大型泵站水泵流量測(cè)定方法比較與分析

(1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100； 2.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210009； 3.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223100)

泵站工程在灌溉、排澇、調(diào)水、城市供水與排污、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善人民生活和生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面起著關(guān)鍵作用。

1 工程概況

大套三站位于江蘇省濱?？h大套鄉(xiāng)境內(nèi)大套船閘的西側(cè)，設(shè)計(jì)流量50m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.70m，安裝葉片半調(diào)節(jié)式立式水泵機(jī)組5臺(tái)套。泵站采用肘形進(jìn)水流道，虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。葉輪直徑1.60m，配套電機(jī)功率710kW，轉(zhuǎn)速250r/min。大套三站供電電源由濱海縣220kV變電所35kV出線引接，架設(shè)一回長(zhǎng)約5km的35kV專用輸電線向泵站供電。在泵站上游布置清污機(jī)橋(結(jié)合公路橋)，河床段設(shè)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，兩側(cè)河坡段設(shè)固定攔污柵。

2 水泵流量測(cè)定

根據(jù)泵站現(xiàn)場(chǎng)條件，采用五孔探針?lè)ê虯DCP法兩種方法測(cè)定水泵流量，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互校核。

2.1 五孔探針?lè)?/h3>

五孔探針?lè)y(cè)定流量，是利用探針頭部感應(yīng)部位上5個(gè)小孔相關(guān)壓差與測(cè)點(diǎn)流速之間的關(guān)系確定被測(cè)點(diǎn)流速，再根據(jù)流速分布計(jì)算流量的方法。本次直接和水流接觸的測(cè)量設(shè)備選用東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)標(biāo)定的直頭五孔探針，測(cè)量斷面選取在進(jìn)水流道末端、水泵葉輪前部一段近乎等直圓管的金屬管段(底座和接管)上(見(jiàn)圖1)。

圖1 測(cè)量斷面的選取

在測(cè)量斷面上選取左右2條半徑測(cè)線，每條半徑上距圓心等距離處(即同一圓周上)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每條測(cè)線上設(shè)置5～8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 測(cè)量斷面測(cè)點(diǎn)分布

采用五孔球形探針測(cè)量點(diǎn)流速，球形探頭表面迎流方向均勻分布5個(gè)小孔，中間2號(hào)孔軸線垂直于針桿軸線，左邊為4號(hào)、5號(hào)孔，外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別為1號(hào)、3號(hào)孔，用透明硬質(zhì)塑料管連接針管和差壓變送器測(cè)量感應(yīng)孔壓差。測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 探針測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)試時(shí)，針桿沿垂直于管道軸線方向插入管道，將探頭移至待測(cè)點(diǎn)，2號(hào)孔處于球形探頭迎流面，使水流在壓差的作用下能進(jìn)入針孔，轉(zhuǎn)動(dòng)針桿，觀測(cè)差壓變送器Ⅳ調(diào)整4號(hào)、5號(hào)孔壓力平衡，此時(shí)2號(hào)孔在垂直于針桿軸線的平面內(nèi)正對(duì)來(lái)流，由差壓變送器Ⅱ、Ⅲ測(cè)出3號(hào)、1號(hào)孔壓差h3-h1，2號(hào)、4號(hào)孔壓差h2-h4，差壓變送器Ⅰ測(cè)出2號(hào)孔相對(duì)壓力，由探針尾部水平儀及量角器讀取2號(hào)孔軸線與管道軸線方向之間的角度α*。然后計(jì)算系數(shù)：

(1)

由Kδ查曲線得初始流速矢量v0在其與針桿組成的平面內(nèi)與在垂直于針桿平面內(nèi)的分量vyz之間的夾角δ(見(jiàn)圖4)及系數(shù)K2-K4，K3-K1，修正角αm，則測(cè)點(diǎn)總流速為

(2)

根據(jù)總流速矢量v0和針桿組成的平面與軸向流速vz和針桿組成的平面的夾角(即vyz與v夾角)計(jì)算出測(cè)點(diǎn)軸向流速vy、周向流速vu和徑向流速vr。

利用2號(hào)孔壓力還可計(jì)算測(cè)點(diǎn)的靜壓和全壓。測(cè)定流量時(shí)只需測(cè)出針孔壓差，計(jì)算測(cè)點(diǎn)軸向流速。將斷面數(shù)十個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸向流速擬合成曲線，積分求得流量。各工況五孔探針?lè)y(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表4。

圖4 測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)流速矢量與分量

測(cè)點(diǎn)號(hào)l/mmΔl/mmh3-h1/kPah2-h4/kPah4-h5/kPah2/kPaα/(°)15421024.719.9032.529224827026.221.7033.5299341313924.321.5033.8299434420821.321.2034.2300527527719.420.9034.4299620634618.521.5034.8301716538717.721.7034.8299

注探針號(hào)：12號(hào)；測(cè)線：西；時(shí)間：11∶35—13∶40。

測(cè)量工況：進(jìn)口水位0.78m；出口水位2.51m；水泵裝置揚(yáng)程1.73m；電機(jī)輸入功率369kW。

表中l(wèi)為探針桿管外伸長(zhǎng)度，根據(jù)探針桿總長(zhǎng)L=580mm、壁厚δ=28mm、測(cè)量斷面直徑R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α為探針表盤讀數(shù)。

表2 大套三站3號(hào)機(jī)組工況1水泵流量五孔探針?lè)▽?shí)測(cè)數(shù)據(jù)(東測(cè)線)

注探針號(hào)：14號(hào)；測(cè)線：東；時(shí)間：11∶35—13∶40。

測(cè)量工況：進(jìn)口水位0.78m；出口水位2.51m；水泵裝置揚(yáng)程1.73m；電機(jī)輸入功率369kW。

表中l(wèi)為探針桿管外伸長(zhǎng)度，根據(jù)探針桿總長(zhǎng)L=580mm、壁厚δ=28mm、測(cè)量斷面直徑R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α為探針表盤讀數(shù)。

表3 大套三站5號(hào)機(jī)組工況2水泵流量五孔探針?lè)▽?shí)測(cè)數(shù)據(jù)(西測(cè)線)

注探針號(hào)：12號(hào)；測(cè)線：西；時(shí)間：16∶37—17∶00。

測(cè)量工況：進(jìn)口水位0.76m；出口水位2.74m；水泵裝置揚(yáng)程1.98m；電機(jī)輸入功率409kW。

表中l(wèi)為探針桿管外伸長(zhǎng)度，根據(jù)探針桿總長(zhǎng)L=580mm、壁厚δ=28mm、測(cè)量斷面直徑R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α為探針表盤讀數(shù)。

2.2 ADCP法

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)，即聲學(xué)多普勒流速剖面儀，利用聲學(xué)多普勒頻移效應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行流速測(cè)量，泵站流量常采用ADCP進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量原理是流速—面積法，連續(xù)測(cè)量過(guò)水?dāng)嗝娑鄺l垂線上不同深度的流速，然后在整個(gè)斷面上采用流速與面積的矢量積分，從而計(jì)算出流量。ADCP測(cè)流成果為泵站引渠或送渠斷面流量，即泵站所有運(yùn)行機(jī)組流量之和。

表4 大套三站5號(hào)機(jī)組工況2水泵流量五孔探針?lè)▽?shí)測(cè)數(shù)據(jù)(東測(cè)線)

注探針號(hào)：14號(hào)；測(cè)線：東；時(shí)間：16∶37—17∶00。

測(cè)量工況：進(jìn)口水位0.76m；出口水位2.74m；水泵裝置揚(yáng)程1.98m；電機(jī)輸入功率409kW。

表中l(wèi)為探針桿管外伸長(zhǎng)度，根據(jù)探針桿總長(zhǎng)L=580mm、壁厚δ=28mm、測(cè)量斷面直徑R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α為探針表盤讀數(shù)。

測(cè)量斷面位于泵站上游200m河道；每次流量取往返兩次流量的平均值。采用ADCP法測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 大套三站ADCP法流量測(cè)定結(jié)果

續(xù)表

3 測(cè)定結(jié)果及分析

3.1 流量測(cè)定結(jié)果及分析

由表5可見(jiàn)，用ADCP法測(cè)定泵站上游河道過(guò)流斷面流量，往返兩次流量測(cè)定重復(fù)誤差為2%～13%，平均6.8%，往返兩次測(cè)定值有時(shí)相差較大。當(dāng)泵站有多臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，測(cè)定的是泵站總流量，單臺(tái)機(jī)組流量可以平均求得。雖然泵站安裝的是同型號(hào)機(jī)組，且水泵葉片在同一設(shè)計(jì)角度，但由于機(jī)組間的制造、安裝質(zhì)量差異，特別是泵站流動(dòng)條件的差異，機(jī)組之間的性能會(huì)有所差異，用泵站幾臺(tái)機(jī)組運(yùn)行總流量的平均值作為某1臺(tái)機(jī)組的流量，會(huì)有一定誤差。而五孔探針?lè)ㄖ苯訙y(cè)定單泵流量，測(cè)定精度較高。

將五孔探針?lè)?、ADCP法水泵流量測(cè)試計(jì)算結(jié)果與性能曲線相同裝置揚(yáng)程下的流量值進(jìn)行比較(見(jiàn)表6)，可看出，與性能曲線相比，3號(hào)機(jī)組用五孔探針?lè)ê虯DCP法實(shí)測(cè)的水泵流量分別相差0.32%、1.65%；5號(hào)機(jī)組實(shí)測(cè)流量分別相差2.12%、3.09%，機(jī)組抽水流量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其中，5號(hào)機(jī)組五孔探針?lè)▽?shí)測(cè)流量較理論值小2.12%，這可能是由于5號(hào)機(jī)組位于站房的西邊側(cè)，進(jìn)水流態(tài)稍差所致，實(shí)際進(jìn)水流量略小于中間泵機(jī)組的進(jìn)水流量。

表6 大套三站水泵流量測(cè)試結(jié)果比較

大套三站實(shí)測(cè)工況下水泵理論流量與實(shí)測(cè)流量比較如圖5所示，顯然，兩者相當(dāng)接近。

圖5 大套三站實(shí)測(cè)工況下水泵理論流量與實(shí)測(cè)流量比較

3.2 測(cè)定誤差分析

根據(jù)東方汽輪機(jī)廠標(biāo)定，探針流速測(cè)量誤差δb=±1%；差壓變送器測(cè)量針孔壓差的測(cè)量精度為δp=0.50%；探針輕微振動(dòng)引起測(cè)量誤差約δz=1%；測(cè)量斷面上任一半徑處圓周上軸向流速分布的最大不均勻誤差取δt=±0.5%；軸向流速擬合誤差δvr=±0.50%；測(cè)點(diǎn)位置誤差δd=±0.30%；過(guò)流面積由實(shí)測(cè)半徑求得，半徑測(cè)量采用鋼尺，誤差為δl=±0.20%；參照ISO5168及ISO748，隨機(jī)誤差δr=±0.74%。則流速測(cè)試的綜合誤差為

流量測(cè)定綜合誤差為

=±1.851%。

4 結(jié) 論

對(duì)于在大型泵裝置選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)流斷面(立式泵測(cè)量斷面選在位于水泵基坑以上、葉輪前的斷面)，利用五孔探針?lè)y(cè)定泵裝置過(guò)流斷面流速分布，通過(guò)積分求得流量，流量測(cè)定精度達(dá)到2%以內(nèi)；ADCP法用于測(cè)定泵站河道流量，根據(jù)對(duì)測(cè)量影響因素分析及往返兩次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，并與理論流量比較，該方法測(cè)定的流量誤差偏大，并且只能測(cè)定泵站總流量。

測(cè)試結(jié)果表明，該項(xiàng)目采用的五孔探針流量測(cè)試系統(tǒng)，密封可靠、固定牢固，測(cè)試方法合理，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性好，測(cè)試精度較高，能夠滿足大型水泵流量測(cè)定的需要。