差壓法測流在鄧樓泵站中的應(yīng)用及分析

劉 輝，劉海關(guān)，胡文竹，楊 帆，姜鳴歧

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250100；2. 揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

超聲波流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于南水北調(diào)東線的泵站工程中，以便于泵站管理單位實(shí)現(xiàn)對(duì)低揚(yáng)程大流量水泵過機(jī)流量的精確測量，通過與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接,實(shí)現(xiàn)了流量數(shù)據(jù)的自動(dòng)在線記錄與監(jiān)視，對(duì)南水北調(diào)東線工程的控制、調(diào)度與計(jì)量發(fā)揮了關(guān)鍵作用[1-5]。由于聲波的長行程衰減往往會(huì)影響測量精度，調(diào)水過程中泥沙及滋生物含量不同，儲(chǔ)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(hào)強(qiáng)度也會(huì)受到影響；不同季節(jié)水溫度和雜質(zhì)含量也會(huì)呈現(xiàn)差別，超聲波的實(shí)際傳導(dǎo)速度與驅(qū)動(dòng)及計(jì)算傳導(dǎo)速度在介質(zhì)變化條件下也會(huì)有一定區(qū)別而影響其測量結(jié)果的穩(wěn)定性；聲衰減或聲吸收的發(fā)生會(huì)對(duì)測量精度產(chǎn)生重大影響[2]；超聲波流量計(jì)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場運(yùn)行人員不能及時(shí)處理一般需廠家派出技術(shù)人員進(jìn)行處理，出現(xiàn)故障時(shí)影響水量計(jì)量及調(diào)度控制，維護(hù)復(fù)雜。針對(duì)長期運(yùn)行泵站采用超聲波測流存在的工程技術(shù)問題，本文提出了壓差測流法和超聲波流量計(jì)相結(jié)合的泵站實(shí)時(shí)測流方法，壓差測流法可彌補(bǔ)長久運(yùn)行后因超聲波流量計(jì)的聲衰減、聲吸收及水質(zhì)變化而降低測流準(zhǔn)確度的問題，并通過壓差測流法對(duì)長久運(yùn)行的超聲波流量計(jì)的測流準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)，提高現(xiàn)實(shí)泵站水量計(jì)量的連續(xù)穩(wěn)定性。差壓測流法是大型水輪機(jī)過機(jī)流量在線測量方式中目前較為成熟、在水電站得到普遍運(yùn)用的一種，具有維護(hù)簡單方便、投資費(fèi)用節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)[6,7]。

1 工程概況

鄧樓泵站位于山東省梁山縣境內(nèi)，是南水北調(diào)東線一期工程第十二級(jí)調(diào)水泵站，山東省境內(nèi)的第六級(jí)調(diào)水泵站。該泵站安裝了4臺(tái)日立泵制造(無錫)有限公司生產(chǎn)的3150ZLQ33.5-3.57型立式機(jī)械全調(diào)節(jié)軸流泵，配套4臺(tái)上海電氣制造的TL2240-48型同步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速125 r/min。泵站總裝機(jī)容量8 960 kW，泵站設(shè)計(jì)流量為100 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.57 m，最大揚(yáng)程為3.57 m，最小揚(yáng)程為1.57 m。泵站主體過流結(jié)構(gòu)包括肘形進(jìn)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(yùn)行7 089.2 臺(tái)時(shí)，年均調(diào)水量82 812.59 萬m3，為確保鄧樓泵站長期運(yùn)行時(shí)流量實(shí)時(shí)測量的準(zhǔn)確性，在該泵站中率先采用了壓差測流法和超聲波流量計(jì)相結(jié)合的方法，以彌補(bǔ)超聲波流量計(jì)長久運(yùn)行后易出現(xiàn)的弊端。為配合流量的精準(zhǔn)測量，對(duì)在鄧樓泵站肘形進(jìn)水流道內(nèi)部安裝的昌民公司生產(chǎn)的UR-1000-4000P10型10聲道超聲波流量計(jì)進(jìn)行了維護(hù)和校準(zhǔn)。

2 差壓法及斷面選取

水從肘形進(jìn)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(dòng)能及壓能均不斷變化，從而在肘形進(jìn)水流道的進(jìn)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(guān)系，只要測出壓力差就可推求流量，壓力差與流量的關(guān)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(duì)鄧樓泵站的進(jìn)水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，肘形進(jìn)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(shù)要求，測試設(shè)備安裝如圖2所示；進(jìn)口側(cè)的測點(diǎn)選擇進(jìn)水前池內(nèi)，通過引接水管測量進(jìn)水前池至測點(diǎn)部位的靜壓力。

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

在測試設(shè)備安裝完成后，水泵機(jī)組開機(jī)前應(yīng)檢查測壓管路是否存在空氣及泥沙雜質(zhì)，并對(duì)差壓傳感器調(diào)零、整定，測試過程中應(yīng)確保不低于9個(gè)工況點(diǎn)，且流量應(yīng)間隔均勻。

3 測試結(jié)果與分析

通過調(diào)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(jìn)水流道直管段安裝的超聲波流量計(jì)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(jié)果，給出了5種不同的壓差與流量的擬合關(guān)系式。

表1 不同工況時(shí)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(guān)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(guān)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(jìn)行精確測量，前期流量通過超聲波流量計(jì)進(jìn)行測取，根據(jù)鄧樓泵站模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)水流道內(nèi)水流態(tài)均勻、穩(wěn)定。基于此，對(duì)鄧樓泵站3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了壓差法測流所得計(jì)算式的系數(shù)k進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算式：Q=kΔh0.5，流量系數(shù)k與測點(diǎn)部位的過流面積A有關(guān)，為此將過流面積A引入到流量～壓差的計(jì)算式中。

方案1：

(3)

(1)根據(jù)超聲波流量計(jì)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(jì)算得流量偏差最大為2.20%，壓力差與流量的關(guān)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(guān)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(jì)算得流量最大偏差為2.75%，壓力差與流量的關(guān)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(jì)算得流量最大偏差為1.65%，壓力差與流量的關(guān)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(guān) 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(yàn)證了對(duì)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(yùn)行監(jiān)測要求，故3#機(jī)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(jì)相結(jié)合的測流方法，通過壓力差與流量擬合的冪指數(shù)關(guān)系式，依據(jù)實(shí)時(shí)獲取的壓力差推求實(shí)時(shí)流量，可滿足實(shí)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(jì)因環(huán)境、水質(zhì)及路徑“脫落”導(dǎo)致的測量誤差等問題，也為超聲波流量計(jì)測流提供了一個(gè)輔助決策判斷的方法，可確保長期運(yùn)行泵站實(shí)時(shí)流量的精準(zhǔn)計(jì)量。

4 結(jié) 論

(1)在現(xiàn)實(shí)泵站流量測量中，為避免超聲波測流受環(huán)境、水質(zhì)及機(jī)組運(yùn)行狀況影響而導(dǎo)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(jì)測量相結(jié)合的方法，并在鄧樓泵站進(jìn)行了應(yīng)用，兩種測流相結(jié)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(guān)系式均能較準(zhǔn)確的預(yù)測流量，預(yù)測流量的最大偏差為3.98%，壓差測流可滿足現(xiàn)實(shí)泵站流量測試的要求。采用方案3推求方法時(shí)流量的預(yù)測精度最高，預(yù)測流量最大偏差僅為1.65%。

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