七桥瓮引补水泵站水泵运行性能现场测试

2020-10-09周春峰张敬波蒋红樱

江苏水利 2020年9期

周春峰，张敬波，汤雷，成立*，蒋红樱

(1.江苏省南京市水务设施管理中心，江苏南京 210015； 2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225000；3.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏南京 210029)

城市引补水泵站的建设是保证居民用水需求的一项重要措施，其性能优劣直接影响城市供水需求。掌握城市供水泵站的实际性能，能够了解泵站流量、扬程和效率等参数是否达到设计要求，测试结果为水泵机组和泵站的设计和运行提供依据，有利于提高主机组泵系统的设计水平，节省工程建设和运行费用[1-5]。

无论是对新的水泵做原型验收鉴定，还是对水泵进行运行监测、优化调节以及泵站更新改造等，都必须掌握准确的性能参数。目前，国内学者对泵站现场测试进行了广泛研究。孙振华[6]和戴元将等[7]阐述了超声波流量计的测试原理并对泵站进行现场流量测试；陈开金等[8]和许实付[9]等采用无线电阻应变仪对泵站的轴功率进行现场测试；吴俊川[10]介绍了流量测量的通用方法，结合虹吸式泵站现场测试，阐述了比较精确、可靠、方便的流量测试方法；严登丰[11]主要从流量、扬程和功率3个方面对泵站进行现场测试；刘曼等[12]利用流速仪法对良田泵站进行现场测试，并配合其他设备进行机组装置效率测试；成立等[13]采用五孔球形探针现场测流技术对某双向灌排泵站机组进行了流量测试并提出相应改造思路。城市供水泵站由水泵抽水直接与供水管道联接，对此型式布置的流量和扬程等参数现场测试研究较少[15-17]。因此，本文以工程实际为背景，对七桥瓮引补水泵站流量和扬程等参数进行实测研究，研究成果为泵站日常运行管理提供可靠的基础依据和科学依据。

1 工程概况

七桥瓮引补水泵站位于南京市境内，该泵站采用3台机组并联模式运行，设计流量3 m3/s，向城区2个方向供水。其中，一侧供水方向配套2台700QH-40型混流泵, 设计流量2 m3/s，设计扬程13 m，电机功率185 kW，2台水泵出水接DN1400干管，管道主要为玻璃钢夹砂管；另一侧供水方向配套建设1台700HQ-40型混流泵，设计流量1 m3/s，设计扬程18 m，电机功率250 kW，现状补水管道为DN1000～DN500管道，全长约6 000 m，管道主材料为球墨铸铁管；每台机组经水泵抽水均与城市供水管道直接联接。

2 测试方法

2.1 流量测试方法

此次测试采用超声波流量计对水泵机组进行流量测试。根据泵站现场条件限制，采用超声波法对该供水泵站3台机组中的1台700HQ-40型混流泵机组进行单机组流量测试，测试流程按照规范[14]要求进行。

本次流量测试采用KRCFLO手持式单通道超声波液体流(热)量计对混流泵机组流量进行测量。其基本原理是利用超声波在液体中的传播特性。超声波在流动水体中传播速度与在静止水体中传播速度是不同的，其变化与水流速度有关。在顺流和逆流介质中，其超声波的速度不同而形成时间差。

在现场测试时，若安装的超声波发射器和接收器相对距离为L时，则对于顺流和逆流的传播时间有：

(1)

(2)

式中：c为超声波在静止水体内的传播速度，m/s；v为被测流体的速度，m/s；t1、t分布为顺流和逆流传播所需要的时间，s；L为换能器之间的相对距离，m。

则时间差为

(3)

由式(3)可知，当声速c一定时，只要测出时差Δt就可以求得流体流速v,再通过式(4)计算管道内的流量，这就是时差法超声波流量计的测量原理。

Q=Av

(4)

式中：Q为流量，m3/s；A为管道内的内截面积，m2。

根据七桥瓮泵站现场测试条件，采用“Z”法安装夹装式流量传感器，如图1所示，此安装方法特点是超声波在管道中直接传输，无反射(称为单声程)，信号衰减损耗小，测试精度高，可测管径范围为100～6 000 mm。

图1 超声波流量计“Z”法安装示意图

为保证测试精度，需要人工打磨去除出水管道外壁表面杂物，使管道表面光亮整洁。实际超声波流量计换能器的安装位置应避免焊缝、接头和易受管道内滞留气体影响的部位，保证管道内部是满管流状态，并在安装前在传感器的接触面涂抹一定量的黄油。

图2 扬程测试断面示意图(单位：m)

2.2 扬程测试方法

在出水管道侧边中心线位置安装Y系列压力表，仪表采用弹簧管作为灵敏元件，通过加压引起弹簧管变形，由机芯将变形进行转换、放大，由指针在表盘指示出来，其规格为0.25 MPa，满足量程要求，后将压力表读数与扬程进行换算。

如图3所示，水泵扬程H等于泵装置进出口两测压断面的总能头差，其值等于两断面的静压差与动压差的代数和：

(5)

式中：p2为A-A断面的总压，MPa；p1为B-B断面的总压，MPa；Z2为A-A断面的高程，m；Z1为B-B断面的高程，m；u2为A-A断面的流速，m/s；u1为B-B断面的流速，m/s；ρ为液体密度，取1 000 kg/m3；g为当地加速度，取9.81 m/s2。

3 测试结果与分析

3.1 现场测试数据分析

本次现场测试通过调节出水管道上的阀门来控制出水管道中的流量，且根据进水池水位及压力表读数来推算水泵扬程，选取9个阀门开度对管道流量、进水池水位和功率等进行分析，如表1所示。当阀门开度逐渐变小时，进水池水位基本不变，而水泵的流量逐渐减小，扬程逐渐增大，且水泵效率大致呈开口向下的抛物线分布，存在最高效率点，符合混流泵性能曲线分布规律。图3为水泵现场测试性能曲线图。

表1 现场测试结果

图3 水泵性能曲线图

3.2 与水泵样本曲线对比

该机组水泵型号为700HQ-40型混流泵，查得水泵样本曲线，并与现场测试结果对比分析，水泵性能曲线对比如图4所示，水泵机组实测的流量-扬程曲线与水泵样本曲线偏差较大，水泵样本曲线整体在实测流量-扬程曲线的右侧，且在小流量时偏差较小，随着流量增加，两者之间偏差逐渐变大。这表明建成后的水泵机组运行性能不能以水泵选型时样本曲线为依据，而应根据实际测试运行性能为准。因此，对建成后的水泵机组进行现场测试显得十分必要。