雙向水槽的設計與研制

許 明，范北林，魏國遠，胡向陽，張文二

(長江科學院河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

試驗水槽是水力學及河流動力學開展研究的重要試驗方法及設施之一，試驗水槽的應用發展已有近百年的歷史。水槽試驗研究的成果質量與試驗水槽的控制精度和測量精度密切相關，因此試驗水槽的控制方式和控制精度以及測量的儀器設備也都在不斷的改進和提高中。

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

如果按常規方案建設水槽，需要3臺流量為200 L/s，揚程為12 m，功率為37 kW的離心泵;除固定水槽本身的建設外，還需修建水泵泵房、水泵工作水池、回水渠等配套設施。而且常用的試驗水槽在進行水槽試驗時，試驗人員在水槽的流量和水位控制方面感到不便、調整時間較長，水槽試驗的精度也難以進一步提高。為此，新水槽沒有采用常規水槽的設計建設方案，而是采用新的控制流程取代目前常規水槽的控制工藝流程，用整體控制的方法實現了建設目標。

2 水槽設計

2.1 水槽的設計目標

水槽的設計目標是在有限的建設資金范圍內，盡量運用當前最先進的技術、方法、設備和材料，實現水槽的建設目標。建一條功能完善、操作方便、計算機自動控制，且具備多種功能試驗水槽。

2.2 水槽工藝流程設計

水槽試驗的目的，主要是通過控制水槽中的水體在一定的速度下運動，從而對試驗內容進行觀測研究。因此常規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啟動真空泵對離心水泵進行抽真空(以常用的地面泵房為例)，然后啟動離心泵供水(這屬于供水部分)。②根據試驗的目標流量要求，調節電動閥門使電磁流量計的輸出流量與試驗的目標流量一致;流量調節可以手動調節，也可以由電磁流量計和電動調節閥及電子調節儀等自動控制調節(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行調節來完成，水槽的水位同樣可以采用手動或自動的控制方式完成，由水槽尾門流出的水流經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立，自成系統。

研究河流泥沙運動規律，經常需要利用水槽開展天然沙或模型沙的各類試驗。以模型沙的啟動流速研究為例，水槽試驗研究的工藝流程及控制過程為:先在水槽試驗段按研究內容和要求鋪好試驗沙;然后緩慢加水到試驗所需的水位，為的是保持所鋪的試驗沙處于初始狀態;然后才調節電動調節閥，通過電磁流量計控制水流緩慢加入，直至所需的流量;與此同時，還要不斷地調整尾門開度，保持水位的穩定;待流量和水位穩定后，才開始試驗研究的觀測工作。由于流量的變化會引起水位的變化，整個調整控制過程比較繁瑣，時間長，效率低。

為了提高控制效率和控制精度，根據泥沙研究水槽試驗的特點，我們設想改變水槽的控制工藝流程:用一種封閉的循環供水系統代替目前常用的供水系統，這樣可以先控制試驗水位，由于是相對靜止狀態，水位可以精確控制;當水槽的試驗水位確定后，水槽的總水量不再變化，這時讓安裝在循環管路中的水泵驅動水體朝一個方向運動，整個水槽中的水體也將隨之運動。因為水泵的轉速與輸出流量線性相關，用變頻器控制該水泵的轉速大小，就可以方便地控制水泵的輸出流量;而且當水槽的水深為已知時，水槽的平均流速將與水泵的轉速線性相關;所以水槽的平均流速可以方便地連續調節，為水槽試驗提供了方便。又因為變頻器調速簡單、穩定、可靠，配合電磁流量計作適當的微調，水槽流量控制的精度和穩定度將提高很多。由此可見，改變水槽的控制流程后，流量變化，雖會在水槽的兩端形成水位坡降，但不會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。

由于現在科技發展水平已經為我們提供了可以精確控制水泵轉速的變頻器，雙向水泵和電磁流量計等設備，這樣就可以很容易的構建雙向可控的試驗水槽。再配以實現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、清水和渾水試驗的多種功能。

2.3 水槽功能結構設計

由水槽的基本設計參數可知，其最大流量為600 L/s，當水流從連接管道進入水槽時，將產生較大的波動，為減小水槽入口水流波動，應考慮消能降波措施。設想水槽入口前段相連有同高程、容積為無窮大的水池，水流產生的影響將會忽略不計。在這種前池越大越好的設計理念下，還需綜合考慮建設費用及場地條件。同樣，水槽尾部的水流在向下被吸入時，容易產生漏斗流卷入空氣，也希望出口水池越大越好。所以水槽按雙向對稱結構設計，經數個布置方案的比較，水槽出入口設計成半徑等于水槽寬度的圓形。如圖1所示。

圖1 水槽結構示意圖Fig.1 Vertical view and plane view of the flume structure

參考《建筑給水排水設計規范》GB50015－2003給水管道沿程水頭損失計算公式［1］，按管道長度35 m，最大流量為600 L/s的計算條件，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。當主管道直徑為500mm時，管道內平均流速為3.06m/s，采用鑄鋼管道揚程損耗為0.85 m，采用塑料管道揚程損耗0.46 m;當主管道直徑采用400mm時，管道內平均流速為4.78m/s，采用鑄鋼管道揚程損耗為2.52 m，采用塑料管道揚程損耗為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，揚程為3 m，電機功率為45 kW。由于采用最小循環系統設計思想，水槽結構合理，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水槽需要100多kW功率才能完成的工作。體現了節能設計效果。

2.4 水槽控制方案設計

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

根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為:

式中:Q1，H1，P1為水泵在額定轉速n1時的額定流量、額定揚程、額定功率值;Q2，H2，P2為水泵在轉速n2時的流量、揚程、功率值。

由此可知水泵的轉速與水泵輸出的流量線性相關，用變頻器將水泵的轉速減小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，控制性能和節能效率進一步提高。

流量控制功能設計考慮了能夠進行自動和手動流量控制，自動控制采用閉環進程控制方式［3］。該方式沒有采用傳統的電磁流量計與電動調節閥門構成閉環控制回路的控制方式，而是采用電磁流量計與變頻器構成閉環控制回路穩定流量。即采用計算機變頻控制技術，通過精密的流量測量和精確的水泵轉速控制及優化的閉環PID控制技術，實現流量的精確控制;流量的進程由計算機根據放水要素表自動調節。該方式的控制精度和控制響應速度都有明顯提高。手動控制采用開環控制方式，利用智能電子調節儀的手動控制功能可直接控制變頻器的輸出頻率。因為水泵的輸出流量與變頻器的輸出頻率線性相關;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0.5%，頻率輸出精度可達0.005%;所以利用變頻器良好的調速性能，就可以方便地連續調節所需流量，并且保證其控制精度。

水位控制方案采用增加或減少系統水量的方式。因為供水系統是一個封閉的循環供水系統，增加或減少系統水量直接影響水槽的水位，水槽水位的調節可以在水泵啟動前，也可以在水泵啟動后，或試驗過程中。考慮到水位控制只是對水位進行微調，所以選用管徑為50mm、流量為4 L/s的潛水泵向水槽內供水來增加水位，降低水位則是控制排空閥的開關時間，排空管徑為100mm。控制方法設有靜態控制或動態控制，有手動控制和自動控制。比如靜態控制是指水泵沒有啟動前，水槽水位處于靜態情況下，可以人工控制水位到指定的值，也可以計算機自動控制水位到指定的值。動態控制水位是指在水泵啟動后，或試驗過程中對水位進行控制。

水槽控制系統采用計算機自動控制技術實現整體控制，實現試驗過程的全自動控制，包括閥門開啟與關閉、泵的啟動與關閉、自動按進程控制流量的大小、進水水位的自動控制等。

3 水槽制作

設計確定，水槽的槽身采用鋼結構與鋼化玻璃制作，試驗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。同時采用優質耐候膠和防水密封膠作為玻璃的膠結和密封材料，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。

水槽基礎和兩側進出水口水池采用鋼筋混泥土結構，水槽基礎按零沉降要求設計與施工，確保水槽在額定荷載下不發生沉降和裂痕。水槽基礎采用3層構架，底層為400mm厚的漿砌塊石，漿砌塊石的砂漿強度為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鋼筋混凝土結構，尺寸為35 m×1.4 m(長×寬)。

根據水槽水位觀測要求，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設孔徑為8mm的水位測量孔3個，分別距底板高10cm，20cm及30cm處。經強度計算，水槽邊欄采用8#的標準槽鋼，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)，根據水槽寬度在工廠制成標準的H型鋼結構，為了防止焊接變形，鋼結構采用螺栓鉚接形式，在水槽現場安裝校準后，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 水槽主要設備安裝情況Fig.3 Installed main equipments of the flume

4 結語

經過數月的精心施工，國內首座可以雙向運行的水槽建成，并對水槽進行了全面的系統測試檢驗。測試結果表明，水槽建設基本達到設計目標，設計的各種控制功能均已實現，流量、水位的自動和手動控制功能完善，流量、水位的控制精度滿足設計指標，控制系統運行正常。實現了水槽試驗過程的全自動控制，包括閥門開啟與關閉、泵的啟動與關閉、自動按放水要素表的進程控制流量的大小等。但也存在實際放水流量沒有達到設計流量的問題，在額定功率45 kW時，最大流量僅達500 L/s，而且最大正向流量小于最大反向流量(正向指軸流泵常規流出方向，圖1(b)中為從軸流泵到調節閥的方向)，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時水泵槳葉正反向角度誤差造成。

測試檢驗同時，也發現一些應當注意和可以改進的地方，比如應當注意的地方有:①在使用過程中，由于系統采用計算機變頻控制技術，變頻器可以很快地控制水泵流量變化，當流量突然增大會在水槽中形成反射波，在水槽中來回傳播，很長時間才能消除，所以應當注意流量的增加速度，以不出現反射波為宜;②水槽的用水量很小，很少的灰塵會對水體造成污染，使水變混，所以要注意保持清潔。可以改進的地方有:水槽目前進水靠調節水位的潛水泵，由于流量太小，進水時間很長，需要增加水槽的進水和排水能力。

由于篇幅所限，本文不能詳細描述。就總體而言，水槽的各項指標還算令人滿意，體現了新工藝所帶來的控制簡捷和高效率，該水槽以獨創的工藝流程已經獲得國家2項發明專利。

［1］GB50015－2003:3.6.10，建筑給水排水設計規范［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:機械工業出版社，1999.(XIANG Wan-cheng.Control Instruments and Devices［M］. Beijing:Engineering Industry Press，1999.(in Chinese))

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