引黃入晉出水口超聲波流量計現場率定研

張永剛

（山西省萬家寨引黃工程管理局 太原 030012）

1 引言

山西省萬家寨引黃入晉工程位于山西省西北部，從萬家寨水庫取水，經總干線、南干線向太原供水。總干線由三級泵站提水，線路長44km,輸水至下土寨分水閘；南干線由二級泵站提水，線路長102km，輸水至頭馬營明渠出水口，一期工程5座泵站均已安裝了3臺水泵機組，其中2臺運行1臺備用，設計流量12.9m3/s；二期工程最終設計流量25.8m3/s，各泵站再增加安裝其余水泵機組。

2 現場永久超聲波流量計率定目的

目前，國內對安裝在現場的永久超聲波流量計率定還無統一規范。我們應用水力學方法對萬家寨引黃入晉頭馬營明渠出水口的永久超聲波流量計進行率定，為輸水運行中水量平衡和計量提供依據；出水口安裝的永久超聲波流量計所監測的流量值由計算機自動通信傳輸系統直接傳至太原調度中心。通過與量測超聲波流量計的測值進行比對，可判斷傳輸系統的穩定性。出水口還臨時修建了梯形薄壁堰，通過量測超聲波流量計的測值可推算其流量系數。

3 率定的依據和要求

3.1 依據

在現場率定主要依據《水泵流量測定方法》（GB3214—1991）、《泵站現場測試規程》（SD140—1985）和《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現場驗收試驗規程》（IEC60041—1991）等實施。

3.2 要求

在率定前先對現場使用的量測超聲波流量計的液位變送器精度進行實驗室檢定，允許誤差為±0.5%；用于現場明渠量測的允許誤差為±2%。

4 率定方法及使用儀器

根據頭馬營明渠出水口現場控制斷面的實際情況，用于量測的超聲波流量計（型號：7510—P8，美國產、四聲路）量測時可保證聲路系統均在工作狀態，安設位置距上游直線段大于20m；距永久安裝的超聲波流量計（型號：ACCUSONIC7500，美國產、四聲路）約80m，下游直線段距離大于10m，距臨時修建的梯形薄壁堰約100m，均滿足規范要求。

換能器安裝位置按照量測超聲波流量計使用要求布置，測流斷面寬度、聲路長度、換能器安裝位置等均采用鋼卷尺測定；聲路角度采用萬能角尺測定。

測流斷面水深采用液位變送器（型號：PM—90，中國產）測量，為適應渠道輸水時因流量變化引起的水位變化，及時調整了換能器的安裝位置。方法是在量測斷面兩側邊壁上安裝了換能器支架和升降活動軌道，使換能器可隨水位變化在支架上升降，提高了量測精度。

5 現場率定的情況說明

5.1 量測流量數據

量測超聲波流量計瞬時流量的顯示可根據要求設置，本次量測設置時間間隔為2s，量測流量數值采用規定時間段所有瞬時流量測值的算術平均值。

5.2 量測規定時段

量測流量過程均選擇渠道水流相對穩定的時段進行，規定按整點時間段（1h、2h等）記錄并計算算術平均值。

5.3 量測工況選擇

分別選擇在水泵單機和雙機兩種工況運行時進行，由于在兩種工況下渠道水位變化較大，及時調整換能器的安裝位置，以保證量測超聲波流量計量測值精度。

5.4 量測值與永久超聲波流量計比對

比對時選擇渠道水流相對穩定的時段，為減小誤差，比對時采用同步、同時段實時量測兩段面的流量測值。并同時調取太原調度中心計算機自動通信傳輸系統的顯示數據，比對結果詳見表1（單機運行）和表2（雙機運行）。

從表1和表2可以看出：量測超聲波流量計均值分別為6.682m3/s和12.456m3/s；永久超聲波流量計顯示均值分別為6.350m3/s和12.156m3/s。

表1 頭馬營出口明渠水力量測比對結果（第一天單機運行）

表2 頭馬營出口明渠水力量測比對結果（第二天雙機運行）

6 梯形薄壁堰

頭馬營出水口是引黃一期工程輸水建筑物流量的關鍵控制斷面，對出水口流量的監測至關重要，因此，依據《堰槽測流規范》（SL24—1991）修建了梯形薄壁堰流量量測設施（以備永久超聲波流量計發生故障時使用）。

6.1 堰上水頭量測

依據《水位觀測標準》（GBJ138—1990）對堰上水頭進行量測，在梯形薄壁堰堰口兩側安裝有水尺，兩水尺最小刻度均為1cm，每次讀取3組數據，取其算術平均值作為堰上水頭的量測值，水位量測精度誤差為±0.5cm。

6.2 梯形薄壁堰流量系數

經量測梯形薄壁堰堰口寬度B為5.995m，堰底高程為1480.453m，堰上水頭零點高程為1480.453m，與堰底齊平，堰后為自由出流，過堰流量采用西坡列梯（Cippoletti）公式計算：

式中M——流量系數；

B——堰口寬度，取=5.995m；

h——堰上水頭，由實測而得。

過堰流量可采用量測超聲波流量計實時測得，故梯形薄壁堰流量系數可按下式計算：

式中符號意義同式（1）。

流量系數計算結果詳見表1（其值為1.878）和表2（其值為1.869）。

6.3 梯形薄壁堰流量系數實驗室模擬試驗

頭馬營梯形薄壁堰流量系數在實驗室內還進行了3個不同比尺模型測驗值試驗，經擬合求得為1.862，與現場單機運行時原型量測值相差0.016，與雙機運行原型量測值相差0.0007，都比較接近。

7 結語

在輸水建筑物上實施現場永久超聲波流量計率定是一項系統工程，在引黃一期工程頭馬營明渠出水口做了試驗，取得了較好的效果，按照測試規范及儀器使用要求和實驗室內對梯形薄壁堰流量系數模型測驗值試驗結果，量測超聲波流量計流量值精度達到了允許誤差范圍（±2%）。

在量測流量的過程中，選擇水流相對穩定的時段對梯形薄壁堰流量系數進行了標定；對永久超聲波流量計進行了率定，單機運行時顯示的流量值偏小約4.9%，大于2%的允許誤差；分析其原因，是由于永久超聲波流量計安裝位置渠道斷面的最終設計流量為25.8m3/s，單機運行時只達到最終設計值的26%，使得永久超聲波流量計的4個聲路系統未能全部投入工作所致。雙機運行時達到最終設計值的48%，顯示的量測流量值仍偏小2.2%，都未達到允許誤差2%。根據率定結果對永久超聲波流量計內設參數重新進行了調整，達到了現場明渠量測的允許誤差范圍（±2%）。

現場永久超聲波流量計率定結果顯示：引黃一期工程輸水建筑物運行較為穩定，現場比對所得水力學參數為今后經濟運行管理和安全供水提供了有價值的借鑒資料，可供有關設計，運行研究參考。