超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性進(jìn)行流量測量的設備。超聲波流量計具有測流精度高,對流道結構影響小,實(shí)時(shí)性強等特點(diǎn),因而應用日益廣泛。近年來(lái),隨著(zhù)南水北調工程等大中型泵站的相繼投入使用,采用漸變等不規則流道的水電站和泵站也要求高精度的流量測試。傳統上常采用的鹽溶液法、五孔探針測流法、流速儀法和壓差法,存在精度差,對流態(tài)影響大等缺點(diǎn)。而超聲波流量計雖然具有上述優(yōu)點(diǎn),但是其對流道要求比較高,一般應用于圓形、矩形、梯形等較規則斷面的流道,并且要求傳感器前后有一定長(cháng)度的直管段,因而限制了其使用范圍。
淮安第三抽水站位于淮安市楚州區南郊,京杭大運河淮安船閘東側,裝有32GWN-42型葉輪直徑為3.19m的燈泡貫流式定漿水泵機組2臺套,設計抽水揚程4.2m,設計總抽水量66m3/s,總裝機容量3400kW,是江水北調的第二級抽水站之一,也是南水北調東線(xiàn)工程的重要環(huán)節之一。在開(kāi)展淮安第三抽水站2號機組的能量試驗時(shí),由于其進(jìn)水斷面由方變圓,后部流道變?yōu)閳A臺并連接燈泡體的不規則斷面(見(jiàn)圖1),不滿(mǎn)足美國AC2CUSONIC公司生產(chǎn)的Model7510型超聲波流量計測量的要求。為了能夠更加準確的測量流量,減少誤差,因此進(jìn)行淮安第三抽水站2號機組進(jìn)水流道的模型試驗。通過(guò)模型試驗,尋求一種測量方式,使Model7510型超聲波流量計在該型流道中能夠輸出準確的流量值,同時(shí)也為其它復雜流道的泵站的流量測量提供了一個(gè)新的方法和借鑒。
圖1 淮安三站1剖面示意
2 試驗裝置及試驗方法
2.1 通過(guò)CFD對試驗模型的簡(jiǎn)化
由于淮安三站2號機組進(jìn)水流道形狀復雜,且含有燈泡體,如果*由試驗來(lái)模擬,將會(huì )使試驗變得異常復雜,因此,首先使用CFD軟件FLU2ENT分別對有燈泡體和無(wú)燈泡體時(shí)的流道進(jìn)行數模計算,對兩種情況下的流態(tài)進(jìn)行模擬。得到的無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度云圖如圖2所示。
由圖2可以看到,燈泡體對其附近的流態(tài)影響較大,而對遠離它的流態(tài)影響非常小。根據FLUENT輸出的結果分析,圖中2(b)第2條曲線(xiàn)左邊的流道,在有無(wú)燈泡體時(shí)流態(tài)基本相同。在此線(xiàn)以左安裝傳感器,在有燈泡體時(shí)和無(wú)燈泡體時(shí)將得到基本相同的結果。因此,可以對流道的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,將傳感器安裝在上述分界線(xiàn)左側,只對燈泡體前面的流道進(jìn)行模擬,其結果將會(huì )和有燈泡體和轉輪時(shí)相同。
2.2 試驗方案
(a)無(wú)燈泡體
(b)有燈泡體
圖2 無(wú)燈泡體和有燈泡體時(shí)的速度示意
根據試驗臺的實(shí)際情況,考慮傳感器的測量范圍,依據力學(xué)相似準則,確定了線(xiàn)性比例尺δ為10,速度比例尺δv為4.5。制作流道模型。由于進(jìn)水流道長(cháng)度短,且斷面不規則,流態(tài)復雜,傳統的單層或者多層布置方式難以應用,因此采用新的布置方式,采用每?jì)蓷l聲路交叉布置成一個(gè)聲路平面,4個(gè)聲路平面分別與水平面成±18°和±54°的方式。各聲路均過(guò)流道中心線(xiàn)的同一點(diǎn)。各聲路與流道中軸線(xiàn)之間的夾角為49°。超聲波傳感器的具體安裝位置及幾何尺寸如圖3所示。
圖3 測量點(diǎn)布置位置與尺寸
按照上述安裝方法安裝流速傳感器。分別組成1A-1B,2A-2B,3A-3B,4A-4B,-5B,6A-6B,7A-7B,8A-8B共8條聲路。其中1A-1B與8A-8B,2A-2B與7A-7B,3A-3B與6A-6B,4A-4B與-5B為交叉布置,共4對交叉聲路。采用此種布置方式,實(shí)際上是傳統的單層聲路測量方式的改進(jìn)[8],即將4個(gè)單層聲路以不同角度布置在管路中,通過(guò)取各聲路所測數據平均值的方式,減小流態(tài)不穩定對測量帶來(lái)的誤差。為減小誤差,在超聲波傳感器安裝完畢后對各傳感器之間的距離和角度重新進(jìn)行測量,并記錄測量數據。確認傳感器的位置以保證試驗時(shí)其位置不改變。檢查整個(gè)試驗臺氣密性,給試驗臺充水,并排出其中的殘留空氣。測量水溫,輸入數據采集計算機。在調試各傳感器正常工作后,開(kāi)始試驗。試驗臺如圖4所示。
(a) 正視圖
(b) 俯視圖
圖4 試驗臺
依照比例系數從模型的zui大流量和zui小流量之間分別取8種大小不同的流量(其中包含設計流量)進(jìn)行試驗。每次調整流量后等待數分鐘,待到試驗臺電磁流量計數值穩定后,每隔30s從電磁流量計中讀取流量并做記錄,與此同時(shí)超聲波流速傳感器會(huì )每隔1s自動(dòng)采集所在聲道的流速,每個(gè)流量下采集90s。
3 試驗數據及分析
通過(guò)觀(guān)察傳感器自動(dòng)采集的數據,可以看到每個(gè)聲路在不同時(shí)間內測得的流速差距極大。取90s內的各聲路流速的平均值,得到穩態(tài)時(shí)的平均速度。為了消除橫流誤差對測量的影響,對每對交叉聲路測得的流速取平均值[7]。同時(shí)為了減小誤差,對4對交叉聲路所測的平均流速再取平均值。也就是說(shuō)在計算時(shí)不同的聲路取同一權重,為0.125,即取各聲路的平均流速為斷面平均流速。
然后將從電磁流量計中讀出的流量取平均值,作為準確的流量值。每次試驗中的流量與流速之間的比值,即為平均流速所在斷面的面積,也即流量與流速之間的比例關(guān)系。各流量下的平均流速,平均流量以及計算所得的平均斷面如表1所示。
將不同流量下的各試驗所得平均斷面取平均值,為0.137519m2,此值即為此種超聲波傳感器布置方式下的平均斷面。也即流量與平均流速間的比例關(guān)系。
表1 各流量下的平均斷面面積
根據試驗裝置的尺寸,平均斷面面積與聲路交點(diǎn)所在斷面的面積分別為0.137519m2和0.13828m2,考慮試驗可能帶來(lái)的誤差,以及為了試驗測量方便,選取聲路交點(diǎn)斷面為計算斷面。斷面半徑為0.2098m,面積為0.13828m2。即,該種安裝方式下流量計算式為:
式中
A———計算斷面面積,m2,取A=0.13828m2
v———流速,m2/s
以此斷面分別與各平均流速相乘得到的流量以及與實(shí)測流量間的誤差如表2所示。
表2 計算流量與實(shí)測流量對比
由表2可見(jiàn),在常用各流量下,除在極小的流量下,試驗誤差全部在2%以?xún)?,且在額定流量附近誤差較小,為1.17%,滿(mǎn)足精度要求。
4 誤差分析
在試驗中,誤差主要分為隨機誤差和系統誤差。
試驗中的隨機誤差主要由流道條件造成。由于該泵站進(jìn)水流道極其復雜,且前后缺少足夠長(cháng)的直管段(裝置前大于等于10D,裝置后大于等于5D,其中D為直徑),造成模擬流道內流態(tài)紊亂,測量數據有一定的波動(dòng),給試驗帶來(lái)誤差。
系統誤差是由某種固定的原因造成的,使測定結果系統偏高或偏低。當重復進(jìn)行測量時(shí),它會(huì )重復出現。系統誤差的大小、正負是可以測定的,至少從理論上來(lái)說(shuō)是可以測定的,所以又稱(chēng)可測誤差。系統誤差的zui重要的特性,是誤差具有“單向性”。本試驗系統誤差主要有以下幾種:
?。?)聲路長(cháng)度造成的誤差。從式中看到,流速與聲路長(cháng)度成正比,由于試驗裝置內的幾何尺寸由鋼尺測量,由此引起的誤差可保持在0.2%以?xún)取?/p>
?。?)聲路角造成的誤差。流速與聲路角的余弦成反比。在交叉聲路安裝方式中,該誤差是可忽略的。
?。?)橫流誤差。當流線(xiàn)方向與軸線(xiàn)不平行時(shí),流速會(huì )產(chǎn)生分量,對超聲波測速器帶來(lái)測量誤差。采用交叉聲路布置,可以有效減小這種誤差。
5 結論
?。?)FLUENT數值模擬計算表明,不考慮燈泡體和轉輪,只對燈泡體前面的進(jìn)水流道進(jìn)行模擬,與考慮有燈泡體和轉輪時(shí)的結果基本相同。通過(guò)數模計算,確定了超聲波傳感器的安裝位置;
?。?)物理模型試驗表明,在此種傳感器安裝方式下,各聲路的權重均為0.125,測量時(shí)取各聲路測得流速的平均值。以此權重計算得到在模型試驗中各傳感器所測得的平均流速與實(shí)際流量間的比例關(guān)系,為0.137519;物理模型流量計算斷面的半徑為0.209m的斷面,即聲路與流道交點(diǎn)所在斷面。根據幾何相似關(guān)系,在現場(chǎng)測試中取斷面半徑為2.09m的斷面;
?。?)除極小流量工況外,其余工況下實(shí)測流量誤差均在2%以?xún)?,在額定工況附近誤差為1.17%,滿(mǎn)足實(shí)際需求,說(shuō)明該測量方式可行;
?。?)提出并驗證了超聲波流量計在不規則流道中新的應用方式,同時(shí)也為其它復雜流道中的應用提供了新的方法和借鑒。