紫薇北路排涝泵站水工模型试验中的流量调节与脉动压力检测系统

王　越　张　波　武　锋

（1.河海大学水利水电学院　南京　210098　2.水利水资源安徽省重点实验室　安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院　蚌埠　233000）

紫薇北路排涝泵站水工模型试验中的流量调节与脉动压力检测系统

王越1张波2武锋2

（1.河海大学水利水电学院南京2100982.水利水资源安徽省重点实验室安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院蚌埠233000）

泵站模型试验时，采用小泵模拟抽水，流量的准确控制至关重要，采用可实时调节的自耦调压器，可实时调节模拟泵的抽排水流量，应用效果良好。泵站抽水时，泵站出水池底板受到的脉动压力较大，若压力过大则会对建筑物造成破坏试验通过在泵站出水池埋设脉动压力传感器，采集的信号传入电脑后，编程进行处理，得到的脉动压力值较为真实。

泵站模型试验脉动压力

1　概述

安徽省滁州市紫薇北路排涝泵站工程共安装5台1600ZQB-125型轴流泵，作一列式布置。进口设检修门，采用浮箱叠梁式钢闸门。出口设防洪门，采用平面滑动钢闸门。消能采用底流消能形式，挖深式消力池。消力池与闸基连接段采用1∶4缓坡连接，连接段长4m。消力池池长15.0m，深1.0m，池底高程4.0m。下游海漫段设15.0m长护底。海漫末端建抛石防冲槽，防冲槽顶面高程为5.0，槽深1.0m，底宽2m，边坡1∶2。防冲槽末端与下游河道平顺连接。该站主要任务是解决内城河水系防洪排涝问题，当外河清流河高水位时涝水能通过排涝泵站排除，低水位时洪水能自动排入清流河；同时旅游性船只能够通过闸站通航孔进出内城河。

该排涝泵站的设计运行条件如下：内河设计水位11.2m；内河最高运行水位12.0m；内河最低运行水位10.5m；外河设计水位15.02m；外河最高运行水位15.8m；外河最低运行水位12.7m；泵站最大自排流量291m3/s；泵站抽排最大流量45.1m3/s。

根据模型试验任务书的要求，由于此次模型试验中需要研究不同工况下的泵站和通航孔进出口布置是否合理及对上游铁路桥桥墩和路基的影响；同时还要研究不同工况下的消力池底板的动水压力荷载变化情况，所以在此次模型试验中，其模拟泵的抽水流量应能在一定的范围内进行调节，同时在消力池底板下应布设脉动压力传感器对消力池底板的脉动压力进行检测。

根据《水工（常规）模型试验规程》（SL155-2012）相似准则规定，水工模型试验在满足重力相似的基础上水工建筑物模型不得采用变态模型，必须采用正态模型，因而该模型按正态模型设计，根据试验要求，该方案模型比尺为Lr=40。相应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　流量调节与脉动压力检测系统

2.1系统的组成

此次模型试验中的流量调节与脉动压力检测系统由流量调节部分和脉动压力检测部分组成。其中，流量调节部分由自耦调压器、控制开关、单相自吸泵组成；脉动压力检测部分由开关稳压电源、脉动压力传感器、多路A/D转换器通讯总线、接口转换器、检测计算机（含检测软件）等环节组成，其组成原理示意图如图1所示。

图1　流量调节与脉动压力检测系统组成原理示意图

2.2模拟泵及其流量调节设备

（1）根据泵站的最大抽排流量，结合模型的流量比尺进行模拟泵的选择。已知本泵站的最大抽排流量为45.1m3/s单台泵的最大抽排流量约为 9m3/s，流量比尺 Qr=Lr5/2=10119.289，由此可得出，模型试验中单台模拟泵的最大抽排流量应为54L/min。根据此计算结果，此次模型试验中采用了220V/750W单相自吸泵进行排涝模拟，在1m以下的低扬程情况下，所选用的模拟泵最大排水量可达58L/min左右，可以满足该模型试验的要求。

（2）根据模拟泵的总功率值选择自耦调压器的功率，该项目中5台模拟泵的总功率为3.75kW，适当放大余量并考虑功率因数的影响，该项目中选用了220V/5kVA的自耦调压器。通过该自耦调压器可实时调节模拟泵的工作电压，从而可在一定范围内对抽排水流量进行实时调节。

图2　脉动压力传感器布置示意图　

图3　设计洪水位抽排水时消力池底板的脉动压力分布图

图4　校核洪水位抽排水时消力池底板的脉动压力分布图　

图5　自排（清流河流量500m3/s）消力池底板脉动压力分布图

2.3脉动压力检测系统

（1）根据模型试验的最大水深值，估算出可能的最大脉动压力范围，根据该值并适当增加余量后，即可确定脉动压力传感器的量程值。另外，考虑到在极端工况情况下，可能会出现短时负压的情况，所选用的脉动压力传感器应具有负压检测功能。

水流的脉动压力变化频率一般较低，根据以往的原型观测资料分析研究的结果表明，作用于挡水建筑物各测点上的水流脉动压力通常为窄带低频随机过程，其含能频率通常不高于10Hz，优势频率为0～2Hz。

根据以上选型条件，此次脉动压力传感器选用了BSH-15型双向压力传感器，其量程为±15kPa，±5V电压输出，动态响应频率0～100Hz，正式使用时应对传感器进行密封防水处理。

此次模型试验中需要对消力池底板上的3点位置进行脉动压力检测，其测点布置示意图如图2所示。

（2）该项目中所采用的A/D转换器为RM4018V，其主要特性：8路模拟输入，12位分辨率，支持ModBus协议，光隔离 RS485通讯；输入范围：±5V、0～5V、0～10V；RM4018V采集的数据可通过通讯总线和标准ModBus协议传送到上位采集计算机中，进行进一步的分析处理。

（3）上位采集计算机应带有标准RS232接口，通过RS485-RS232转换器经通讯总线与A/D转换器RM4018V相连。

由于采用标准的ModBus协议进行通讯，所以采集软件只要能实时读取标准标准的ModBus协议数据即可，给上位机的应用软件开发带来了便利。

3　系统的应用结果

抽排水流量调节由试验人员根据试验工况和前池水位变化情况，实时调价自耦调压器的输出电压，从而即可实时调节模拟泵的抽排水流量，应用效果良好。

在设计洪水位和校核洪水位进行抽排水时消力池底板的脉动压力分布如图3、图4所示。

在自排试验中，试验控制清流河流量为500m3/s，清流河水位为10.00m，内城河自排流量为291m3/s，泵站底部流道及通航孔均全开时，消力池底板的脉动压力分布如图5所示。

由图3、图4可见，在抽排水时，泵站消力池底板脉动压力分布较均衡，压力值上限为3.9kPa，下限为3.1kPa，消力池左侧脉动压力较右侧略小。

由图5可见，在自排水时，泵站消力池底板脉动压力变幅较小，压力值上限为2.85kPa，下限为1.85kPa。

无论在抽排水工况下还是在自排水工况下，泵站消力池底板均没有发现负压区。

4　结语

本文介绍的泵站水工模型试验流量调节和脉动压力检测系统具有简单实用的特点，可在类似的模型试验中借鉴使用。

各设备和部件的选型应适当，参数的选择应留有适当的余量，传感器的输出信号应进行标定后使用。

由于单相自吸泵有一定的工作电压范围，所以采用调压方式的流量调节范围较小，如需更大的流量调节范围，可采用PWM调功方式来进行流量调节控制，其流量调节范围能够得到较大的提高。

此次试验脉动压力检测点布设较少，如需进一步详细了解泵站消力池底板脉动压力分布和变化情况，可适当加密脉动压力检测点的布设