超声波流量计在南水北调东线泗阳站的应用

　　0　引言

　　泗阳站是南水北调东线第一期工程江苏境内的第4梯级泵站之一，工程等别为Ⅰ等，泵站规模为大(Ⅰ)型，位于江苏省泗阳县县城东南方向约3km处的中运河输水线上。工程主要建设内容包括：在原泗阳一站下游340m处新建设计流量164m3/s的泵站，泵站装机流量198m3/s，安装6台套立式轴流泵(含备机1台套，单机设计流量33m3/s)，配3.15MW立式同步电机6台，总装机容量18.9MW。泵站的流量精确测量是南水北调东线江苏段工程信息化的基础，同时通过对水泵机组运行效率的监测可以随时掌握机组的状态和优化调度，也可以对水泵设计优化提供参考，而对水泵机组性能监测和效率监测均要求对过机流量进行精确测量;泗阳泵站作为低扬程大流量水泵站，进出水流道采用肘形进水、虹吸式出水方式，流道断面变化，结构复杂，流量测量困难，其机组的类型在南水北调东线江苏段具有代表性，所以在机组流量测量实现方式以及测量精度的评估对全线泵站具有示范作用。

　　1　泗阳站测流方案

　　水力机械流量测量的方法主要包括多点流速仪法、蜗壳测流法、比托管法、弯管测流法、肘管测流法、流道压力损失法和多声路超声波法等[1]。其中，多声路超声波法以其测量范围宽、测量精度高、适应条件广等特点，在远距离输水、泵站和水电站等工程大流量测量中得到广泛运用[2]。IEC60041—1991[3]和国内的GB/T20043—2005[4]均将多声路超声波流量计作为水轮机、泵组验收试验流量测量的方法之一。在IEC60041—1991中，推荐当采用交叉4声路测量时，测量段上游应具有10倍直径的直管段可以获得较为满意的测量效果。在美国ASME　PTC18—2002[5]标准中同样推荐当采用交叉4声路测量时，测量段上游应具有10倍直径的直管段可以获得较为满意的测量效果，不过在标准中又补充说明，当实际条件不能满足时，应增加声路数，以获得预期的测量精度，因此针对泗阳站机组流量测量，如何选择合理的声路数和预期精度评价是工程运用研究的重点。

　　1.1　测量原理

　　多声路超声波流量计的基本原理是采用时差法测量流速。如图1所示，对于某一个声路，在上下游分别布置有2只换能器P1和P2。其间距为L，流体流速为v，C为室温下静水中声速。在水流的作用下，声波的正逆向传播时间分别为T1和T2，水的流速与声波正逆向。

　　传播时间差之间关系如下：

　　式中：L为声路长;θ为声波路径与流向的夹角。然而，对较大的流道，流态复杂多变，为了提高测量精度一般采用多声路的布置，当流速满足连续性和可微分的数学条件时，可得到i个声路的流量积分表达公式如下。