紫薇北路排澇泵站水工模型試驗中的流量調(diào)節(jié)與脈動壓力檢測系統(tǒng)

王　越　張　波　武　鋒

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院　南京　210098　2.水利水資源安徽省重點實驗室　安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院　蚌埠　233000）

紫薇北路排澇泵站水工模型試驗中的流量調(diào)節(jié)與脈動壓力檢測系統(tǒng)

王越1張波2武鋒2

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院南京2100982.水利水資源安徽省重點實驗室安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院蚌埠233000）

泵站模型試驗時，采用小泵模擬抽水，流量的準(zhǔn)確控制至關(guān)重要，采用可實時調(diào)節(jié)的自耦調(diào)壓器，可實時調(diào)節(jié)模擬泵的抽排水流量，應(yīng)用效果良好。泵站抽水時，泵站出水池底板受到的脈動壓力較大，若壓力過大則會對建筑物造成破壞試驗通過在泵站出水池埋設(shè)脈動壓力傳感器，采集的信號傳入電腦后，編程進行處理，得到的脈動壓力值較為真實。

泵站模型試驗脈動壓力

1　概述

安徽省滁州市紫薇北路排澇泵站工程共安裝5臺1600ZQB-125型軸流泵，作一列式布置。進口設(shè)檢修門，采用浮箱疊梁式鋼閘門。出口設(shè)防洪門，采用平面滑動鋼閘門。消能采用底流消能形式，挖深式消力池。消力池與閘基連接段采用1∶4緩坡連接，連接段長4m。消力池池長15.0m，深1.0m，池底高程4.0m。下游海漫段設(shè)15.0m長護底。海漫末端建拋石防沖槽，防沖槽頂面高程為5.0，槽深1.0m，底寬2m，邊坡1∶2。防沖槽末端與下游河道平順連接。該站主要任務(wù)是解決內(nèi)城河水系防洪排澇問題，當(dāng)外河清流河高水位時澇水能通過排澇泵站排除，低水位時洪水能自動排入清流河；同時旅游性船只能夠通過閘站通航孔進出內(nèi)城河。

該排澇泵站的設(shè)計運行條件如下：內(nèi)河設(shè)計水位11.2m；內(nèi)河最高運行水位12.0m；內(nèi)河最低運行水位10.5m；外河設(shè)計水位15.02m；外河最高運行水位15.8m；外河最低運行水位12.7m；泵站最大自排流量291m3/s；泵站抽排最大流量45.1m3/s。

根據(jù)模型試驗任務(wù)書的要求，由于此次模型試驗中需要研究不同工況下的泵站和通航孔進出口布置是否合理及對上游鐵路橋橋墩和路基的影響；同時還要研究不同工況下的消力池底板的動水壓力荷載變化情況，所以在此次模型試驗中，其模擬泵的抽水流量應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，同時在消力池底板下應(yīng)布設(shè)脈動壓力傳感器對消力池底板的脈動壓力進行檢測。

根據(jù)《水工（常規(guī)）模型試驗規(guī)程》（SL155-2012）相似準(zhǔn)則規(guī)定，水工模型試驗在滿足重力相似的基礎(chǔ)上水工建筑物模型不得采用變態(tài)模型，必須采用正態(tài)模型，因而該模型按正態(tài)模型設(shè)計，根據(jù)試驗要求，該方案模型比尺為Lr=40。相應(yīng)的主要水力要素比尺：流量比尺Qr=Lr5/2=10119.289，流速比尺Vr=Lr1/2=6.325。

2　流量調(diào)節(jié)與脈動壓力檢測系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)的組成

此次模型試驗中的流量調(diào)節(jié)與脈動壓力檢測系統(tǒng)由流量調(diào)節(jié)部分和脈動壓力檢測部分組成。其中，流量調(diào)節(jié)部分由自耦調(diào)壓器、控制開關(guān)、單相自吸泵組成；脈動壓力檢測部分由開關(guān)穩(wěn)壓電源、脈動壓力傳感器、多路A/D轉(zhuǎn)換器通訊總線、接口轉(zhuǎn)換器、檢測計算機（含檢測軟件）等環(huán)節(jié)組成，其組成原理示意圖如圖1所示。

圖1　流量調(diào)節(jié)與脈動壓力檢測系統(tǒng)組成原理示意圖

2.2模擬泵及其流量調(diào)節(jié)設(shè)備

（1）根據(jù)泵站的最大抽排流量，結(jié)合模型的流量比尺進行模擬泵的選擇。已知本泵站的最大抽排流量為45.1m3/s單臺泵的最大抽排流量約為 9m3/s，流量比尺 Qr=Lr5/2=10119.289，由此可得出，模型試驗中單臺模擬泵的最大抽排流量應(yīng)為54L/min。根據(jù)此計算結(jié)果，此次模型試驗中采用了220V/750W單相自吸泵進行排澇模擬，在1m以下的低揚程情況下，所選用的模擬泵最大排水量可達58L/min左右，可以滿足該模型試驗的要求。

（2）根據(jù)模擬泵的總功率值選擇自耦調(diào)壓器的功率，該項目中5臺模擬泵的總功率為3.75kW，適當(dāng)放大余量并考慮功率因數(shù)的影響，該項目中選用了220V/5kVA的自耦調(diào)壓器。通過該自耦調(diào)壓器可實時調(diào)節(jié)模擬泵的工作電壓，從而可在一定范圍內(nèi)對抽排水流量進行實時調(diào)節(jié)。

圖2　脈動壓力傳感器布置示意圖　

圖3　設(shè)計洪水位抽排水時消力池底板的脈動壓力分布圖

圖4　校核洪水位抽排水時消力池底板的脈動壓力分布圖　

圖5　自排（清流河流量500m3/s）消力池底板脈動壓力分布圖

2.3脈動壓力檢測系統(tǒng)

（1）根據(jù)模型試驗的最大水深值，估算出可能的最大脈動壓力范圍，根據(jù)該值并適當(dāng)增加余量后，即可確定脈動壓力傳感器的量程值。另外，考慮到在極端工況情況下，可能會出現(xiàn)短時負(fù)壓的情況，所選用的脈動壓力傳感器應(yīng)具有負(fù)壓檢測功能。

水流的脈動壓力變化頻率一般較低，根據(jù)以往的原型觀測資料分析研究的結(jié)果表明，作用于擋水建筑物各測點上的水流脈動壓力通常為窄帶低頻隨機過程，其含能頻率通常不高于10Hz，優(yōu)勢頻率為0～2Hz。

根據(jù)以上選型條件，此次脈動壓力傳感器選用了BSH-15型雙向壓力傳感器，其量程為±15kPa，±5V電壓輸出，動態(tài)響應(yīng)頻率0～100Hz，正式使用時應(yīng)對傳感器進行密封防水處理。

此次模型試驗中需要對消力池底板上的3點位置進行脈動壓力檢測，其測點布置示意圖如圖2所示。

（2）該項目中所采用的A/D轉(zhuǎn)換器為RM4018V，其主要特性：8路模擬輸入，12位分辨率，支持ModBus協(xié)議，光隔離 RS485通訊；輸入范圍：±5V、0～5V、0～10V；RM4018V采集的數(shù)據(jù)可通過通訊總線和標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議傳送到上位采集計算機中，進行進一步的分析處理。

（3）上位采集計算機應(yīng)帶有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，通過RS485-RS232轉(zhuǎn)換器經(jīng)通訊總線與A/D轉(zhuǎn)換器RM4018V相連。

由于采用標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議進行通訊，所以采集軟件只要能實時讀取標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的ModBus協(xié)議數(shù)據(jù)即可，給上位機的應(yīng)用軟件開發(fā)帶來了便利。

3　系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果

抽排水流量調(diào)節(jié)由試驗人員根據(jù)試驗工況和前池水位變化情況，實時調(diào)價自耦調(diào)壓器的輸出電壓，從而即可實時調(diào)節(jié)模擬泵的抽排水流量，應(yīng)用效果良好。

在設(shè)計洪水位和校核洪水位進行抽排水時消力池底板的脈動壓力分布如圖3、圖4所示。

在自排試驗中，試驗控制清流河流量為500m3/s，清流河水位為10.00m，內(nèi)城河自排流量為291m3/s，泵站底部流道及通航孔均全開時，消力池底板的脈動壓力分布如圖5所示。

由圖3、圖4可見，在抽排水時，泵站消力池底板脈動壓力分布較均衡，壓力值上限為3.9kPa，下限為3.1kPa，消力池左側(cè)脈動壓力較右側(cè)略小。

由圖5可見，在自排水時，泵站消力池底板脈動壓力變幅較小，壓力值上限為2.85kPa，下限為1.85kPa。

無論在抽排水工況下還是在自排水工況下，泵站消力池底板均沒有發(fā)現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。

4　結(jié)語

本文介紹的泵站水工模型試驗流量調(diào)節(jié)和脈動壓力檢測系統(tǒng)具有簡單實用的特點，可在類似的模型試驗中借鑒使用。

各設(shè)備和部件的選型應(yīng)適當(dāng)，參數(shù)的選擇應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，傳感器的輸出信號?yīng)進行標(biāo)定后使用。

由于單相自吸泵有一定的工作電壓范圍，所以采用調(diào)壓方式的流量調(diào)節(jié)范圍較小，如需更大的流量調(diào)節(jié)范圍，可采用PWM調(diào)功方式來進行流量調(diào)節(jié)控制，其流量調(diào)節(jié)范圍能夠得到較大的提高。

此次試驗脈動壓力檢測點布設(shè)較少，如需進一步詳細(xì)了解泵站消力池底板脈動壓力分布和變化情況，可適當(dāng)加密脈動壓力檢測點的布設(shè)