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夾馬口泵站電磁流量計的不穩定性原因探索及造成的后果

來源:作者:發表時間:2017-09-01 09:29:25

        【摘要】本文介紹了夾馬口灌區概況和內部管理情況,指出了夾馬口泵站電磁流量計的不穩定性問題及造成的后果。并從流量計的工作原理入手,定性地分析了生產實際中發生的不正常現象;從理論計算角度,量化分析了流量計誤差率對應的水體含氣率,說明了流量計的穩定性對水體含氣率十分敏感。通過對比泉杜泵站前池和進水池結構,查找夾馬口泵站干擾流量計穩定性的因素,得出了流量計的誤差率是隨著前池泥沙淤積高度而增大的結論,并提出了相應的處置措施。

 
1灌區概況
        運城市夾馬口引黃管理局下轄夾馬口、小樊、泉杜三個灌區,水源統一由吳王泵站提供。夾馬口灌區由夾馬口泵站供水,泉杜泵站在夾馬口灌區一級干渠23+300處取水供給泉杜灌區,小樊灌區自成體系。1998年以來,管理局對灌區管理體制、經營機制進行了改革和創新,圍繞“農民增收、工程發展、職工受益”的“三贏”管理目標,實行“事企”分開。按照“水”的商品屬性和流程,實行“泵站生產水、灌區銷售水、農戶消費水”的市場化運作模式,形成了“模擬法人主體化、獨立核算企業化、層層買賣市場化、規范服務公開化”的管理模式。
 
        夾馬口干渠站與夾馬口泵站、泉杜泵站、支渠、干斗等在內部管理中屬于買賣關系,即夾馬口泵站生產的“水商品”經插入式電磁流量計批發給夾馬口干渠站,干渠站經管道電磁流量計躉售給泉杜泵站,經巴歇爾量水槽躉售給各支渠,經無喉道量水槽躉售給各干斗,最終由干斗、支斗將“水商品”零售給農戶。管理局對所轄泵站根據單耗(即單方水耗電量)指標進行獎罰考核,對干渠、支渠按千噸·公里損失(即每千噸水每運行1公里所損失的水量,相對干渠渠道水利用系數更科學,二者間可相互運算轉化)指標考核,對斗渠水量全額計費。
 
2存在的問題
        2009年夏澆,夾馬口泵站與夾馬口干渠站水量交接方式由人工流速儀測流變革為插入電磁流量計計量。
 
        流量計投入運行以后,給交接雙方管理者的總體印象是穩定性特別差、誤差特別大。2010年12月9~10日用流速儀校核的流量為2.0m3/s,而流量計卻平均偏大0.533m3/s,造成干渠站千噸·公里損失指標嚴重虧損。通過對2009年夏澆至2011年春澆年灌溉運行數據進行比較分析,初步摸索出了以下規律:千噸·公里損失指標正常時,干渠站和夾馬口泵站雙贏;指標浮動時,干渠站持平或虧損,夾馬口泵站虧損;指標失實時,干渠站嚴重虧損,夾馬口泵站單耗指標低于理論值范圍。
 
        流量計運行的不穩定性完全打破了內部管理平衡,造成管理指標嚴重失真,嚴重干擾了內部的正常管理秩序和管理方向。尤其是干渠站因水量無故虧損而受罰,挫傷了職工的積極性和創造性。
 
3問題剖析
3.1流量計工作原理
        流量計安裝于水泵出口的鋼制管件上,數字儀表置于調度值班室的儀表柜中;二者間用數據線連接,將流量計的流速信息傳輸到儀表,并計算、顯示相關運行數據。其工作原理是:將泵站壓力輸水管道的直徑參數輸入儀表計算出過水斷面面積,電磁場掃描通過流量計斷面的瞬時流速,儀表據此顯示水泵機組的瞬時流量和累計水量值。
 
3.2問題分析
        由流量計的工作原理可知:當管道中通過的流體全部為水時,儀表的顯示是準確無誤的,對應的千噸·公里損失指標正常;當水體中夾雜少量氣體時,機組由于氣蝕而效率下降,表現為泵站單耗上升、千噸·公里損失指標浮動;當含氣量大到一定的程度時,機組由于做功少而單耗下降,對應的千噸·公里損失指標則失實。
 
3.3誤差計算
        根據經驗總結,當水中混有1%空氣時,水泵效率下降5%~15%,當混入10%時,水泵就不能工作了。管道中水和氣的運行情況是十分復雜的,只能通過純物理理論來進行粗淺的分析和計算,計算的結果可以說明生產實際中發生的問題,下面以2011年6月22日的運行數據為例計算如下。
 
3.3.1運行參數
        夾馬口泵站運行機組7臺,單機流量1.110m3/s,日提水量737958m3,當日單耗0.275kW·h/m3;干渠站當日千噸·公里損失10.3841m3,按指標7m3核算日虧損40540m3。
 
3.3.2含氣率1%的水量誤差
        a.體積誤差。假設水中含氣率為1%,則過水斷面面積、流量、水量即誤差1%。
        b.物理誤差。以當日運行的6號管道的平均流量Q=4.439m3/s、1400管道面積A=1.539m2計算,管道中水平均流速v流量計=2.884m/s。
 
        由牛頓第二定律F=ma=Vρa可知,將壓力輸水管道中水和氣的作用力F和微小顆粒的體積V視為相等,則加速度a的大小由水和氣的密度ρ決定,由資料可查得在0.7MPa絕對壓力(夾馬口泵站揚程為70m)下常溫ρ氣=8.1837kg/m3、ρ水=1000kg/m3,則a氣=a氣公式
 
        由勻速直線運動公式vt=v0+at可知,假設水和氣經葉輪加壓后在水泵出口的起始速度相等且為零,則公式2,由此流量計測得的管道中水平均流速v流量計=2.884=v水×99%+122v水×1%,解得水體實際流速v水=1.305m/s,僅占v流量計的45.25%。
 
        c.合計誤差。因45.25%×99%=44.80%,則誤差率為55.20%。按2011年6月22日水量折算,多計水量為737958×55.20%=407353m3。
 
3.3.3以當日虧損水量折算水體含氣率
        折算的誤差率為40540/737958=5.49%。由此可知,體積誤差很小,可忽略以方便計算,則
        公式3
        設水體含氣率為x,則v水(1-x)+v氣x=v流量計,即2.726(1-x)+122×2.726x=2.884,解得x=0.00048=0.48‰。
 
3.3.4結果說明
        a.在1%含氣率的假定下,理論計算的誤差率55.20%即為水泵效率的下降值,是經驗值5%~15%最大值的近4倍,恰恰證明了泵體和管路中水和氣運動狀態的復雜性,單單依靠理論計算是不能完全解釋清楚的。
        b.以2011年6月22日運行數據算得的水體含氣率0.48‰,雖然不是十分準確,但能證明電磁流量計的穩定性對水體含氣率十分敏感。
 
4 干擾因素
4. 1 進水池攔污柵
        從實際運行效果來看,泉杜泵站安裝的管道電磁流量計的穩定性遠遠好于夾馬口泵站的插入式電磁流量計。
 
        泉杜泵站前池結構按設計對稱布置,且設有隔墩;夾馬口泵站經 1998 年增容改造,前池基于原開放結構在右側增加了兩臺機組,非對稱布置,因此泉杜泵站前池及進水池水的流態要好于夾馬口泵站。根本的區別在于攔污柵的布置。泉杜泵站在取水口和前池進口設有兩道攔污柵,對進水池水的流態沒有干擾;夾馬口泵站原設有進水閘、前池進口和水泵進口(管口焊有鐵箅子)三道攔污柵,2000 年在進水閘安裝了撈污機,取消了前池和水泵進口的攔污柵,增設了進水池攔污柵(見下圖),其結構雖優于原鐵箅子攔污,但嚴重擾亂了進水池中水的流態,使水體含氣率急劇上升,進而影響水泵的效率和流量計的穩定性。具體的因素有以下兩點:
夾馬口泵站進水池結構圖 (單位尺寸:cm; 高程:m)
a. 柵前污物堵塞,減小了進水池過水斷面面積,流水不暢,進水池中易進氣;污物量與進氣量成正增長關系。
 
b. 柵前污物堵塞,造成柵前泥沙淤積逐年上升,
        目前已達 4m 高,人為將進水池變為集水井;當淤積達到一定高度時,進水池的進水量滿足不了水泵抽水量時,機組便不能正常運行;柵前淤積高度與進氣量成正增長關系。
4. 2 前池泥沙淤積
        由于進水池攔污柵人為抬高了前池的泥沙淤積,因此在機組輪換時,尤其是在輪換不同管路中的機組時,水流要改道形成新的沖溝,流態紊亂造成水體含氣率突增,流量計的穩定性即刻改變;流量愈大整流時間愈短,流量愈小流量計恢復得愈慢。
4. 3 機組的運行工況
        機組的進氣量同樣會影響流量計的穩定性,因此要對機組及時進行維護和保養,避免水泵效率下滑和失穩。
 
5 結論
        a. 前池泥沙淤積高度影響著進水池中水的流態,決定著水體含氣率,進而干擾了流量計的穩定性,并且流量計的誤差率是隨前池泥沙淤積高度而增大的,這個因素是根本性、持續性和長期性的;機組輪換和維護因素具有一定的時效性,排除了則無影響。
        b. 基于夾馬口泵站進水池目前的結構,一個周期內,前池泥沙淤積高度保持不變,流量計相對是穩定的;小流量運行,前池淤積上升,流量計誤差增大,大流量時則相對減小。前池淤積高度總體是抬升趨勢,因此應定期用流速儀對流量計進行校核,或通過實際運行數據調整流量計儀表系數,保持內部管理和水量交接的平衡和穩定。
        c. 拆除進水池攔污柵是根本措施,為了保證攔污效果,可增設前池進口攔污柵。
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