七橋甕引補水泵站水泵運行性能現(xiàn)場測試

周春峰， 張敬波， 湯 雷， 成 立*， 蔣紅櫻

(1.江蘇省南京市水務(wù)設(shè)施管理中心， 江蘇 南京 210015； 2.揚州大學 水利科學與工程學院， 江蘇 揚州 225000；3.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司， 江蘇 南京 210029)

城市引補水泵站的建設(shè)是保證居民用水需求的一項重要措施，其性能優(yōu)劣直接影響城市供水需求。掌握城市供水泵站的實際性能，能夠了解泵站流量、揚程和效率等參數(shù)是否達到設(shè)計要求，測試結(jié)果為水泵機組和泵站的設(shè)計和運行提供依據(jù)，有利于提高主機組泵系統(tǒng)的設(shè)計水平，節(jié)省工程建設(shè)和運行費用[1-5]。

無論是對新的水泵做原型驗收鑒定，還是對水泵進行運行監(jiān)測、優(yōu)化調(diào)節(jié)以及泵站更新改造等，都必須掌握準確的性能參數(shù)。目前，國內(nèi)學者對泵站現(xiàn)場測試進行了廣泛研究。孫振華[6]和戴元將等[7]闡述了超聲波流量計的測試原理并對泵站進行現(xiàn)場流量測試；陳開金等[8]和許實付[9]等采用無線電阻應(yīng)變儀對泵站的軸功率進行現(xiàn)場測試；吳俊川[10]介紹了流量測量的通用方法，結(jié)合虹吸式泵站現(xiàn)場測試，闡述了比較精確、可靠、方便的流量測試方法；嚴登豐[11]主要從流量、揚程和功率3個方面對泵站進行現(xiàn)場測試；劉曼等[12]利用流速儀法對良田泵站進行現(xiàn)場測試，并配合其他設(shè)備進行機組裝置效率測試；成立等[13]采用五孔球形探針現(xiàn)場測流技術(shù)對某雙向灌排泵站機組進行了流量測試并提出相應(yīng)改造思路。城市供水泵站由水泵抽水直接與供水管道聯(lián)接，對此型式布置的流量和揚程等參數(shù)現(xiàn)場測試研究較少[15-17]。因此，本文以工程實際為背景，對七橋甕引補水泵站流量和揚程等參數(shù)進行實測研究，研究成果為泵站日常運行管理提供可靠的基礎(chǔ)依據(jù)和科學依據(jù)。

1 工程概況

七橋甕引補水泵站位于南京市境內(nèi)，該泵站采用3臺機組并聯(lián)模式運行，設(shè)計流量3 m3/s，向城區(qū)2個方向供水。其中，一側(cè)供水方向配套2臺700QH-40型混流泵, 設(shè)計流量2 m3/s，設(shè)計揚程13 m，電機功率185 kW，2臺水泵出水接DN1400干管，管道主要為玻璃鋼夾砂管；另一側(cè)供水方向配套建設(shè)1臺700HQ-40型混流泵，設(shè)計流量1 m3/s，設(shè)計揚程18 m，電機功率250 kW，現(xiàn)狀補水管道為DN1000～DN500管道，全長約6 000 m，管道主材料為球墨鑄鐵管；每臺機組經(jīng)水泵抽水均與城市供水管道直接聯(lián)接。

2 測試方法

2.1 流量測試方法

此次測試采用超聲波流量計對水泵機組進行流量測試。根據(jù)泵站現(xiàn)場條件限制，采用超聲波法對該供水泵站3臺機組中的1臺700HQ-40型混流泵機組進行單機組流量測試，測試流程按照規(guī)范[14]要求進行。

本次流量測試采用KRCFLO手持式單通道超聲波液體流(熱)量計對混流泵機組流量進行測量。其基本原理是利用超聲波在液體中的傳播特性。超聲波在流動水體中傳播速度與在靜止水體中傳播速度是不同的，其變化與水流速度有關(guān)。在順流和逆流介質(zhì)中，其超聲波的速度不同而形成時間差。

在現(xiàn)場測試時，若安裝的超聲波發(fā)射器和接收器相對距離為L時，則對于順流和逆流的傳播時間有：

(1)

(2)

式中：c為超聲波在靜止水體內(nèi)的傳播速度，m/s；v為被測流體的速度，m/s；t1、t分布為順流和逆流傳播所需要的時間，s；L為換能器之間的相對距離，m。

則時間差為

(3)

由式(3)可知，當聲速c一定時，只要測出時差Δt就可以求得流體流速v,再通過式(4)計算管道內(nèi)的流量，這就是時差法超聲波流量計的測量原理。

Q=Av

(4)

式中：Q為流量，m3/s；A為管道內(nèi)的內(nèi)截面積，m2。

根據(jù)七橋甕泵站現(xiàn)場測試條件，采用“Z”法安裝夾裝式流量傳感器，如圖1所示，此安裝方法特點是超聲波在管道中直接傳輸，無反射(稱為單聲程)，信號衰減損耗小，測試精度高，可測管徑范圍為100～6 000 mm。

圖1 超聲波流量計“Z”法安裝示意圖

為保證測試精度，需要人工打磨去除出水管道外壁表面雜物，使管道表面光亮整潔。實際超聲波流量計換能器的安裝位置應(yīng)避免焊縫、接頭和易受管道內(nèi)滯留氣體影響的部位，保證管道內(nèi)部是滿管流狀態(tài)，并在安裝前在傳感器的接觸面涂抹一定量的黃油。

圖2 揚程測試斷面示意圖(單位：m)

2.2 揚程測試方法

在出水管道側(cè)邊中心線位置安裝Y系列壓力表，儀表采用彈簧管作為靈敏元件，通過加壓引起彈簧管變形，由機芯將變形進行轉(zhuǎn)換、放大，由指針在表盤指示出來，其規(guī)格為0.25 MPa，滿足量程要求，后將壓力表讀數(shù)與揚程進行換算。

如圖3所示，水泵揚程H等于泵裝置進出口兩測壓斷面的總能頭差，其值等于兩斷面的靜壓差與動壓差的代數(shù)和：

(5)

式中：p2為A-A斷面的總壓，MPa；p1為B-B斷面的總壓，MPa；Z2為A-A斷面的高程，m；Z1為B-B斷面的高程，m；u2為A-A斷面的流速，m/s；u1為B-B斷面的流速，m/s；ρ為液體密度，取1 000 kg/m3；g為當?shù)丶铀俣?，?.81 m/s2。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場測試通過調(diào)節(jié)出水管道上的閥門來控制出水管道中的流量，且根據(jù)進水池水位及壓力表讀數(shù)來推算水泵揚程，選取9個閥門開度對管道流量、進水池水位和功率等進行分析，如表1所示。當閥門開度逐漸變小時，進水池水位基本不變，而水泵的流量逐漸減小，揚程逐漸增大，且水泵效率大致呈開口向下的拋物線分布，存在最高效率點，符合混流泵性能曲線分布規(guī)律。圖3為水泵現(xiàn)場測試性能曲線圖。

表1 現(xiàn)場測試結(jié)果

圖3 水泵性能曲線圖

3.2 與水泵樣本曲線對比

該機組水泵型號為700HQ-40型混流泵，查得水泵樣本曲線，并與現(xiàn)場測試結(jié)果對比分析，水泵性能曲線對比如圖4所示，水泵機組實測的流量-揚程曲線與水泵樣本曲線偏差較大，水泵樣本曲線整體在實測流量-揚程曲線的右側(cè)，且在小流量時偏差較小，隨著流量增加，兩者之間偏差逐漸變大。這表明建成后的水泵機組運行性能不能以水泵選型時樣本曲線為依據(jù)，而應(yīng)根據(jù)實際測試運行性能為準。因此，對建成后的水泵機組進行現(xiàn)場測試顯得十分必要。

圖4 水泵性能曲線對比圖

4 流量測量不確定度分析

4.1 隨機不確定度計算

隨機不確定度服從統(tǒng)計規(guī)律并具有抵償性。通常用概率統(tǒng)計方法處理，根據(jù)實際流量測量進行不確定度估計，其計算公式如下：

(6)

(7)

在現(xiàn)場流量測試中，當進水池水位不變時，選取工況1(閥門開度100%)時的運行工況，重復(fù)采集10組流量測試數(shù)據(jù)進行隨機不確定度分析，10組數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)表2的流量實測數(shù)據(jù)，計算結(jié)果為

表2 流量測量數(shù)據(jù)

(EQ)r=±0.0125%

4.2 流量綜合不確定度

流量綜合不確定度為各單項系統(tǒng)不確定度的方和根，其中，KRCFLO手持式單通道超聲波液體流(熱)量計的流量測試系統(tǒng)的不確定度(EQ)s為0.5%，隨機不確定度(EQ)r=±0.0125%。

5 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場測試水泵機組的流量-揚程曲線與水泵選型的樣本性能曲線不一致，存在較大誤差，因此，建成后的水泵機組實際性能曲線并不能以水泵選型時為依據(jù)，而應(yīng)根據(jù)實際運行工況為準；

(2)設(shè)計揚程為18 m時，現(xiàn)場測定流量達到0.64 m3/s，是規(guī)劃設(shè)計要求流量的64%，未能達到設(shè)計要求，需要增加開機時間，合理優(yōu)化調(diào)度；或進行泵站更新改造，重新選型設(shè)計；

(3)本次泵站現(xiàn)場測試測試真實可靠，其結(jié)果可為機組優(yōu)化運行和技術(shù)改造提供理論依據(jù)。