降低水力機械模型試驗臺流量計小流量校準誤差的方法

趙　越，明　君，趙英男，覃大清，明　亮，聶文昭（. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 50040；. 哈爾濱體育學院，哈爾濱 50008；. 國家電網山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 700）

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降低水力機械模型試驗臺流量計小流量校準誤差的方法

趙越1，明君2，趙英男1，覃大清1，明亮3，聶文昭3
（1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱體育學院，哈爾濱 150008；3. 國家電網山東省電力公司濟寧供電公司，山東 濟寧 272100）

[摘要]在水力機械試驗臺上，由于水泵在小流量范圍內存在著一個不穩定的區域，所以水泵及其調速電機的運行狀態直接決定著流量計在小流量區域的校準誤差。本文根據水泵的運行特性，提出改變水力機械試驗臺的校準系統管路的阻尼，使水泵工作在其工作特性曲線的負斜率穩定區域內，從而使得校準系統管路中流經流量計的水流穩定。利用此方法，通過試驗結果來看達到了提高水力機械試驗臺流量計校準精度的目的。

[關鍵詞]水泵；阻尼；流量計；校準誤差

Key word: pump; damping; flow meter; calibration accuracy

0　引言

水力機械模型試驗臺主要工作參數有水頭（揚程）、流量、轉矩和轉速等，其中流量是水力機械模型試驗臺最重要的試驗參數，必須定期對流量測量設備——流量計——進行原位校準。水力機械模型試驗臺校準系統如圖1所示，水力機械模型試驗臺流量計4的校準過程是：將調速電機2穩定在某一轉速，也就是供水泵1泵出的水量穩定時，調速電機2拖動供水泵1將水槽3中的水抽入管路系統中，水流流經流量計4通過標準流量檢測系統6后再流回水槽3。利用在不同流量下流量計4輸出電信號與標準流量檢測系統6所對應顯示的標準流量，即可完成建立起流量計4輸出電信號與流量對應關系的工作，也就是建立起流量計4輸出電信號對應流經流量計4的水流量之間的對應關系，這就是水力機械模型試驗臺流量計4校準的目的。

圖1　水力機械模型試驗臺校準系統

通常采用分析流量計4的流量校準誤差的方法來對水力機械模型試驗臺流量計4的校準結果進行評價。即，將每一個流量下的流量計4的輸出電信號和對應的標準流量檢測系統6測量的流過流量計4的流量值，即流量計的校準結果，擬合出流量計4的輸出電信號對應標準流量檢測系統6測量的流過流量計4的流量值的關系曲線。按此關系曲線即可按下式計算出水力機械模型試驗臺流量計4的流量校準誤差：

式中：

er——流量計4的流量校準誤差；

Qm——標準流量檢測系統6測出的流量標準值；

Qc——根據按最小二乘法擬合出的流量計4的輸出電信號，對應標準流量檢測系統6測量的流過流量計4的流量值的關系曲線，計算出的流量計的流量值。

以標準流量檢測系統6測出的流量值Qm為橫坐標、流量計4的流量校準誤差er為縱坐標繪制在圖2上。對繪制在圖2上的流量計4的流量校準誤差er進行評價：流量計4的流量校準誤差er越接近零，則表明其校準精度越高；流量校準誤差er數值越大，則表示其校準精度越差。一旦流量校準誤差er超出理論校準曲線上限8和理論校準曲線下限7所圍成的范圍內，則判定該校準結果無效，流量計4不允許在該流量下使用。

其中:Ps為地面氣壓(hPa);f(φ,h0)=(0.002 66cos2φ-0.000 28h0),φ為GPS接收站的緯度,h0為相對于旋轉橢球體的地基GPS測站高度(km)。

圖　2

現有常規的水力機械模型試驗臺流量計4的校準結果均如圖2所示，即絕大多數流量下流量校準誤差er均位于校準誤差上限8和校準誤差下限7所圍成的范圍內，只有最左側小流量點的流量校準誤差er超出了校準誤差上限8，因此，常規的水力機械模型試驗臺流量計4往往不能夠在小于某一小流量下正常使用。這就極大地限制了水力機械模型試驗臺的工作范圍，因此，很有必要對水力機械模型試驗臺中的流量計4在小流量點的校準誤差超限問題進行分析并采取措施進行改進。

1　改進的思路

圖1所示的水力機械模型試驗臺中的流量計4的校準程序為：

（1）啟動標準流量檢測系統6和調速電機2；

（2）將調速電機2穩定在供水泵1的運行范圍內的某一轉速下帶動供水泵1穩定運行；

（3）供水泵1將水槽3中的水抽入管路系統中，水流流經流量計4通過標準流量檢測系統6后再流回水槽3。如此循環往復；

（4）待系統穩定后，利用標準流量檢測系統6測量此時流過流量計4的流量值，同時采集流量計4的輸出電信號；

（5）判斷流量的校準點數是否已滿足要求，若是，則轉入步驟7，否則，根據校準的流量不同，調整調速電機2的轉速改變供水泵1向管路系統中的泵水量，即改變流過流量計4的水流量，重復步驟2至步驟4的操作；

（7）關閉標準流量檢測系統6和調速電機2。

從水力機械模型試驗臺中的流量計4的校準程序可知，在流量計4的校準過程中，其他設備的工作狀態均是相同的，僅有由調速電機2和供水泵1組成泵組的轉速是可調節的，而由調速電機2和供水泵1組成的泵組的轉速直接決定了通過水力機械模型試驗臺管路系統，即流量計4的流量大小和波動情況，也就是由調速電機2和供水泵1組成的泵組的運行狀態就直接決定了水力機械模型試驗臺中的流量計4的校準誤差的大小。只要能夠保證組成泵組的調速電機2和供水泵1均處于穩定狀態，就應該可以實現校準誤差er位于理論校準曲線上限8和理論校準曲線下限7所圍成的范圍內的目的。由于調速電機2的轉速能夠控制得非常準確，且供水泵1在小流量范圍內存在著一個不穩定的區域，因此，只要提高了供水泵1在小流量區域的穩定性也就可以實現降低水力機械模型試驗臺流量計4的校準誤差的目的。

2　進一步分析

水力機械模型試驗臺中的供水泵1的穩定工作區域是通過如圖3所示的供水泵1的工作性能曲線來表示的。供水泵1的工作性能是通過在定轉速下流量Q與揚程H間的關系來區分供水泵1的穩定工作區域和不穩定工作區域的。供水泵1的穩定工作區域為：供水泵1的工作性能曲線對應揚程H、流量Q處的切線的斜率為負值，即供水泵1的工作性能曲線在點（Q， H）處的導數，時，也就是隨著流量Q的減小，揚程H呈單調上升趨勢，揚程H與流量Q呈一一對應關系。此時，如圖3所示，從供水泵1的工作性能曲線來看，對于某一個特定揚程H1而言，僅有一個流量Q1與之對應。上述供水泵1的穩定工作區域覆蓋所有大流量區域、極小流量區域和絕大部分小流量區域。但在某段小流量區域內，作為供水泵本身的特性，會出現一種供水泵1的工作性能曲線對應揚程H、流量Q處的切線的斜率為正值，即供水泵1的工作性能曲線在點（Q，H）處的導數的不穩定現象，即隨著流量的減小，揚程反而降低。在此不穩定區域內，揚程H與流量Q不再呈現出一一對應關系，也就是從供水泵1的工作性能曲線來看，對于某一個特定揚程H2而言，在一個相對較小的流量變化范圍內，會有多個流量Q2、Q3和Q4與之對應。此特性決定了供水泵1在該區域內會出現不穩定的工作狀態。

常規的水力機械模型試驗臺流量計4校準時供水泵1的工作性能曲線如圖4所示。曲線11、曲線12和曲線13分別表示不同轉速時供水泵1的工作特性曲線。不同轉速下的供水泵1的工作特性曲線的揚程H與流量Q的變化趨勢是完全相同的，只不過隨著轉速的增加，供水泵1的工作特性曲線越來越向圖4的右上角平移而已，即供水泵1的轉速越高，一定流量Q下所對應的揚程H就越高。供水泵1所能提供的流量不但與轉速有關，還與該流量下水力機械模型試驗臺校準系統的阻尼曲線有緊密的聯系。圖4中的曲線14，水力機械模型試驗臺校準系統不同流量下的阻尼曲線，與供水泵1的工作特性曲線：曲線11、曲線12和曲線13的交點所對應的流量（Qa、Qb和Qc）即為該轉速下從供水泵1泵入水力機械模型試驗臺中校準系統管路中流經流量計4的流量。從圖4中可以發現，流量較大時，即Qb和Qc點處，對應供水泵1的工作特性曲線，即曲線12和曲線13的斜率為負，即處于的區域，也就是處在供水泵1的穩定工作區域。而在流量較小的Qa點處，對應供水泵1的工作特性曲線，即曲線11的斜率為正，即恰好處于的區域，也就是處在供水泵1的不穩定工作區域，圖2中所示的小流量時校準誤差er超出了理論校準曲線上限8的原因就是由于供水泵1處于工作特性曲線正斜率區的不穩定工作區域內所致。

圖　4

圖　3

3　具體措施

綜上所述，為了降低水力機械模型試驗臺流量計4的校準誤差，就必須采取措施使諸如圖4所示的Qa點之類的對應于供水泵1的工作特性曲線正斜率區不穩定區域的小流量點位于工作特性曲線的負斜率區的穩定區域內。由于進入水力機械模型試驗臺校準系統管路系統，也就是流量計4的流量取決于管路系統的阻力，即阻尼，同供水泵1運行狀態的匹配關系，水力機械模型試驗臺校準系統管路系統的阻尼決定了供水泵1的揚程，即管路系統的阻尼與供水泵1的揚程相等，即如圖4所示管路系統的阻尼曲線14與供水泵1的工作特性曲線11、曲線12和曲線13的交點a、b 和c所對應的供水泵1的揚程即為此工況下的供水泵1的揚程，而對于常規的水力機械模型試驗臺校準系統的管路系統而言，由于其阻尼曲線14是不可調節的，對于供水泵1的轉速變化，也就是不同的工作特性曲線11、曲線12和曲線13，流量只能是管路系統的阻尼曲線14與供水泵1的工作特性曲線11、曲線12和曲線13的交點a、b和c所唯一對應的Qa、Qb和Qc值，不可能出現其他的可能性。而在校準諸如Qa這樣的小流量時，如果能夠改變水力機械模型試驗臺校準系統管路系統的阻尼，使整個管路系統的阻尼增大，如圖5所示，也就是隨著流量的增加，管路系統的阻尼曲線14向供水泵1的工作特性曲線的左上方傾斜，即圖5中的管路系統的阻尼曲線15，并相應提高供水泵1的轉速，也就是使在預期小流量Qa下，管路系統的阻尼曲線14與供水泵1的工作特性曲線不僅可以是相交在曲線11上，而且還可以是相交在如圖5所示的曲線13上的d點，此時，由于管路系統的阻尼曲線15與供水泵1的工作特性曲線13的交點d同樣對應于小流量Qa，且此時由于曲線13上的d點位于負斜率穩定區域內而非曲線11上的a點所處的正斜率不穩定區域內，就從理論上保證了同樣是小流量Qa，由于供水泵1能夠工作在其工作特性曲線的負斜率穩定區域內，從而使此時進入水力機械模型試驗臺校準系統管路系統，即流量計4流量的穩定，進而達到降低水力機械模型試驗臺流量計4校準誤差的目的。

如圖6所示，在水力機械模型試驗臺校準管路系統加裝阻尼調節器5。當供水泵1運行在穩定區域時，阻尼調節器5不動作。管路系統阻尼不發生變化。流量計4的校準程序與未加裝阻尼調節器5的常規水力機械模型試驗臺流量計4的校準程序相同。當供水泵1運行在小流量不穩定區域時，如圖6所示，調節阻尼調節器5，提高整個水力機械模型試驗臺校準管路系統的阻尼并相應提高供水泵1的轉速，在保證進入校準管路系統流量不變的前提下，使供水泵1工作在其穩定工作區域，從而確保進入校準管路系統流量的穩定，進而降低了水力機械模型試驗臺流量計小流量校準的誤差。

圖　5

圖　6

在水力機械模型試驗臺流量計校準管路系統中增加阻尼調節器5后，水力機械模型試驗臺流量計按如下操作程序進行校準：

（1）啟動標準流量檢測系統6和調速電機2；

（2）將調速電機2穩定在供水泵1的運行范圍內運行；

（3）穩定運行的供水泵1將水槽3中的水抽入管路系統中，水流流經流量計4通過標準流量檢測系統6后再流回水槽3，如此循環往復；

（4）待系統穩定后，利用標準流量檢測系統6測量此時流過流量計4的流量值，同時采集流量計4的輸出電信號；

（5）判斷流量的校準點數是否已滿足要求，若是，則轉入步驟7，否則，將流量計4的流量校準誤差er與理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7進行比較：如果校準誤差er位于理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的范圍內，則根據需校準的流量不同，調整調速電機2的轉速改變供水泵1向管路系統中的泵水量，即改變流過流量計4的水流量，重復步驟2至步驟4的操作,一旦某小流量Qi的校準誤差er位于理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的范圍之外，則執行步驟6；

（6）阻尼調節器5動作，增加管路系統的阻尼，同時提高調速電機2的轉速，使流過流量計4的流量達到Qi，與此同時，再次將此時流量計4的流量校準誤差er與理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7進行比較，如果流量校準誤差er位于理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域內，則返回步驟5，如果流量校準誤差er仍然沒有落在理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域內，則繼續調解阻尼調節器5以增加管路系統的阻尼，并同時繼續提高調速電機2的轉速，使流過流量計4的流量達到Qi，直至使流量校準誤差er落在理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域內為止，返回步驟5；

（7）關閉標準流量檢測系統6和調速電機2。

在水力機械模型試驗臺校準管路系統中加入阻尼調節器5，可以通過調節阻尼調節器5增加管路系統的阻尼，也就是在相同的流量下，提高整個水力機械模型試驗臺校準管路系統的阻力，從而使管路的阻尼曲線15在相同的流量下向圖5的左上方偏移。當某一轉速下供水泵1泵出的水量穩定時，阻尼調節器5不工作，調速電機2拖動供水泵1將水槽3中的水抽入管路系統中，水流流經阻尼調節器5、流量計4再通過標準流量檢測系統6后流回水槽3。當供水泵1泵出的水量較小且出現不穩定狀況，即圖5中所示的阻尼曲線14同供水泵1的工作特性曲線11的交點a處所對應的流量Qa，阻尼調節器5開始工作，提高整個水力機械模型試驗臺校準管路系統的阻尼，即在相同的流量下，整個水力機械模型試驗臺校準管路系統的阻力會提高，同時通過調速電機2相應提高供水泵1的轉速，改變了校準管路系統的阻尼曲線和供水泵1的工作特性曲線。當阻尼特性改變后的阻尼曲線15同轉速提高后的供水泵1的工作特性曲線13交點d處所對應的流量也達到Qa時，由于供水泵1工作在其工作特性曲線的負斜率穩定區域內，就可以保證此時進入水力機械模型試驗臺校準系統管路系統，即流量計4流量的穩定，從而從理論和工程上實現了降低水力機械模型試驗臺流量計4校準誤差的目的。

4　效果驗證

比較加裝阻尼調節器5前后的水力機械模型試驗臺中的流量計4的校準程序可以發現，采用本文中所論述的方法后，對水力機械模型試驗臺中的流量計4進行校準時，絕大部分步驟是相同的。只不過對于未采用本方法時，一旦出現流量計4在小流量時的流量校準誤差er超出理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域時，只能采取禁止流量計4在該流量下使用的方法，這就極大地限制了流量計4的適用范圍。而采用本發明公開的方法后，除去需在水力機械模型試驗臺流量計校準管路系統中加裝一臺阻尼調節器5外，僅僅需要當流量計4在小流量時的流量校準誤差er超出理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域時，調解阻尼調節器5以增加管路系統的阻尼，并同時提高調速電機2的轉速，使該流量下流量計4的流量校準誤差er落在理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域內，就可以保證在流量計4在全部流量范圍內均能夠正常使用。加裝阻尼器5后流量計4的流量校準誤差如圖7所示。

圖　7

比較圖2和圖7可以發現，采用本文介紹方法后，在保證大流量區流量校準誤差er沒有發生變化的同時，還能夠使供水泵1進入校準管路系統中的水流在小流量時仍然可以工作在穩定區域，避免由于供水泵1工作在不穩定區域所造成的進入校準管路系統中的水流在小流量時的波動現象，使整個流量范圍內的流量校準誤差er均位于理論校準誤差上限8和理論校準誤差下限7所圍成的區域內，從而從理論和工程上均達到了降低了水力機械模型試驗臺流量計小流量校準誤差的目的。

[參 考 文 獻]

[1]GB-15613, GB/T15613, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗[S].

[2]JJG-2000, 液體流量標準裝置檢定規程[S].

趙越（1967-），1988年畢業于吉林工業大學，現從事水輪機設計、水輪機現場及模型測試工作，高級工程師，哈爾濱電機廠大電機研究所水輪機室副主任。

審稿人：魏顯著

Improvement for the Flow Meter Calibration Accuracy of the Low Flow in the Hydraulic Test Stand

ZHAO Yue1, MING Jun2, ZHAO Yingnan1, QIN Daqing1, MING Liang3, NIE Wenzhao3
(1. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Sport University, Harbin 150008, China; 3. State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272100, China)

Abstract:The unstable operating range of the pump for the low flow may be used of the hydraulic test stand during the flow meter calibration. So it is determined for the flow meter calibration accuracy of the low flow with the operating characteristic of the pump and the control generator. In this paper, according to the pump operating characteristic, the method of changing the calibration pipeline damping is proposed to keep the flow stable that passing through the flow meter. Using the method, the more accurate calibration result is obtained with the test.

[作者簡介]

[收稿日期]2015-03-13

基金項目：600kW海底式潮流發電整機制造(GHME2010CY01)

[中圖分類號]TK730.7

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0039-05