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(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)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(bǔ)水泵站的建設(shè)是保證居民用水需求的一項(xiàng)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(shí)際性能，能夠了解泵站流量、揚(yáng)程和效率等參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果為水泵機(jī)組和泵站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)，有利于提高主機(jī)組泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，節(jié)省工程建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用[1-5]。

無論是對(duì)新的水泵做原型驗(yàn)收鑒定，還是對(duì)水泵進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測(cè)、優(yōu)化調(diào)節(jié)以及泵站更新改造等，都必須掌握準(zhǔn)確的性能參數(shù)。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)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(jì)的測(cè)試原理并對(duì)泵站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)試；陳開金等[8]和許實(shí)付[9]等采用無線電阻應(yīng)變儀對(duì)泵站的軸功率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；吳俊川[10]介紹了流量測(cè)量的通用方法，結(jié)合虹吸式泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，闡述了比較精確、可靠、方便的流量測(cè)試方法；嚴(yán)登豐[11]主要從流量、揚(yáng)程和功率3個(gè)方面對(duì)泵站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；劉曼等[12]利用流速儀法對(duì)良田泵站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并配合其他設(shè)備進(jìn)行機(jī)組裝置效率測(cè)試；成立等[13]采用五孔球形探針現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流技術(shù)對(duì)某雙向灌排泵站機(jī)組進(jìn)行了流量測(cè)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(duì)此型式布置的流量和揚(yáng)程等參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究較少[15-17]。因此，本文以工程實(shí)際為背景，對(duì)七橋甕引補(bǔ)水泵站流量和揚(yáng)程等參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，研究成果為泵站日常運(yùn)行管理提供可靠的基礎(chǔ)依據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

七橋甕引補(bǔ)水泵站位于南京市境內(nèi)，該泵站采用3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)模式運(yùn)行，設(shè)計(jì)流量3 m3/s，向城區(qū)2個(gè)方向供水。其中，一側(cè)供水方向配套2臺(tái)700QH-40型混流泵, 設(shè)計(jì)流量2 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程13 m，電機(jī)功率185 kW，2臺(tái)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(tái)700HQ-40型混流泵，設(shè)計(jì)流量1 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程18 m，電機(jī)功率250 kW，現(xiàn)狀補(bǔ)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(tái)機(jī)組經(jīng)水泵抽水均與城市供水管道直接聯(lián)接。

2 測(cè)試方法

2.1 流量測(cè)試方法

此次測(cè)試采用超聲波流量計(jì)對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行流量測(cè)試。根據(jù)泵站現(xiàn)場(chǎng)條件限制，采用超聲波法對(duì)該供水泵站3臺(tái)機(jī)組中的1臺(tái)700HQ-40型混流泵機(jī)組進(jìn)行單機(jī)組流量測(cè)試，測(cè)試流程按照規(guī)范[14]要求進(jìn)行。

本次流量測(cè)試采用KRCFLO手持式單通道超聲波液體流(熱)量計(jì)對(duì)混流泵機(jī)組流量進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(shí)間差。

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，若安裝的超聲波發(fā)射器和接收器相對(duì)距離為L時(shí)，則對(duì)于順流和逆流的傳播時(shí)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(cè)流體的速度，m/s；t1、t分布為順流和逆流傳播所需要的時(shí)間，s；L為換能器之間的相對(duì)距離，m。

則時(shí)間差為

(3)

由式(3)可知，當(dāng)聲速c一定時(shí)，只要測(cè)出時(shí)差Δt就可以求得流體流速v,再通過式(4)計(jì)算管道內(nèi)的流量，這就是時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)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(chǎng)測(cè)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(diǎn)是超聲波在管道中直接傳輸，無反射(稱為單聲程)，信號(hào)衰減損耗小，測(cè)試精度高，可測(cè)管徑范圍為100～6 000 mm。

圖1 超聲波流量計(jì)“Z”法安裝示意圖

為保證測(cè)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(shí)際超聲波流量計(jì)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(yáng)程測(cè)試斷面示意圖(單位：m)

2.2 揚(yáng)程測(cè)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(jī)芯將變形進(jìn)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(yáng)程進(jìn)行換算。

如圖3所示，水泵揚(yáng)程H等于泵裝置進(jìn)出口兩測(cè)壓斷面的總能頭差，其值等于兩斷面的靜壓差與動(dòng)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(dāng)?shù)丶铀俣?，?.81 m/s2。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jìn)水池水位及壓力表讀數(shù)來推算水泵揚(yáng)程，選取9個(gè)閥門開度對(duì)管道流量、進(jìn)水池水位和功率等進(jìn)行分析，如表1所示。當(dāng)閥門開度逐漸變小時(shí)，進(jìn)水池水位基本不變，而水泵的流量逐漸減小，揚(yáng)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(diǎn)，符合混流泵性能曲線分布規(guī)律。圖3為水泵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試性能曲線圖。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

圖3 水泵性能曲線圖

3.2 與水泵樣本曲線對(duì)比

該機(jī)組水泵型號(hào)為700HQ-40型混流泵，查得水泵樣本曲線，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，水泵性能曲線對(duì)比如圖4所示，水泵機(jī)組實(shí)測(cè)的流量-揚(yáng)程曲線與水泵樣本曲線偏差較大，水泵樣本曲線整體在實(shí)測(cè)流量-揚(yáng)程曲線的右側(cè)，且在小流量時(shí)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(jī)組運(yùn)行性能不能以水泵選型時(shí)樣本曲線為依據(jù)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試運(yùn)行性能為準(zhǔn)。因此，對(duì)建成后的水泵機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯得十分必要。

圖4 水泵性能曲線對(duì)比圖

4 流量測(cè)量不確定度分析

4.1 隨機(jī)不確定度計(jì)算

隨機(jī)不確定度服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律并具有抵償性。通常用概率統(tǒng)計(jì)方法處理，根據(jù)實(shí)際流量測(cè)量進(jìn)行不確定度估計(jì)，其計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

在現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)試中，當(dāng)進(jìn)水池水位不變時(shí)，選取工況1(閥門開度100%)時(shí)的運(yùn)行工況，重復(fù)采集10組流量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)不確定度分析，10組數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)表2的流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為

表2 流量測(cè)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(xiàng)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(jì)的流量測(cè)試系統(tǒng)的不確定度(EQ)s為0.5%，隨機(jī)不確定度(EQ)r=±0.0125%。

5 結(jié) 論

(1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水泵機(jī)組的流量-揚(yáng)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(jī)組實(shí)際性能曲線并不能以水泵選型時(shí)為依據(jù)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況為準(zhǔn)；

(2)設(shè)計(jì)揚(yáng)程為18 m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定流量達(dá)到0.64 m3/s，是規(guī)劃設(shè)計(jì)要求流量的64%，未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要增加開機(jī)時(shí)間，合理優(yōu)化調(diào)度；或進(jìn)行泵站更新改造，重新選型設(shè)計(jì)；

(3)本次泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)試真實(shí)可靠，其結(jié)果可為機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行和技術(shù)改造提供理論依據(jù)。