標(biāo)采集。通過“超聲流量計(jì)幾何參數(shù)測算系統(tǒng)”與全站儀通過藍(lán)牙連接后,可以進(jìn)行操作全站儀并讀取激光點(diǎn)處的相對坐標(biāo)值。保證系統(tǒng)對每條特征直線邊線都至少采樣到2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，弧形邊線至少采樣到3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。每次采樣過程中,全站儀保持固定位置,并且保持儀器水平狀態(tài)。
(3)軟件建模計(jì)算。對于圓形流道,系統(tǒng)可以直接對采樣點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合，測試圓形管道的直徑;但是對于非標(biāo)準(zhǔn)的漸變流道,需要采樣建模軟件利用點(diǎn)坐標(biāo)值建立特征線,然后對特征線進(jìn)行擬合建立流道的各個(gè)側(cè)面,進(jìn)而對側(cè)面進(jìn)行切割求出流道中面高度及面積。
(4)中面計(jì)算。流道中面是超聲流量計(jì)進(jìn)行流量測算的重要參數(shù)之一,利用模型,切取中面進(jìn)行分析。
(5)數(shù)據(jù)計(jì)算。根據(jù)流道的模型及虛擬的中面.計(jì)算確定換能器應(yīng)安裝的相對聲道高度位置,給出安裝施工換能器的定位坐標(biāo);進(jìn)--步計(jì)算在該聲道高度下的權(quán)重系數(shù),利用該權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算流量。
3.2換能器安裝位置及布置高程的選定
因泵站出水流道流態(tài)不穩(wěn)定,無法保證測量精度,不具備安裝條件,故將換能器選擇安裝在泵站進(jìn)水流道內(nèi)。選擇進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)相對穩(wěn)定、流道形狀無變化或變化程度小的斷面。對于漸變形流道，安裝位置應(yīng)盡可能靠近閘門槽。聲道角選擇65°,以縮短前后換能器之間的距離,從而減小安裝斷面的形變量。因進(jìn)水流道中間有隔墩進(jìn)行導(dǎo)流,應(yīng)按照實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整換能器安裝斷面。
泵站機(jī)組進(jìn)水流道屬于漸變形有壓流道,因此不能按照標(biāo)準(zhǔn)的方形、圓形、城門洞形或其他標(biāo)準(zhǔn)斷面的流道布置換能器,故參考《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)流量的測量超聲傳播時(shí)間法》(GBZ35717-2017)中關(guān)于圓形或方形斷面的換能器布置方法進(jìn)行布設(shè)。
選擇與進(jìn)水流道中心線相垂直的斷面作為換能器安裝布置的斷面,并根據(jù)流道單線圖計(jì)算各個(gè)換能器的坐標(biāo)(通常以閘門槽中點(diǎn)為原點(diǎn),水平方向?yàn)閄軸,垂直方向?yàn)閅軸)。
3.3換能器、電纜管敷設(shè)
3.3.1換能器電纜管敷設(shè)方法
電纜管敷設(shè)有明敷和暗敷2種方案,考慮不破壞流道混凝土面層及內(nèi)部鋼筋,本次改造采取明敷方案。
原有電纜管能使用的,盡量使用原有管路;無法使用的,盡可能按順?biāo)鞣较蚍笤O(shè),不破壞水流形態(tài),并減少水流對管道的沖擊。對非順?biāo)鞣较虻墓苈?采用防水膠進(jìn)行平滑處理,減少水流沖擊。
3.3.2換能器安裝
(1)根據(jù)前期確定的換能器位置以及換能器尺.寸,采用切割機(jī)切出長200mm、寬200mm、深度30mm的槽,并對其平整度進(jìn)行處理;(2)換能器安裝后,使用丙乳砂漿對縫隙進(jìn)行填補(bǔ)。
3.3.3流道混凝土覆層鋼筋監(jiān)測
為避免在換能器基坑和電纜管溝槽施工過程中由于混凝土覆層厚度不夠或施工失誤使鋼筋露出或損壞，從而影響鋼筋使用壽命或影響建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在本工程施工中采取以下措施:(1)施工前用鋼筋檢測儀檢測混凝土覆層厚度、鋼筋位置、鋼筋間距鋼筋直徑(估測);(2)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)合理規(guī)劃電纜管溝槽排布路線,盡量避開鋼筋;(3)如鋼筋已經(jīng)露出，使用環(huán)氧樹脂涂層或鋼鐵防銹水涂刷鋼筋表面，并盡快用混凝土包裹鋼筋;(4)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑,阻止或延緩鋼筋銹蝕。
4超聲波流量計(jì)的測量與注意事項(xiàng)
4.1測雖數(shù)據(jù)及校驗(yàn)
流量計(jì)安裝完成后,采用走航式ADCP進(jìn)行測流，被測機(jī)組為1號和3號機(jī)組,單機(jī).運(yùn)行、雙機(jī)運(yùn)行時(shí),葉片角度分別調(diào)整為-2°、0°、2°,實(shí)測流量成果見表1。
從表1可以看出,經(jīng)測量計(jì)算,超聲波流量計(jì)測量值與ADCP實(shí)測值相對偏差在-3.4%~2.9%,ADCP流量測驗(yàn)值最大偏差4.0%,ADCP實(shí)測流量相對標(biāo)準(zhǔn)差均在5%以內(nèi),符合流量測驗(yàn)規(guī)范要求,具體如圖3所示,比測與校驗(yàn)符合測驗(yàn)精度與相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。
可以看出,相對于時(shí)差式超聲波流量計(jì)流速測量值,機(jī)組流量是線性的;相對于流道內(nèi)流速值,時(shí)差式超聲波流量計(jì)流速測量值是穩(wěn)定可靠的。除少量數(shù)值外,在流量較大時(shí),時(shí)差式超聲波流量計(jì)測量值相對誤差較小，符合誤差分布一般規(guī)律。
4.2注意事項(xiàng)
超聲波流量計(jì)盡管有很多優(yōu)勢,但是也存在一定缺點(diǎn),特別是當(dāng)流道內(nèi)液體噪聲較大或者是內(nèi)有較多氣泡時(shí),勢必會對超聲波傳播產(chǎn)生不良影響，從而造成測量結(jié)果不正確。超聲波流量計(jì)自身結(jié)構(gòu)也存在一定的復(fù)雜性,其成本偏高,在使用過程中應(yīng)定期對超聲波測量計(jì)進(jìn)行維護(hù)。另外,超聲波流量計(jì)在某些具備發(fā)電功能的泵站應(yīng)用,應(yīng)注重發(fā)電工況下流道內(nèi)易產(chǎn)生真空現(xiàn)象,生成大量氣泡,從而導(dǎo)致超聲波流速計(jì)無法正常工作。
5結(jié)語
南水北調(diào)通過采用典型的8聲道流量計(jì)聲道布置形式,這種設(shè)計(jì)方案,不僅可以達(dá)到工程建設(shè)的實(shí)際需求,還可以進(jìn)一步提高測量精度,其精度可達(dá)到±4.0%以內(nèi)，與預(yù)期效果相符總體而言,超聲波流量計(jì)可以對不易觀察到的流體流量和大管徑流量進(jìn)行有效測量,且測量的靈敏度高、通用性好，便于維修和安裝,可廣泛應(yīng)用于大中型泵站工程中。
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