大型泵站水泵流量测定方法比较与分析

(1.江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100； 2.江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210009； 3.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223100)

泵站工程在灌溉、排涝、调水、城市供水与排污、保障人民生命财产安全、促进经济发展、改善人民生活和生态环境建设等方面起着关键作用。

1 工程概况

大套三站位于江苏省滨海县大套乡境内大套船闸的西侧，设计流量50m3/s，设计净扬程3.70m，安装叶片半调节式立式水泵机组5台套。泵站采用肘形进水流道，虹吸式出水流道，真空破坏阀断流。叶轮直径1.60m，配套电机功率710kW，转速250r/min。大套三站供电电源由滨海县220kV变电所35kV出线引接，架设一回长约5km的35kV专用输电线向泵站供电。在泵站上游布置清污机桥(结合公路桥)，河床段设回转式清污机，两侧河坡段设固定拦污栅。

2 水泵流量测定

根据泵站现场条件，采用五孔探针法和ADCP法两种方法测定水泵流量，并对测试结果进行相互校核。

2.1 五孔探针法

五孔探针法测定流量，是利用探针头部感应部位上5个小孔相关压差与测点流速之间的关系确定被测点流速，再根据流速分布计算流量的方法。本次直接和水流接触的测量设备选用东方汽轮机厂生产标定的直头五孔探针，测量断面选取在进水流道末端、水泵叶轮前部一段近乎等直圆管的金属管段(底座和接管)上(见图1)。

图1 测量断面的选取

在测量断面上选取左右2条半径测线，每条半径上距圆心等距离处(即同一圆周上)设置测点，每条测线上设置5～8个测点。测点分布如图2所示。

图2 测量断面测点分布

采用五孔球形探针测量点流速，球形探头表面迎流方向均匀分布5个小孔，中间2号孔轴线垂直于针杆轴线，左边为4号、5号孔，外侧和内侧分别为1号、3号孔，用透明硬质塑料管连接针管和差压变送器测量感应孔压差。测试系统如图3所示。

图3 探针测量系统

测试时，针杆沿垂直于管道轴线方向插入管道，将探头移至待测点，2号孔处于球形探头迎流面，使水流在压差的作用下能进入针孔，转动针杆，观测差压变送器Ⅳ调整4号、5号孔压力平衡，此时2号孔在垂直于针杆轴线的平面内正对来流，由差压变送器Ⅱ、Ⅲ测出3号、1号孔压差h3-h1，2号、4号孔压差h2-h4，差压变送器Ⅰ测出2号孔相对压力，由探针尾部水平仪及量角器读取2号孔轴线与管道轴线方向之间的角度α*。然后计算系数：

(1)

由Kδ查曲线得初始流速矢量v0在其与针杆组成的平面内与在垂直于针杆平面内的分量vyz之间的夹角δ(见图4)及系数K2-K4，K3-K1，修正角αm，则测点总流速为

(2)

根据总流速矢量v0和针杆组成的平面与轴向流速vz和针杆组成的平面的夹角(即vyz与v夹角)计算出测点轴向流速vy、周向流速vu和径向流速vr。

利用2号孔压力还可计算测点的静压和全压。测定流量时只需测出针孔压差，计算测点轴向流速。将断面数十个测点的轴向流速拟合成曲线，积分求得流量。各工况五孔探针法测试数据见表1～表4。

图4 测点实测流速矢量与分量

测点号l/mmΔl/mmh3-h1/kPah2-h4/kPah4-h5/kPah2/kPaα/(°)15421024.719.9032.529224827026.221.7033.5299341313924.321.5033.8299434420821.321.2034.2300527527719.420.9034.4299620634618.521.5034.8301716538717.721.7034.8299

注探针号：12号；测线：西；时间：11∶35—13∶40。

测量工况：进口水位0.78m；出口水位2.51m；水泵装置扬程1.73m；电机输入功率369kW。

表中l为探针杆管外伸长度，根据探针杆总长L=580mm、壁厚δ=28mm、测量断面直径R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α为探针表盘读数。

表2 大套三站3号机组工况1水泵流量五孔探针法实测数据(东测线)

注探针号：14号；测线：东；时间：11∶35—13∶40。

测量工况：进口水位0.78m；出口水位2.51m；水泵装置扬程1.73m；电机输入功率369kW。

表中l为探针杆管外伸长度，根据探针杆总长L=580mm、壁厚δ=28mm、测量断面直径R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α为探针表盘读数。

表3 大套三站5号机组工况2水泵流量五孔探针法实测数据(西测线)

注探针号：12号；测线：西；时间：16∶37—17∶00。

测量工况：进口水位0.76m；出口水位2.74m；水泵装置扬程1.98m；电机输入功率409kW。

表中l为探针杆管外伸长度，根据探针杆总长L=580mm、壁厚δ=28mm、测量断面直径R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α为探针表盘读数。

2.2 ADCP法

ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)，即声学多普勒流速剖面仪，利用声学多普勒频移效应原理来进行流速测量，泵站流量常采用ADCP进行测量。其测量原理是流速—面积法，连续测量过水断面多条垂线上不同深度的流速，然后在整个断面上采用流速与面积的矢量积分，从而计算出流量。ADCP测流成果为泵站引渠或送渠断面流量，即泵站所有运行机组流量之和。

表4 大套三站5号机组工况2水泵流量五孔探针法实测数据(东测线)

注探针号：14号；测线：东；时间：16∶37—17∶00。

测量工况：进口水位0.76m；出口水位2.74m；水泵装置扬程1.98m；电机输入功率409kW。

表中l为探针杆管外伸长度，根据探针杆总长L=580mm、壁厚δ=28mm、测量断面直径R=1568mm，可求得l=L-Δl-δ。α为探针表盘读数。

测量断面位于泵站上游200m河道；每次流量取往返两次流量的平均值。采用ADCP法测试结果见表5。

表5 大套三站ADCP法流量测定结果

续表

3 测定结果及分析

3.1 流量测定结果及分析

由表5可见，用ADCP法测定泵站上游河道过流断面流量，往返两次流量测定重复误差为2%～13%，平均6.8%，往返两次测定值有时相差较大。当泵站有多台机组运行时，测定的是泵站总流量，单台机组流量可以平均求得。虽然泵站安装的是同型号机组，且水泵叶片在同一设计角度，但由于机组间的制造、安装质量差异，特别是泵站流动条件的差异，机组之间的性能会有所差异，用泵站几台机组运行总流量的平均值作为某1台机组的流量，会有一定误差。而五孔探针法直接测定单泵流量，测定精度较高。

将五孔探针法、ADCP法水泵流量测试计算结果与性能曲线相同装置扬程下的流量值进行比较(见表6)，可看出，与性能曲线相比，3号机组用五孔探针法和ADCP法实测的水泵流量分别相差0.32%、1.65%；5号机组实测流量分别相差2.12%、3.09%，机组抽水流量达到了设计要求。其中，5号机组五孔探针法实测流量较理论值小2.12%，这可能是由于5号机组位于站房的西边侧，进水流态稍差所致，实际进水流量略小于中间泵机组的进水流量。

表6 大套三站水泵流量测试结果比较

大套三站实测工况下水泵理论流量与实测流量比较如图5所示，显然，两者相当接近。

图5 大套三站实测工况下水泵理论流量与实测流量比较

3.2 测定误差分析

根据东方汽轮机厂标定，探针流速测量误差δb=±1%；差压变送器测量针孔压差的测量精度为δp=0.50%；探针轻微振动引起测量误差约δz=1%；测量断面上任一半径处圆周上轴向流速分布的最大不均匀误差取δt=±0.5%；轴向流速拟合误差δvr=±0.50%；测点位置误差δd=±0.30%；过流面积由实测半径求得，半径测量采用钢尺，误差为δl=±0.20%；参照ISO5168及ISO748，随机误差δr=±0.74%。则流速测试的综合误差为

流量测定综合误差为

=±1.851%。

4 结 论

对于在大型泵装置选择适当的测流断面(立式泵测量断面选在位于水泵基坑以上、叶轮前的断面)，利用五孔探针法测定泵装置过流断面流速分布，通过积分求得流量，流量测定精度达到2%以内；ADCP法用于测定泵站河道流量，根据对测量影响因素分析及往返两次实测数据对比，并与理论流量比较，该方法测定的流量误差偏大，并且只能测定泵站总流量。

测试结果表明，该项目采用的五孔探针流量测试系统，密封可靠、固定牢固，测试方法合理，测试结果重复性好，测试精度较高，能够满足大型水泵流量测定的需要。