劉 輝，劉海關，胡文竹，楊 帆，姜鳴歧

(1.南水北調東線山東干線有限責任公司，濟南 250100；2. 揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

超聲波流量計被廣泛應用于南水北調東線的泵站工程中，以便于泵站管理單位實現(xiàn)對低揚程大流量水泵過機流量的精確測量，通過與計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接,實現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的自動在線記錄與監(jiān)視，對南水北調東線工程的控制、調度與計量發(fā)揮了關鍵作用[1-5]。由于聲波的長行程衰減往往會影響測量精度，調水過程中泥沙及滋生物含量不同，儲能探頭長期浸泡在水中，表面形成水垢及滋生物附著，超聲波的信號強度也會受到影響；不同季節(jié)水溫度和雜質含量也會呈現(xiàn)差別，超聲波的實際傳導速度與驅動及計算傳導速度在介質變化條件下也會有一定區(qū)別而影響其測量結果的穩(wěn)定性；聲衰減或聲吸收的發(fā)生會對測量精度產生重大影響[2]；超聲波流量計運行過程中出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場運行人員不能及時處理一般需廠家派出技術人員進行處理，出現(xiàn)故障時影響水量計量及調度控制，維護復雜。針對長期運行泵站采用超聲波測流存在的工程技術問題，本文提出了壓差測流法和超聲波流量計相結合的泵站實時測流方法，壓差測流法可彌補長久運行后因超聲波流量計的聲衰減、聲吸收及水質變化而降低測流準確度的問題，并通過壓差測流法對長久運行的超聲波流量計的測流準確度進行校驗，提高現(xiàn)實泵站水量計量的連續(xù)穩(wěn)定性。差壓測流法是大型水輪機過機流量在線測量方式中目前較為成熟、在水電站得到普遍運用的一種，具有維護簡單方便、投資費用節(jié)省等優(yōu)點[6,7]。

1 工程概況

鄧樓泵站位于山東省梁山縣境內，是南水北調東線一期工程第十二級調水泵站，山東省境內的第六級調水泵站。該泵站安裝了4臺日立泵制造(無錫)有限公司生產的3150ZLQ33.5-3.57型立式機械全調節(jié)軸流泵，配套4臺上海電氣制造的TL2240-48型同步電動機，額定轉速125 r/min。泵站總裝機容量8 960 kW，泵站設計流量為100 m3/s，設計揚程為3.57 m，最大揚程為3.57 m，最小揚程為1.57 m。泵站主體過流結構包括肘形進水流道，虹吸式出水流道。鄧樓泵站的剖面圖如圖1所示。

鄧樓泵站近3年平均年運行7 089.2 臺時，年均調水量82 812.59 萬m3，為確保鄧樓泵站長期運行時流量實時測量的準確性，在該泵站中率先采用了壓差測流法和超聲波流量計相結合的方法，以彌補超聲波流量計長久運行后易出現(xiàn)的弊端。為配合流量的精準測量，對在鄧樓泵站肘形進水流道內部安裝的昌民公司生產的UR-1000-4000P10型10聲道超聲波流量計進行了維護和校準。

2 差壓法及斷面選取

水從肘形進水流道入口面至出口面，流道斷面沿著水流方向不斷發(fā)生變化，動能及壓能均不斷變化，從而在肘形進水流道的進出口面之間形成壓差。這些壓力差與通過截面的流量存在一定的冪指數(shù)關系，只要測出壓力差就可推求流量，壓力差與流量的關系如下式：

Q=kΔhn

(1)

式中：Q為流量，m3/s；k為系數(shù)；Δh為壓力差，Pa；n為指數(shù)。

針對鄧樓泵站的進水結構特點，肘形進水流道出口測壓斷面距葉輪中心線距離為1.81 m，該位置水流穩(wěn)定，且中心線垂直于流道壁面，在該斷面處安裝ABB壓差變送器，壓差變送器的測量不確定度為0.075%，滿足《泵站現(xiàn)場測試與安全檢測規(guī)程》(SL548-2012)的技術要求，測試設備安裝如圖2所示；進口側的測點選擇進水前池內，通過引接水管測量進水前池至測點部位的靜壓力。

圖2 ABB壓差變送器Fig.2 Differential pressure transmitter model

在測試設備安裝完成后，水泵機組開機前應檢查測壓管路是否存在空氣及泥沙雜質，并對差壓傳感器調零、整定，測試過程中應確保不低于9個工況點，且流量應間隔均勻。

3 測試結果與分析

通過調節(jié)鄧樓泵站葉輪的葉片安放角以改變泵站的流量，從而改變差壓變送器所測壓力差值。肘形進水流道直管段安裝的超聲波流量計及壓差變送器的測量值如表1所示，并依據(jù)流量和壓差的測試結果，給出了5種不同的壓差與流量的擬合關系式。

表1 不同工況時的泵站流量及壓差Tab.1 Flow and pressure difference at different operating conditions

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，流量與差壓的關系曲線如圖3所示，采用冪指數(shù)回歸法確定流量與差壓的關系：

Q=29.520 2 Δh0.487 5

(2)

圖3 流量與壓差擬合曲線Fig.3 Flow and pressure difference

壓差可通過差壓變送器進行精確測量，前期流量通過超聲波流量計進行測取，根據(jù)鄧樓泵站模型試驗結果，進水流道內水流態(tài)均勻、穩(wěn)定?；诖?，對鄧樓泵站3號機組進行了壓差法測流所得計算式的系數(shù)k進行分析，根據(jù)計算式：Q=kΔh0.5，流量系數(shù)k與測點部位的過流面積A有關，為此將過流面積A引入到流量～壓差的計算式中。

方案1：

(3)

(1)根據(jù)超聲波流量計測得的流量，反推流量系數(shù)k1，不同葉片安放角工況下的流量系數(shù)，約為3.2，因此取k1=3.2，計算得流量偏差最大為2.20%，壓力差與流量的關系為：

(4)

(2)流量系數(shù)k取π=3.141 592 6，可得流量最大偏差為3.98%，壓力差與流量的關系為：

(5)

表2 方案1流量系數(shù)的推斷(1)Tab.2 Calculation of flow coefficient of Scheme 1

表3 方案1流量系數(shù)的推斷(2)Tab.3 Calculation of flow coefficient of Scheme 1 (2)

方案2：

(6)

取M=1.8，計算得流量最大偏差為2.75%，壓力差與流量的關系為：

Q=29.498 61 Δh0.5(7)

表4 方案2流量系數(shù)的推算Tab.4 Calculation of the flow coefficient of the scheme 2

方案3：

(8)

計算得流量最大偏差為1.65%，壓力差與流量的關系為：

Q=29.288 9 Δh0.5

(9)

表5 方案3流量系數(shù)的推算Tab.5 Calculation of the flow coefficient of the scheme 3

圖4為超聲波法及3種推算方案求得壓力差與流量的關 系擬合曲線。由圖4可知，5種擬合曲線趨勢一致，流量隨壓力差的增大而增大，且5條擬合曲線的偏差較小，驗證了對流量系數(shù)k的3種推算方案是合理的。方案1的兩種推斷，流量最大偏差分別為2.20%和3.98%，方案2的流量最大偏差為2.75%，方案3的流量最大偏差為1.65%，為提高精度，使其滿足運行監(jiān)測要求，故3#機組流量公式采用流量最大偏差較小的方案3。

圖4 流量～壓差5種冪指數(shù)函數(shù)比較Fig.4 Comparison of several power exponential functions for flow pressure difference

采用壓差測流法和超聲波流量計相結合的測流方法，通過壓力差與流量擬合的冪指數(shù)關系式，依據(jù)實時獲取的壓力差推求實時流量，可滿足實際流量的測試要求，該方法避免了長期浸水后超聲波流量計因環(huán)境、水質及路徑“脫落”導致的測量誤差等問題，也為超聲波流量計測流提供了一個輔助決策判斷的方法，可確保長期運行泵站實時流量的精準計量。

4 結 論

(1)在現(xiàn)實泵站流量測量中，為避免超聲波測流受環(huán)境、水質及機組運行狀況影響而導致測量精度降低的現(xiàn)象，嘗試采用了壓差測流法和超聲波流量計測量相結合的方法，并在鄧樓泵站進行了應用，兩種測流相結合的方法可為泵站在線流量精確可靠穩(wěn)定連續(xù)測量提供保障。

(2)5種不同擬合回歸壓差與流量的關系式均能較準確的預測流量，預測流量的最大偏差為3.98%，壓差測流可滿足現(xiàn)實泵站流量測試的要求。采用方案3推求方法時流量的預測精度最高，預測流量最大偏差僅為1.65%。

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