超声波流量计在淮安第三抽水站的应用
超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性进行流量测量的设备。超声波流量计具有测流精度高，对流道结构影响小，实时性强等特点，因而应用日益广泛。近年来，随着南水北调工程等大中型泵站的相继投入使用，采用渐变等不规则流道的水电站和泵站也要求高精度的流量测试。传统上常采用的盐溶液法、五孔探针测流法、流速仪法和压差法，存在精度差，对流态影响大等缺点。而超声波流量计虽然具有上述优点，但是其对流道要求比较高，一般应用于圆形、矩形、梯形等较规则断面的流道，并且要求传感器前后有一定长度的直管段，因而限制了其使用范围。
淮安第三抽水站位于淮安市楚州区南郊，京杭大运河淮安船闸东侧，装有32GWN-42型叶轮直径为3.19m的灯泡贯流式定浆水泵机组2台套，设计抽水扬程4.2m，设计总抽水量66m3/s，总装机容量3400kW，是江水北调的第二级抽水站之一，也是南水北调东线工程的重要环节之一。在开展淮安第三抽水站2号机组的能量试验时，由于其进水断面由方变圆，后部流道变为圆台并连接灯泡体的不规则断面（见图1），不满足美国AC2CUSONIC公司生产的Model7510型超声波流量计测量的要求。为了能够更加准确的测量流量，减少误差，因此进行淮安第三抽水站2号机组进水流道的模型试验。通过模型试验，寻求一种测量方式，使Model7510型超声波流量计在该型流道中能够输出准确的流量值，同时也为其它复杂流道的泵站的流量测量提供了一个新的方法和借鉴。
图1 淮安三站1剖面示意
2 试验装置及试验方法
2.1 通过CFD对试验模型的简化
由于淮安三站2号机组进水流道形状复杂，且含有灯泡体，如果完全由试验来模拟，将会使试验变得异常复杂，因此，首先使用CFD软件FLU2ENT分别对有灯泡体和无灯泡体时的流道进行数模计算，对两种情况下的流态进行模拟。得到的无灯泡体和有灯泡体时的速度云图如图2所示。
由图2可以看到，灯泡体对其附近的流态影响较大，而对远离它的流态影响非常小。根据FLUENT输出的结果分析，图中2（b）第2条曲线左边的流道，在有无灯泡体时流态基本相同。在此线以左安装传感器，在有灯泡体时和无灯泡体时将得到基本相同的结果。因此，可以对流道的模型进行简化，将传感器安装在上述分界线左侧，只对灯泡体前面的流道进行模拟，其结果将会和有灯泡体和转轮时相同。
2.2 试验方案
（a）无灯泡体
（b）有灯泡体
图2
无灯泡体和有灯泡体时的速度示意
根据试验台的实际情况，考虑传感器的测量范围，依据力学相似准则，确定了线性比例尺δ为10，速度比例尺δv为4.5。制作流道模型。由于进水流道长度短，且断面不规则，流态复杂，传统的单层或者多层布置方式难以应用，因此采用新的布置方式，采用每两条声路交叉布置成一个声路平面，4个声路平面分别与水平面成±18°和±54°的方式。各声路均过流道中心线的同一点。各声路与流道中轴线之间的夹角为49°。超声波传感器的具体安装位置及几何尺寸如图3所示。
图3
测量点布置位置与尺寸
按照上述安装方法安装流速传感器。分别组成1A-1B，2A-2B，3A-3B，4A-4B，-5B，6A-6B，7A-7B，8A-8B共8条声路。其中1A-1B与8A-8B，2A-2B与7A-7B，3A-3B与6A-6B，4A-4B与-5B为交叉布置，共4对交叉声路。采用此种布置方式，实际上是传统的单层声路测量方式的改进[8]，即将4个单层声路以不同角度布置在管路中，通过取各声路所测数据平均值的方式，减小流态不稳定对测量带来的误差。为减小误差，在超声波传感器安装完毕后对各传感器之间的距离和角度重新进行测量，并记录测量数据。确认传感器的位置以保证试验时其位置不改变。检查整个试验台气密性，给试验台充水，并排出其中的残留空气。测量水温，输入数据采集计算机。在调试各传感器正常工作后，开始试验。试验台如图4所示。
（a）
正视图
（b）
俯视图
图4
试验台
依照比例系数从模型的zui大流量和zui小流量之间分别取8种大小不同的流量（其中包含设计流量）进行试验。每次调整流量后等待数分钟，待到试验台电磁流量计数值稳定后，每隔30s从电磁流量计中读取流量并做记录，与此同时超声波流速传感器会每隔1s自动采集所在声道的流速，每个流量下采集90s。
3 试验数据及分析
通过观察传感器自动采集的数据，可以看到每个声路在不同时间内测得的流速差距极大。取90s内的各声路流速的平均值，得到稳态时的平均速度。为了消除横流误差对测量的影响，对每对交叉声路测得的流速取平均值[7]。同时为了减小误差，对4对交叉声路所测的平均流速再取平均值。也就是说在计算时不同的声路取同一权重，为0.125，即取各声路的平均流速为断面平均流速。
然后将从电磁流量计中读出的流量取平均值，作为准确的流量值。每次试验中的流量与流速之间的比值，即为平均流速所在断面的面积，也即流量与流速之间的比例关系。各流量下的平均流速，平均流量以及计算所得的平均断面如表1所示。
将不同流量下的各试验所得平均断面取平均值，为0.137519m2，此值即为此种超声波传感器布置方式下的平均断面。也即流量与平均流速间的比例关系。
表1
各流量下的平均断面面积
根据试验装置的尺寸，平均断面面积与声路交点所在断面的面积分别为0.137519m2和0.13828m2，考虑试验可能带来的误差，以及为了试验测量方便，选取声路交点断面为计算断面。断面半径为0.2098m，面积为0.13828m2。即，该种安装方式下流量计算式为：
式中
A———计算断面面积，m2，取A=0.13828m2
v———流速，m2/s
以此断面分别与各平均流速相乘得到的流量以及与实测流量间的误差如表2所示。
表2 计算流量与实测流量对比
由表2可见，在常用各流量下，除在极小的流量下，试验误差全部在2%以内，且在额定流量附近误差较小，为1.17%，满足精度要求。
4 误差分析
在试验中，误差主要分为随机误差和系统误差。
试验中的随机误差主要由流道条件造成。由于该泵站进水流道极其复杂，且前后缺少足够长的直管段（装置前大于等于10D，装置后大于等于5D，其中D为直径），造成模拟流道内流态紊乱，测量数据有一定的波动，给试验带来误差。
系统误差是由某种固定的原因造成的，使测定结果系统偏高或偏低。当重复进行测量时，它会重复出现。系统误差的大小、正负是可以测定的，至少从理论上来说是可以测定的，所以又称可测误差。系统误差的zui重要的特性，是误差具有“单向性”。本试验系统误差主要有以下几种：
（1）声路长度造成的误差。从式中看到，流速与声路长度成正比，由于试验装置内的几何尺寸由钢尺测量，由此引起的误差可保持在0.2%以内。
（2）声路角造成的误差。流速与声路角的余弦成反比。在交叉声路安装方式中，该误差是可忽略的。
（3）横流误差。当流线方向与轴线不平行时，流速会产生分量，对超声波测速器带来测量误差。采用交叉声路布置，可以有效减小这种误差。
5 结论
（1）FLUENT数值模拟计算表明，不考虑灯泡体和转轮，只对灯泡体前面的进水流道进行模拟，与考虑有灯泡体和转轮时的结果基本相同。通过数模计算，确定了超声波传感器的安装位置；
（2）物理模型试验表明，在此种传感器安装方式下，各声路的权重均为0.125，测量时取各声路测得流速的平均值。以此权重计算得到在模型试验中各传感器所测得的平均流速与实际流量间的比例关系，为0.137519；物理模型流量计算断面的半径为0.209m的断面，即声路与流道交点所在断面。根据几何相似关系，在现场测试中取断面半径为2.09m的断面；
（3）除极小流量工况外，其余工况下实测流量误差均在2%以内，在额定工况附近误差为1.17%，满足实际需求，说明该测量方式可行；
（4）提出并验证了超声波流量计在不规则流道中新的应用方式，同时也为其它复杂流道中的应用提供了新的方法和借鉴。
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