雙向水槽的設(shè)計(jì)與研制

許 明，范北林，魏國遠(yuǎn)，胡向陽，張文二

(長江科學(xué)院河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

試驗(yàn)水槽是水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)開展研究的重要試驗(yàn)方法及設(shè)施之一，試驗(yàn)水槽的應(yīng)用發(fā)展已有近百年的歷史。水槽試驗(yàn)研究的成果質(zhì)量與試驗(yàn)水槽的控制精度和測量精度密切相關(guān)，因此試驗(yàn)水槽的控制方式和控制精度以及測量的儀器設(shè)備也都在不斷的改進(jìn)和提高中。

在國家加大科研投入政策的支持下，長江科學(xué)院的科研試驗(yàn)基地正在進(jìn)行一系列的整改和修繕工作，有一條原建于上世紀(jì)70年代末的固定水槽需要拆遷重建。原水槽的基本參數(shù):長×寬×高為30 m×0.6 m×0.8 m;最大流量為360 L/s。根據(jù)研究需要，確定新試驗(yàn)水槽的基本參數(shù):長×寬×高為35 m×0.8 m×1 m;最大流量為600 L/s;新水槽的建設(shè)規(guī)模略大于原水槽。

如果按常規(guī)方案建設(shè)水槽，需要3臺流量為200 L/s，揚(yáng)程為12 m，功率為37 kW的離心泵;除固定水槽本身的建設(shè)外，還需修建水泵泵房、水泵工作水池、回水渠等配套設(shè)施。而且常用的試驗(yàn)水槽在進(jìn)行水槽試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員在水槽的流量和水位控制方面感到不便、調(diào)整時(shí)間較長，水槽試驗(yàn)的精度也難以進(jìn)一步提高。為此，新水槽沒有采用常規(guī)水槽的設(shè)計(jì)建設(shè)方案，而是采用新的控制流程取代目前常規(guī)水槽的控制工藝流程，用整體控制的方法實(shí)現(xiàn)了建設(shè)目標(biāo)。

2 水槽設(shè)計(jì)

2.1 水槽的設(shè)計(jì)目標(biāo)

水槽的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在有限的建設(shè)資金范圍內(nèi)，盡量運(yùn)用當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)、方法、設(shè)備和材料，實(shí)現(xiàn)水槽的建設(shè)目標(biāo)。建一條功能完善、操作方便、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，且具備多種功能試驗(yàn)水槽。

2.2 水槽工藝流程設(shè)計(jì)

水槽試驗(yàn)的目的，主要是通過控制水槽中的水體在一定的速度下運(yùn)動(dòng)，從而對試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行觀測研究。因此常規(guī)水槽主要包括水槽主體、供水部分、流量及水位控制等部分，其控制工藝流程是:①啟動(dòng)真空泵對離心水泵進(jìn)行抽真空(以常用的地面泵房為例)，然后啟動(dòng)離心泵供水(這屬于供水部分)。②根據(jù)試驗(yàn)的目標(biāo)流量要求，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門使電磁流量計(jì)的輸出流量與試驗(yàn)的目標(biāo)流量一致;流量調(diào)節(jié)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以由電磁流量計(jì)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及電子調(diào)節(jié)儀等自動(dòng)控制調(diào)節(jié)(這屬于流量控制部分)。③水槽水位的控制是由對水槽尾門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)來完成，水槽的水位同樣可以采用手動(dòng)或自動(dòng)的控制方式完成，由水槽尾門流出的水流經(jīng)過回水渠返回水泵工作水池(這屬于水位控制部分)。明顯可見在水槽的控制過程中，供水部分、流量控制部分及水位控制部分都是各自獨(dú)立，自成系統(tǒng)。

研究河流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)常需要利用水槽開展天然沙或模型沙的各類試驗(yàn)。以模型沙的啟動(dòng)流速研究為例，水槽試驗(yàn)研究的工藝流程及控制過程為:先在水槽試驗(yàn)段按研究內(nèi)容和要求鋪好試驗(yàn)沙;然后緩慢加水到試驗(yàn)所需的水位，為的是保持所鋪的試驗(yàn)沙處于初始狀態(tài);然后才調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過電磁流量計(jì)控制水流緩慢加入，直至所需的流量;與此同時(shí)，還要不斷地調(diào)整尾門開度，保持水位的穩(wěn)定;待流量和水位穩(wěn)定后，才開始試驗(yàn)研究的觀測工作。由于流量的變化會(huì)引起水位的變化，整個(gè)調(diào)整控制過程比較繁瑣，時(shí)間長，效率低。

為了提高控制效率和控制精度，根據(jù)泥沙研究水槽試驗(yàn)的特點(diǎn)，我們設(shè)想改變水槽的控制工藝流程:用一種封閉的循環(huán)供水系統(tǒng)代替目前常用的供水系統(tǒng)，這樣可以先控制試驗(yàn)水位，由于是相對靜止?fàn)顟B(tài)，水位可以精確控制;當(dāng)水槽的試驗(yàn)水位確定后，水槽的總水量不再變化，這時(shí)讓安裝在循環(huán)管路中的水泵驅(qū)動(dòng)水體朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)水槽中的水體也將隨之運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樗玫霓D(zhuǎn)速與輸出流量線性相關(guān)，用變頻器控制該水泵的轉(zhuǎn)速大小，就可以方便地控制水泵的輸出流量;而且當(dāng)水槽的水深為已知時(shí)，水槽的平均流速將與水泵的轉(zhuǎn)速線性相關(guān);所以水槽的平均流速可以方便地連續(xù)調(diào)節(jié)，為水槽試驗(yàn)提供了方便。又因?yàn)樽冾l器調(diào)速簡單、穩(wěn)定、可靠，配合電磁流量計(jì)作適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)，水槽流量控制的精度和穩(wěn)定度將提高很多。由此可見，改變水槽的控制流程后，流量變化，雖會(huì)在水槽的兩端形成水位坡降，但不會(huì)引起水位的大幅變化，工作段水位的微小變化可用增減水槽水量的辦法調(diào)整，水槽控制變得簡單方便，控制效率和控制精度也大為提高。

由于現(xiàn)在科技發(fā)展水平已經(jīng)為我們提供了可以精確控制水泵轉(zhuǎn)速的變頻器，雙向水泵和電磁流量計(jì)等設(shè)備，這樣就可以很容易的構(gòu)建雙向可控的試驗(yàn)水槽。再配以實(shí)現(xiàn)各種功能的控制軟件，該水槽就具備可以開展恒定流、非恒定流、單向流、雙向流、清水和渾水試驗(yàn)的多種功能。

2.3 水槽功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由水槽的基本設(shè)計(jì)參數(shù)可知，其最大流量為600 L/s，當(dāng)水流從連接管道進(jìn)入水槽時(shí)，將產(chǎn)生較大的波動(dòng)，為減小水槽入口水流波動(dòng)，應(yīng)考慮消能降波措施。設(shè)想水槽入口前段相連有同高程、容積為無窮大的水池，水流產(chǎn)生的影響將會(huì)忽略不計(jì)。在這種前池越大越好的設(shè)計(jì)理念下，還需綜合考慮建設(shè)費(fèi)用及場地條件。同樣，水槽尾部的水流在向下被吸入時(shí)，容易產(chǎn)生漏斗流卷入空氣，也希望出口水池越大越好。所以水槽按雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)數(shù)個(gè)布置方案的比較，水槽出入口設(shè)計(jì)成半徑等于水槽寬度的圓形。如圖1所示。

圖1 水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Vertical view and plane view of the flume structure

參考《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015－2003給水管道沿程水頭損失計(jì)算公式［1］，按管道長度35 m，最大流量為600 L/s的計(jì)算條件，比較了主管徑為500mm和400mm及管材為鑄鋼和塑料幾種情況下的水頭損失。當(dāng)主管道直徑為500mm時(shí)，管道內(nèi)平均流速為3.06m/s，采用鑄鋼管道揚(yáng)程損耗為0.85 m，采用塑料管道揚(yáng)程損耗0.46 m;當(dāng)主管道直徑采用400mm時(shí)，管道內(nèi)平均流速為4.78m/s，采用鑄鋼管道揚(yáng)程損耗為2.52 m，采用塑料管道揚(yáng)程損耗為1.35 m。綜合考慮其他因素，確定主管道直徑為500mm的塑料管。水泵選用出口直徑為500mm的臥式雙向軸流泵，該泵流量為600 L/s時(shí)，揚(yáng)程為3 m，電機(jī)功率為45 kW。由于采用最小循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，水槽結(jié)構(gòu)合理，把無謂損耗降到了最小，所以只需45 kW的功率就能完成常規(guī)水槽需要100多kW功率才能完成的工作。體現(xiàn)了節(jié)能設(shè)計(jì)效果。

2.4 水槽控制方案設(shè)計(jì)

水槽的控制方案必須滿足水槽試驗(yàn)的需要，水槽試驗(yàn)時(shí)，所需流量要在很大范圍內(nèi)可控。當(dāng)我們采用口徑為500mm的電磁流量計(jì)，同時(shí)使用變頻器對水泵的流量進(jìn)行控制，還必須考慮到小流量、低轉(zhuǎn)速時(shí)的控制方法。因流量計(jì)存在測量下限［2］，在管道內(nèi)流速低于0.3m/s時(shí)，誤差加大。所以需要增加一條小口徑的旁路通道，在小流量時(shí)換用小口徑的流量計(jì)控制。根據(jù)常用試驗(yàn)流量，旁路通道口徑選為200mm。

根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為:

式中:Q1，H1，P1為水泵在額定轉(zhuǎn)速n1時(shí)的額定流量、額定揚(yáng)程、額定功率值;Q2，H2，P2為水泵在轉(zhuǎn)速n2時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率值。

由此可知水泵的轉(zhuǎn)速與水泵輸出的流量線性相關(guān)，用變頻器將水泵的轉(zhuǎn)速減小50%，流量便減小為額定流量的50%，而所需的功率只有額定功率值的1/8。所以采用變頻器流量控制后，控制性能和節(jié)能效率進(jìn)一步提高。

流量控制功能設(shè)計(jì)考慮了能夠進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)流量控制，自動(dòng)控制采用閉環(huán)進(jìn)程控制方式［3］。該方式?jīng)]有采用傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門構(gòu)成閉環(huán)控制回路的控制方式，而是采用電磁流量計(jì)與變頻器構(gòu)成閉環(huán)控制回路穩(wěn)定流量。即采用計(jì)算機(jī)變頻控制技術(shù)，通過精密的流量測量和精確的水泵轉(zhuǎn)速控制及優(yōu)化的閉環(huán)PID控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制;流量的進(jìn)程由計(jì)算機(jī)根據(jù)放水要素表自動(dòng)調(diào)節(jié)。該方式的控制精度和控制響應(yīng)速度都有明顯提高。手動(dòng)控制采用開環(huán)控制方式，利用智能電子調(diào)節(jié)儀的手動(dòng)控制功能可直接控制變頻器的輸出頻率。因?yàn)樗玫妮敵隽髁颗c變頻器的輸出頻率線性相關(guān);而且選用變頻器中控制性能最好的磁束向量控制型變頻器，其速度控制精度可達(dá)0.5%，頻率輸出精度可達(dá)0.005%;所以利用變頻器良好的調(diào)速性能，就可以方便地連續(xù)調(diào)節(jié)所需流量，并且保證其控制精度。

水位控制方案采用增加或減少系統(tǒng)水量的方式。因?yàn)楣┧到y(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)供水系統(tǒng)，增加或減少系統(tǒng)水量直接影響水槽的水位，水槽水位的調(diào)節(jié)可以在水泵啟動(dòng)前，也可以在水泵啟動(dòng)后，或試驗(yàn)過程中?？紤]到水位控制只是對水位進(jìn)行微調(diào)，所以選用管徑為50mm、流量為4 L/s的潛水泵向水槽內(nèi)供水來增加水位，降低水位則是控制排空閥的開關(guān)時(shí)間，排空管徑為100mm。控制方法設(shè)有靜態(tài)控制或動(dòng)態(tài)控制，有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。比如靜態(tài)控制是指水泵沒有啟動(dòng)前，水槽水位處于靜態(tài)情況下，可以人工控制水位到指定的值，也可以計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制水位到指定的值。動(dòng)態(tài)控制水位是指在水泵啟動(dòng)后，或試驗(yàn)過程中對水位進(jìn)行控制。

水槽控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的全自動(dòng)控制，包括閥門開啟與關(guān)閉、泵的啟動(dòng)與關(guān)閉、自動(dòng)按進(jìn)程控制流量的大小、進(jìn)水水位的自動(dòng)控制等。

3 水槽制作

設(shè)計(jì)確定，水槽的槽身采用鋼結(jié)構(gòu)與鋼化玻璃制作，試驗(yàn)段邊壁和底面均為玻璃。為了盡可能減小玻璃接縫對水流的影響，采用了大幅面鋼化玻璃，單塊長度為3.6 m。同時(shí)采用優(yōu)質(zhì)耐候膠和防水密封膠作為玻璃的膠結(jié)和密封材料，保證了水槽整體的粘接性能和密封性能，并且對水槽的制作及安裝精度提出了較高的要求。要求試驗(yàn)水槽的砼段和玻璃段制作及安裝的垂直度、平行度和平整度精度誤差小于±0.5mm。

水槽基礎(chǔ)和兩側(cè)進(jìn)出水口水池采用鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)，水槽基礎(chǔ)按零沉降要求設(shè)計(jì)與施工，確保水槽在額定荷載下不發(fā)生沉降和裂痕。水槽基礎(chǔ)采用3層構(gòu)架，底層為400mm厚的漿砌塊石，漿砌塊石的砂漿強(qiáng)度為M7.5;中間層采用素混凝土墊層，墊層厚度為100mm;上層采用400mm厚的C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為35 m×1.4 m(長×寬)。

根據(jù)水槽水位觀測要求，在水槽工作面沿程布置水位測量孔，由于每塊玻璃的長度為3.6 m，所以水位測量孔的間隔定為3.6 m，即每3.6 m設(shè)孔徑為8mm的水位測量孔3個(gè)，分別距底板高10cm，20cm及30cm處。經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算，水槽邊欄采用8#的標(biāo)準(zhǔn)槽鋼，槽鋼間距為721.6mm(將玻璃長度加水位測量孔安裝寬度等分5份)，根據(jù)水槽寬度在工廠制成標(biāo)準(zhǔn)的H型鋼結(jié)構(gòu)，為了防止焊接變形，鋼結(jié)構(gòu)采用螺栓鉚接形式，在水槽現(xiàn)場安裝校準(zhǔn)后，二期混凝土澆筑固定(見圖2、圖3)。

圖2 雙向水槽Fig.2 Photograph of the bidirectional flume

圖3 水槽主要設(shè)備安裝情況Fig.3 Installed main equipments of the flume

4 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)月的精心施工，國內(nèi)首座可以雙向運(yùn)行的水槽建成，并對水槽進(jìn)行了全面的系統(tǒng)測試檢驗(yàn)。測試結(jié)果表明，水槽建設(shè)基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)的各種控制功能均已實(shí)現(xiàn)，流量、水位的自動(dòng)和手動(dòng)控制功能完善，流量、水位的控制精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，控制系統(tǒng)運(yùn)行正常。實(shí)現(xiàn)了水槽試驗(yàn)過程的全自動(dòng)控制，包括閥門開啟與關(guān)閉、泵的啟動(dòng)與關(guān)閉、自動(dòng)按放水要素表的進(jìn)程控制流量的大小等。但也存在實(shí)際放水流量沒有達(dá)到設(shè)計(jì)流量的問題，在額定功率45 kW時(shí)，最大流量僅達(dá)500 L/s，而且最大正向流量小于最大反向流量(正向指軸流泵常規(guī)流出方向，圖1(b)中為從軸流泵到調(diào)節(jié)閥的方向)，兩者之間相差約15 L/s左右。分析原因，流量不足的問題可能有局部水頭損耗過大，下一步考慮采取減小進(jìn)出口擋板的面積的措施，減小局部水頭損耗增加流量。正反向流量不一致的問題可能是水泵生產(chǎn)時(shí)水泵槳葉正反向角度誤差造成。

測試檢驗(yàn)同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)一些應(yīng)當(dāng)注意和可以改進(jìn)的地方，比如應(yīng)當(dāng)注意的地方有:①在使用過程中，由于系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)變頻控制技術(shù)，變頻器可以很快地控制水泵流量變化，當(dāng)流量突然增大會(huì)在水槽中形成反射波，在水槽中來回傳播，很長時(shí)間才能消除，所以應(yīng)當(dāng)注意流量的增加速度，以不出現(xiàn)反射波為宜;②水槽的用水量很小，很少的灰塵會(huì)對水體造成污染，使水變混，所以要注意保持清潔。可以改進(jìn)的地方有:水槽目前進(jìn)水靠調(diào)節(jié)水位的潛水泵，由于流量太小，進(jìn)水時(shí)間很長，需要增加水槽的進(jìn)水和排水能力。

由于篇幅所限，本文不能詳細(xì)描述。就總體而言，水槽的各項(xiàng)指標(biāo)還算令人滿意，體現(xiàn)了新工藝所帶來的控制簡捷和高效率，該水槽以獨(dú)創(chuàng)的工藝流程已經(jīng)獲得國家2項(xiàng)發(fā)明專利。

［1］GB50015－2003:3.6.10，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(GB50015－2003:3.6.10，Code of Water Supply and Drainage Design for Buildings［S］.(in Chinese))

［2］向婉成.控制儀表與裝置［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.(XIANG Wan-cheng.Control Instruments and Devices［M］. Beijing:Engineering Industry Press，1999.(in Chinese))

［3］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.(HU Shou-song.Principle of Automatic Control［M］.Beijing:Science Press，2007.(in Chinese))