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［摘要］南水北調中線總干渠的節制閘、分水口、退水閘均安裝了自動化流量測量裝置，為全線水量平衡計算、供水水量核算提供技術支撐。水量計量涉及中線建管局（總干渠）、地方調水辦（地方配套輸水管道）、自來水廠及地方水利部門等多家單位，因此，水量的精準計量顯得尤其重要。本文通過對南水北調中線典型分水口供水水量計量的工作實踐和工程實例研究，探討了大型供水工程水量計量存在的問題。對類似調水工程具有借鑒參考價值。

［關鍵詞］供水工程；流量計；水量計量；南水北調中線工程

1基本情況

1.1工程概況

南水北調中線工程是緩解京、津、豫、冀等地區水資源緊張，優化我國國土和水資源配置的戰略性跨流域大型調水工程，擔負著向北京、天津、鄭州、石家莊等數十座城市供水任務。南水北調中線干線全長1432km，沿線設97個分水口，64個節制閘。在節制閘、分水口、退水閘等處，安裝了175臺超聲波流量計和28臺電磁流量計。通過這些測流裝置和設備實現了對全線流量的動態變化、分水水量的實時自動監控，為全線輸水調度運行、水量平衡計算提供依據，對各供水用戶供水量核算及水費征繳提供技術支撐，是保證工程運行和管理的重要設施。

1.2供水管理模式

南水北調中線工程2014年12月12日正式自通水以來已累計向受水區供水112.87億m3，發揮了巨大的社會、生態和經濟效益，成為沿線城市的生命線。其供水管理模式和供水路徑為：總干渠各分水口供水至各調節池，調節池連接地方配套工程供水管道，管道末端連接各受水水廠，通過水廠的自來水管網配送至終端用戶。總干渠由南水北調中線干線工程建設管理局管理，自調節池及以后配套輸水管道歸地方各級調水辦管理，地方配套輸水管道末端至水廠由各自來水廠管理。

1.3問題提出

由于存在不同的管理單位而產生多個經營主體，因此各個供水環節的水量計量顯得尤其重要。目前存在總干渠分水口流量計、地方配套管道安裝的流量計以及水廠入口處流量計三者讀取的水量數據相差較大，因此，對流量計進行標定，建立實測流量與現場已安裝的流量計之間的數據關系，對現有的流量計測量工況進行完善，給出各方均認可的流量計量數據是極為重要的工作。

2超聲波傳播時間法測流裝置

2.1基本原理

超聲傳播時間法是通過測量超聲波在流體中順流傳播時間與逆流傳播時間之差來計算流速和流量的方法。適用測量單一介質的流體，測量精度較高，一般在0.5%～1.5%，尤其適合清潔水體的流量測量。

2.2流量的計算

在實際應用中，經常在流道不同的聲道高度zi（聲道高度的絕對值是聲道與流道軸線之間的最短距離，通常以流道中心以上為正值、以下為負值，正好過流道中心的為零）上平行布置若干聲道，如圖1所示。聲道軸向流速Vi代表其上下的一定面積內的平均流速，利用多個Vi更好地估計流道的面平均流速V，進而通過速度面積法得到流量。

2.3安裝和使用要求

1）一般情況下，超聲波流量計安裝的環境溫度應在-20～55℃的范圍內。當安裝環境溫度超出上述范圍時，應再對流量計采取隔熱、防凍措施。對于暴露在野外的流量計還應該采取遮雨、防曬措施。2）流量計的安裝應避開有強烈機械振動影響的位置。特別是要避開可能引起流量計信號處理單元、超聲換能器、流量測量管等部件發生共振的環境。3）流量計及其相關導線安裝時應盡量避開可能存在強烈電磁或電子干擾的環境，否則就要對流量計進行必要的保護，流量計信號電纜應避免與電源電纜平行敷設，并使用信號屏蔽電纜。4）流量計安裝時應盡量避免接近噪聲源，否則在安裝時應采取必要的措施消除環境聲學噪聲的干擾。5）安裝時要保證流體流動方向與流量計標志的流體正方向一致，保證流量計測量管軸線與管道軸線方向一致。6）流量計與管道連接的部分應無滲漏，連接處的密封墊不得突出到管道內。7）在流量計上、下游直管段范圍內，管道內壁應清潔，無明顯凸凹、銹蝕、結垢和起皮現象。流量計測量管、連接法蘭及上、下游直管段應具有相同的內徑，流量計與其試驗管段的連接部位應沒有泄漏。連接處應平滑,不得有影響流體狀態的臺階或凸起。測量管內徑與流量計上、下游直管段內徑的偏差應小于2%，且不大于3mm。8）被側水體為清水并必須充滿管道，安裝前應調查清楚管道的外徑、材質、壁厚、襯里材料及襯里厚度等管道的相關參數。9）換能器安裝的部位前、后直管段應至少滿足前10D后3D的要求，應避開管道頂部和底部，盡量安裝在管道的水平位置，并注意避開焊縫。10）根據流量計計算出的安裝距離安裝換能器，并綜合參考流量計的信號強度、測得聲速值、信號質量、安裝距離等參數，將換能器安裝位置調整到最佳位置。

3工程實例研究

根據規范規定，采用標準測流裝置在封閉管道流量的量值傳標準，可用于各種類型的流量計檢定、校準及流量測試方法的研究。此次率定選擇地方配套1號管理站觀測井安裝校準測流裝置，采用標準流量計（8聲道超聲波時差法流量計）為測流裝置，使流體在相同時間間隔內連續通過標準流量計和被檢流量計，比較兩者的輸出流量數據，從而率定被檢流量計的計量性能。選定的典型分水口為1孔閘門，箱涵（1.4m×1.4m）引水，設計分水流量2m3/s。目前，運行分水流量瞬時流量0.86m3/s，流速0.44m/s。暗涵內安裝瑞士Rittmeyer雙聲道超聲波流量計（以下簡稱：總干渠分水流量計），聲道角48°。暗涵后連接調蓄水池，調蓄水池連接地方配套輸水PCCP管道，管道直徑1.2m。調節水池下游30m處有地方配套管道檢查井1個，井內安裝開封儀表廠生產的E-mag電磁流量計（以下簡稱：地方配套1號流量計）。現場踏勘時發現，暗涵進水口為喇叭狀與總干渠成90°交叉，流量計安裝位置靠近進水口，由于上游閘門及進水口形狀影響等因素，勢必產生橫向流和旋渦流場，沒有足夠長度和順直的流道形成理想的流場。流量計安裝位置流態較復雜，聲道數較少，斷面測速層數少，箱涵非標準矩形，有4個45°倒角，流場與標準矩形存在差異化。測流裝置直接安裝在暗涵的混凝土表面，凸出效應明顯。經踏勘比選后，在位于總干渠分水口下游100m處的地方配套1號管理站觀測井內的地方配套管道上安裝校準測流裝置。

3.1標準測流裝置的安裝

測流裝置的安裝按照如下步驟實施：1）根據規范要求的8聲道測流裝置的相對聲道高度和聲道角精確地在管道外壁劃線，確定管道開孔位置。2）管壁焊接導向塊（不銹鋼）。為管道帶壓鉆孔和安裝測流裝置提供基本的工作平臺。3）表面清洗、噴涂滲透劑和顯影劑。檢查導向塊焊接是否牢固，是否有滲漏洇濕現象。確保流量計與管道連接部分沒有滲漏，連接處的密封墊等不凸出到管道內。4）由專業的技術工人操作實施管壁開孔作業，不中斷供水，帶壓管道開孔。5）安裝測流裝置，16套探頭、8聲道。6）采用先進的三坐標測量臂設備進行測流裝置安裝位置的幾何參數精測。7）流速代表性系數計算和建立數據模型。8）開展數據監測和數據分析。中國計量院在2m寬的水槽內采用雙面10聲道配置，通過幾何參數復核精測以及流速代表性優化后，數據不確定性在1%以內，實驗成果經過了國家驗收，可作為此次率定工作的參考物理模型。根據規范GB/Z35717—2017《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量—超聲波傳播時間法》，此次率定采用8聲道超聲波測流裝置。因各聲道的聲速值是靠現場幾何定位的數據除以超聲波時間差獲得的，采用三坐標測量臂可精準測量聲道長度的幾何參數，在影響計量精度的時間測量和流速代表性等因素分別溯源分析給出現場的不確定度在1%以內。因此，校準測流裝置的實測數據可作為率定的基礎數據。需要注意的是，流量計在不同管徑上檢定、校準，有不同的修正系數。即使同一臺主機使用相同類型的不同換能器，也會得到不同的修正系數。因此，使用單臺超聲流量計對不同管徑進行測量的用戶，應按照國家計量檢定規程的要求定期送檢。檢定時，應注意管徑、安裝方式及主機與換能器的組合應與實際使用情況保持一致。

3.2數據分析

校準測流裝置安裝調試完畢后,在不影響對用戶正常供水的情況下，上游總干渠分水口門閘門開度1m，保證敞泄狀態供水，通過下游水廠閥門調節流量，從小到大分為8個不同的流量級，以覆蓋供水期內的流量上下限。同時讀取總干渠分水流量計、地方配套1號流量計、自來水廠的流量計、校準標準流量計的讀數。以校準裝置監測數據為基準,總干渠分水口流量計、地方配套1號流量計、自來水廠的流量計與其對比。

4結語

1）測流裝置的安裝一般是在土建工程基本完工后才尋找合適的部位進行，這樣往往找到的斷面和位置不能完全滿足測流裝置的工作條件，而影響流量測量的工作精度。實際工作中，有的測流裝置部位還存在著淤積現象，對流量的測量造成極大負面影響。因此，宜在工程勘測設計階段統籌考慮水量計量及測流裝置問題，對水工建筑物進行必要的設計調整和優化。例如，優化總干渠分水口的進口水工結構，使進水口流態平穩；在測流裝置安裝范圍內保證前10D后3D的直管段并保證該范圍內流速為不沖不淤流速；采取適當的工程措施保證在供水流量變幅范圍內的流速均在測流裝置允許的流速范圍等，為測流裝置的提供完全滿足規范的工作條件。

2）此次測量裝置率定工作因為無法做到中斷供水，給率定工作帶來不小的困難。應提前創造停水時段，便于在引水箱涵中安裝標準測流裝置和檢查涵洞內的測流裝置。在工程規劃設計階段，宜選用雙涵洞方案并在涵洞的進出口布置檢修閘門，在檢修期間保證不間斷供水條件下，可以在不同的涵洞中進行靈活切換，既保證不間斷供水，又便于測流裝置的檢查檢驗。

3）采用內貼式在引水箱涵中安裝測流裝置，凸出效應明顯。凸出效應是影響測流裝置準確度的重要因素，因此在工程建設期，設計應充分考慮測流裝置的安裝要求，在引水箱涵側墻預留孔洞，以便于測流裝置的安裝和觀測線纜的敷設，保證測流裝置安裝后與暗涵混凝土面平齊，觀測線纜通過預埋的管道暗敷，以消除凸出效應。

4）水利工程中，在涵洞的4個頂角部位一般設計有45°的倒角。在規范GB/Z35717-2017附錄A中給出的矩形流道相對聲道高度和權重系數是標準的矩形斷面，這一點在計算應引起注意。

5）超聲波探頭安裝的幾何參數的精確測量。例如，1m的間距，如果探頭的安裝位置或者測量的安裝間距誤差1cm，帶來的流速值誤差可能就是1%。因此，超聲波探頭應嚴格按照設計位置安裝，并對其幾何參數經行精確測量。

6）由于管道一般為地埋式，往往需要利用其他閘閥井進行管道測流裝置安裝，即使管道順直滿足前10D后3D的直管段的安裝條件要求，但由于閘閥井內既有的各類閘閥的影響造成流態惡化，無法滿足測流裝置的工作條件，規范要求閘閥應安裝在測流裝置下游并距離至少3D。最好是設計布置專門的測流裝置安裝檢查井，并確保有足夠的操作空間和維護通道，以便于運行期測流裝置的維護和定期的校訂。

7）在建設期安裝測流裝置時，應招標選擇計量檢測機構對全線的測流裝置進行率定，以保證流量測量數據的精度。各運行管理單位（總干渠管理單位、地方配套等單位）宜參與測流裝置率定工作以便達成共識。

8）在流量計安裝使用后，應定期對其進行檢驗，一般投入使用后一個月內進行第一次檢驗，以后檢驗周期至少1次/年。9）利用仿真技術分析流場中各聲道測得流速代表的流場區域，優化各聲道的權重系數。

［參考文獻］

［1］GB/Z35717—2017，水輪機、蓄能泵和水泵水輪機流量的測量—超聲波傳播時間法［S］.

［2］JJG1030—2007，超聲波流量計［S］.［3］JJG1033—2007，電磁流量計［S］.

作者：劉洪超，杜新果，祝玉媛 單位：南水北調中線干線建設管理局河南分局