軸流泵站模型裝置超聲波測流研究

張后文

(安徽省鳳凰頸排灌站管理處，安徽 無為 238300)

大型低揚程泵站一般帶有形狀復雜的進出水流道；因此進行泵流量瞬態流量測量時，往往難以滿足各種流量測量設備所要求的斷面流速分布均勻和一定長度直管段的要求，從而影響到測量精度。過去泵站測流較常使用的方法有流速儀法、五孔探針法以及差壓法等。

隨著電子技術的不斷發展，超聲波技術越來越廣泛的應用于大型低揚程泵站的水利工程中。李文杰從測驗軟件的選用及主要參數配置、盲區插補估算、底沙運動、測點流速以及垂線平均流速等方面開展了 ADCP 流量比測試驗，并進行了精度分析。結果表明，ADCP流量測驗同流速儀流量測驗比測誤差精度指標滿足相關規范要求。

但是，目前流量測量的研究在一次試驗中只使用了一種測試方法，且只進行了一種工況的測試，對泵裝置在不同工況下流量變化的數據分析研究較少。因此本文首先對派河口泵站進水流道進行數值模擬計算，找到超聲波合適的安裝位置；然后通過試驗測量，對比分析電磁測流法和超聲波時差測流法的差異性，為超聲波測流技術在水利行業的應用提供參考。

1 進水流道數值計算

1.1 計算模型與邊界條件設置

模型軸流泵泵裝置參數如下：設計流量

Q

=303.7L/s，設計揚程

H

=4.8 m，平均凈揚程

H

=4.0 m，最高凈揚程

H

=5.3 m，最低凈揚程

H

=0.2 m；額定轉速

n

=1430 r/min，比轉速

n

=887；葉片數

z

=3，導葉葉片數

z

=6，葉輪直徑

D

=300 mm，葉頂間隙

C

=0.15 mm。本文選取進水流道進行單獨數值計算，計算域控制方程為雷諾時均方程，模型湍流模型為標準

k

-

ε

。進水流道進口按質量流量給出，出口采用自由出流條件；壁面、隔板邊界條件采用無滑移固壁定律。

1.2 數值模擬結果

設計工況下進水流道的速度分布圖如圖1(a)所示。由進口至出口方向，流道斷面面積逐漸減小，流線光滑且平順，沒有漩渦等不良流態出現。流體經過彎管時,彎管內徑速度明顯大于彎管外徑速度，流速分布較不均勻，且彎管處半徑較小，聲波反射時間短、不易被識別，因此彎管部分不能作為安裝流量計的理想位置。如圖1(b)所示設計工況下進水流道壓力云圖。流道彎管段外徑壓力高于內徑壓力，不穩定的壓力變化易產生微小的漩渦，易對超聲波的識別產生干擾。在隔板附近，壓力與流速分布均勻，且隔板與流道外壁的距離適中，因此隔板處是安裝超聲波流量計的理想位置。

圖1 設計揚程下進水流道內部流場分布圖

2 試驗測量

2.1 換能器安裝位置

本次試驗采用北京昌民技術有限公司的10聲道超聲波流量計在江蘇大學高精度水力機械四象限試驗臺進行流量對比試驗研究，得到其流量對比測試誤差，為提高超聲波流量計在派河口泵站中的測量精度找到有效方法，試驗臺結構示意圖與安裝位置如圖2所示。

圖2 試驗臺現場示意圖

2.2 測試方法

以試驗臺德國科隆DN350智能電磁流量計的測試值作為標準值。流量計經權威部門率定，測量精度優于±0.2%。超聲波流量計系統精度優于±0.5%。對比測量了3.07m、4.0m、4.7m、5.3m對應的流量。采樣間隔與采樣時間分別為1s和30s。

2.3 測量結果分析

不同工況下2種測試方式測得的數據變化曲線圖如圖3所示。在不同揚程下，2種測試方式所測數據變化趨勢均相同。但是，在低揚程工況(3.07m、4.0m)下：超聲波流量計所測流量脈動小于電磁流量計所測流量脈動。在高揚程工況下(4.7m、5.0m)，由于進水流道內部不穩定流動結構對量計數據的采集產生了干擾，增加了數據變化的不穩定因素，因此超聲波流量計與電磁流量計所測流量脈動均較大。

圖3 不同工況流量測試曲線圖

進水流道超聲波測流試驗數據分析如表1所列。將電磁流量計作為評判標準可知，在揚程為4 m的工況下，超聲波流量計測量誤差最大為0.097%，在揚程為3.07m的工況下，超聲波流量計測量誤差最小為-0.012%。由進水流道超聲波測流試驗數據可知，即使考慮到現場換能器安裝、過流斷面面積測量等方面因素的影響，現場測流精度仍可望控制在±1%以內，滿足泵站現場測流的需要。

表1 進水流道超聲波測流量試驗數據分析

3 結 論

超聲波流量計在低揚程工況下，測得的數據變化趨勢與電磁流量計相比較為平緩穩定，相對誤差的變化范圍較小；但在高揚程工況下，測得流量數據和誤差變化趨勢與電磁流量計幾乎相當，平均誤差隨著揚程的增加而增大。通過現場試驗狀況和數據對比可以發現時差式超聲波流量計具有安裝簡單、抗干擾能力強、阻力損失小等優點，可實現流量的在線測量，為泵站的運行管理和優化調度提供依據。