周正富，何鐘寧，陳松山

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州225127）

流量計量是調(diào)水、灌溉和排澇成本核算、水費改革和水資源市場化運作的技術(shù)基礎(chǔ)，隨著南水北調(diào)、城市供水、防洪及水環(huán)境治理、老泵站更新改造等眾多大型水利工程的陸續(xù)實施，大中型泵站的流量計量工作愈發(fā)重要．但國內(nèi)外大中型泵站的流量計量問題卻沒有得到很好解決［1］．常見流量測量的方法很多，如各種超聲波流量計［2］、電磁流量計［3－4］、基于流速或壓差的流速流量計［5］、基于激光技術(shù)的流速流量計［6］等．但這些測量方法有的需要較長的等徑直管段，只適用于實驗室或具有長直管的小型泵站；有的存在測量準(zhǔn)備工作量大、數(shù)據(jù)采集慢、誤差大、不能在線檢測等諸多缺陷．目前，我國大多數(shù)泵站主要還是利用模型泵（泵裝置）試驗數(shù)據(jù)曲線及實測揚程推算實時流量［7］，準(zhǔn)確性有待提高；因此，水利行業(yè)迫切需要一種準(zhǔn)確、直接、實時、自動的流量測量系統(tǒng)．

本研究基于差壓測流原理，設(shè)計了導(dǎo)葉式多點繞流流量計．該流量計借鑒成立等人［8］的研究成果，將測壓單元作為水泵的前置導(dǎo)葉安裝于水泵進水流道出口位置，見圖1．雖然前置導(dǎo)葉可能會導(dǎo)致水力損失的少許增加，但研究表明前置導(dǎo)葉可在一定程度上優(yōu)化水泵進口流態(tài)，提高水泵性能［9］．經(jīng)過葉片翼型比選設(shè)計、流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維數(shù)值模擬計算等步驟，初步確定了新型流量計的設(shè)計參數(shù)和性能．為驗證流量計在水泵實際運行狀態(tài)下的可行性和穩(wěn)定性［10］，筆者制作了新型流量計樣機，結(jié)合揚州大學(xué)高精度水力機械試驗臺某泵站泵裝置模型試驗，進行了多工況下流量性能測試的驗證．

1 試驗方案設(shè)計

圖1 新型多點繞流流量計安裝示意圖Fig．1 Install sketch about the new guide vane ＆multipoint flow－around flowmeter

1．1 試驗方案

導(dǎo)葉式多點繞流流量計類似于均速管流量計［11］，它由測壓（測流）單元和數(shù)據(jù)自動測量系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成．測壓（測流）單元由4只對稱布置的流線形直葉片組成，葉片的頭部分布正向測壓點，側(cè)面分布側(cè)向測壓點，見圖2．葉片形狀和測壓點的位置根據(jù)翼型比選和數(shù)值模擬結(jié)果確定．

本文根據(jù)導(dǎo)葉式多點繞流流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計和泵裝置試驗情況，制作出一組4個前置導(dǎo)葉測流葉片，材質(zhì)為有機玻璃．測流葉片的基準(zhǔn)半徑R＝6mm，十字正交安裝于泵裝置進水流道出口處，由于葉片安裝在水泵喇叭口內(nèi)，內(nèi)側(cè)為導(dǎo)水錐，所以葉片內(nèi)外側(cè)邊緣均為曲線形．葉片尺寸見圖3，安裝位置見圖4，測流葉片實物照片見圖5．

圖2 新型導(dǎo)葉式多點繞流流量計測壓單元示意圖Fig．2 Unit of pressure measure of the new guide vane ＆multipoint flow－around flowmeter

圖3 測流葉片型線及尺寸（mm）Fig．3 Profile ＆size of the vanes（mm）

圖4 測流葉片安裝位置圖（mm）Fig．4 Install location of the vanes（mm）

圖5 測流葉片實物照片F(xiàn)ig．5 Photo of the vanes

根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)論，在葉片頭部和距頭部2．5R，即15mm 處開孔，用測壓管引出葉片表面壓力．試驗中，測量斷面劃分為3個等面積過流環(huán)．根據(jù)葉片的尺寸和安裝位置，3個過流環(huán)的中心距水泵機組中心分別為r1＝89．7mm，r2＝132．7mm，r3＝164．8mm（測壓點所處位置）．

結(jié)合某泵站泵裝置性能試驗，測試在揚州大學(xué)高精度水力機械試驗臺（江蘇省重點實驗室）上進行，見圖6．試驗臺采用封閉立式循環(huán)系統(tǒng)，由水力循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、動力及輔助系統(tǒng)組成，試驗臺綜合系統(tǒng)誤差為±0．39%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB3216—2005 和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL140—2006中A 級精度要求．其中E－mag型高精度電磁流量計的不確定度為±0．197%，其測量值視作實際流量；EJA110A 型差壓傳感器的不確定度為±0．113%，用于動靜壓差的測量．本環(huán)節(jié)共進行了15種工況的流量測量，流量覆蓋范圍640 ～1 340m3·h－1．

1．2 流速（流量）計算

基于流體伯努利原理，計算出測量流速vm，進一步算出流量qV，m．由于測量值與實際值有一定誤差，測量時須對測量值進行修正．將高精度電磁流量計的測量值作為實際流量，可得到修正系數(shù)a，進

圖6 高精度水力機械試驗臺示意圖Fig．6 Sketch of the high precision test－bed of the hydraulic machinery

而獲得準(zhǔn)確的流量測量值（修正值）qV，c．實際測量中應(yīng)首先對測量設(shè)備進行率定，獲取修正系數(shù)a．

式中pt為葉片頭部靜壓（正對水流方向，近似等于總壓）；ps為平直段側(cè)面靜壓；A 為過流斷面面積；ρ為水的密度；a為流量（流速）修正系數(shù)；vm為測量流速；qV，m為測量流量；qV，r為實際流量，由高精度電磁流量計獲得；qV，c為修正后流量（最終測量值）．

2 試驗結(jié)果

將同一葉片3個過流環(huán)上測壓點取得的壓強機械混合，然后通過測壓管送至壓差傳感器，讀取平均值．?dāng)?shù)據(jù)處理時再將4 個葉片的壓差平均，運用式（1）、（2）可得到修正系數(shù)a，見表1．由表1可見，受實驗條件、設(shè)備誤差、讀數(shù)誤差等因素的影響，a 的數(shù)值略有波動，但不同工況下a 的絕對值小，誤差低，滿足工程測流要求．泵裝置動態(tài)測試說明在泵站實際運行狀態(tài)下，導(dǎo)葉式多點繞流流量計穩(wěn)定可靠．

表1 修正系數(shù)表Tab．1 Correction coefficients

3 結(jié)論與建議

1）導(dǎo)葉式多點繞流流量計設(shè)計思路新穎，原理科學(xué)，適應(yīng)性好，安裝簡便，是大中型泵站流量計量的良好候選方案．

2）導(dǎo)葉式多點繞流流量計運用多點測壓技術(shù)，降低了流道出口處流速分布不均造成的不利影響，有利于提高測量穩(wěn)定性和精度．

3）在水泵實際運行狀態(tài)下，修正系數(shù)的絕對值小，誤差低，表明此測流方法穩(wěn)定可靠．

4）流線形的葉片具有擾動小、水力損失低的特點，同時前置導(dǎo)葉的安裝形式可在一定程度上優(yōu)化水泵進口流態(tài)，提高水泵性能．

5）導(dǎo)葉式多點繞流流量計使用前必須經(jīng)過嚴(yán)格率定，獲取準(zhǔn)確的流量修正系數(shù)．

［1］ 周濟人，楊華，成立，等．超聲波流量計測試大型低揚程泵站流量的模型試驗［J］．排灌機械，2009，27（1）：51－54．

［2］ BRODY W R，MEINDL J D．Theoretical analysis of the CW doppler ultrasonic flowmeter［J］．IEEE Trans Biomed Eng，1974，21（3）：183－192．

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［11］ 張濤，趙兵，徐英．新型均速管流量計的設(shè)計與研究［J］．化工自動化及儀表，2004，31（4）：52－54．