修正泵站流量测量结果的方法与流程

本发明涉及泵站流量控制技术领域，特别是涉及一种修正泵站流量测量结果的方法。

背景技术：

随着我国南水北调及其配套工程的建设，对大型泵站需求越来越多。泵站运行流量是关乎泵站高效稳定运行的重要参数。如何精确测量典型工作状态下大型泵站的流量是亟待解决的问题。

对于大口径管道式进出水系统，通常采用基于传播时间法的超声波流量计来测试泵站流量。它具有安装方便、非接触式无流动阻扰和压能损失、管径适应范围大等优点，在大型泵站上得到了广泛的使用。但该方法对测量断面水流状态要求非常高，理论上希望其测量断面为充分发展的分布均匀的湍流流动。这对安装条件提出了苛刻的要求，即要求被测通道位置前后的直管段较长，且无大尺度旋涡流动干扰。同时，其测量精度等级与声道数密切相关，但声道数越多，设备的价格就越高。

但实际泵站由于投资，设备布局的方面的限制，经常无法满足超声波流量计理想的安装要求，而且测量声道基本都在4声道以下。这样不可避免地会对泵站现场流量测量带来系统误差。如果依据流量测量结果调节泵站运行，可能使泵站偏离运行工况，使得能耗变大，增大泵站运行成本。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种修正泵站流量测量结果的方法，以克服现有技术中超声波流量计测量结果系统偏差大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种修正泵站流量测量结果的方法，包括：

s1、获取泵站系统流道的三维模型；

s2、对所述三维模型进行网格划分；

s3、结合边界条件模拟计算获得多个工况状态的数据，所述数据包括模拟声道线沿管路轴向方向的平均速度v线和所述模拟声道线中点所在管断面的法向平均速度v面；计算获得对应修正系数η；

s4、生成修正系数-流量关系曲线，所述流量为模拟声道线上的流量q模拟；

s5、获取超声波流量计实际测得的流量值q测量，基于设定关系式对q测量进行修正。

其中，所述系数η通过公式(1)获得：

其中，设置所述边界条件前，还包括进行所述网格的无关性检查。

其中，所述系统流道包括前池、进水池、进水管、泵、出水管、压力箱、爬山管、出水池。

其中，所述进水管连接有进口阀门，所述出水管连接有出口阀门。

其中，所述进口阀门和/或所述出口阀门为蝶阀。

其中，所述边界条件包括：所述前池、进水池和出水池的自由液面采用刚盖假定处理，剩余壁面设置为固体壁面，规定所述固体壁面边界无滑移；所述泵包括叶轮，与所述叶轮的交界面设置为定转子交界面，剩余交界面设置为固定交界面；所述前池的进口流量设置为进口边界条件，所述出水池的压力出口设置为出口边界条件。

其中，所述工况状态基于多个所述进口流量。

其中，所述设定关系式基于公式(2)：

q修正＝ηq测量(2)；

其中，q修正为修正后的流量值；q测量为超声波流量计实际测得的流量值。

(三)有益效果

本发明提供的修正泵站流量测量结果的方法，通过对泵站系统流道进行不同工况下的流体动力学仿真，得到模拟声道线上沿管路轴向方向的平均速度，和声道线中点所在管断面的法向平均速度，进而通过二者间的关系获得超声波流量计实际测量值和修正值之间的关系，并通过对获得的多个修正系数拟合出修正系数与实际测量的流量值之间的对应曲线，最终实现测量的数据的修正。本发明提供的方法，使得泵站使用的超声波流量计测得的数据得到了修正，提高了数据的精度，减小了泵站现场流量测试的误差，使泵站的运行更加稳定和节能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的修正泵站流量测量结果的方法流程图；

图2为本发明实施例中泵站流体域流量测量系统示意图；

图3为本发明实施例中超声波流量计模拟声道位置示意图；

图4为本发明实施例中修正系数与实际测得的流量的关系曲线图；

图5为图2局部放大示意图；

图6为超声波流量计测量原理示意图；

图中，1、前池；2、进水池；3、进水管；4、泵；5、出水管；6、压力箱；7、声道；8、爬山管；9、出水池；10、进口阀门；11、出口阀门；701、第一模拟声道；702、第二模拟声道；703、第三模拟声道；704、管断面；705、模拟声道中点；706、第一声道传感器；707、第二声道传感器；708、第三声道传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

流量是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量，即流量是相对一个固定的截面来计算的。现有技术中，泵站流量通常通过超声波流量计测量，根据超声波流量计测量原理，超声波流量计测得的速度是声道上的平均流速，而因为声道具有一定长度，所以测量得到的流量值并不能精确地反应一定时间内通过一个断面的真实流量，进而导致流量计测量结果与实际结果有系统偏差。本发明实施例提供一种对该系统偏差进行修正的方法，通过运用计算流体动力学仿真技术cfd(computationalfluiddynamics)，实现对系统泵站超声波流量计测流量过程的模拟。

图1为本发明实施例中一种修正泵站流量测量结果的方法流程图；图2为本发明实施例中泵站流体域流量测量系统示意图；图3为本发明实施例中超声波流量计模拟声道位置示意图；图4为本发明实施例中修正系数与实际测得的流量的关系曲线图；图5为图2局部放大示意图；图6为超声波流量计测量原理示意图。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种修正泵站流量测量结果的方法，包括：

s1、获取泵站系统流道的三维模型。

在泵站运行过程中，液体流经的地方均可称为泵站系统流道。在进行计算模拟前，首先需要获取泵站系统流道的三维模型，该三维模型可以是在三维建模软件中建立完成的，通过导入的方式导入至仿真软件中，也可是直接在仿真软件中建立的三维模型。本实施例中，泵站系统流道包括前池1、进水池2、进水管3、泵4、出水管5、压力箱6、爬山管8、出水池9，如图2中所示。其中，进水管连接有进口阀门10，出水管连接有出口阀门11，方便对管路中的流体进行控制，如图5中所示。优选的，进口阀门和出口阀门采用蝶阀，或其中之一采用蝶阀。

s2、对所述三维模型进行网格划分。

本实施例中，三维模型通过三维建模软件建立。将建立好的三维模型导入仿真软件中，例如导入至fluent中，然后对各流道进行网格划分。划分网格过程中，可依据实际需要对部分网格进行细化。此外，为保证仿真结果的准确性，在进行正式的数据仿真前，需对划分好的网格进行无关性检查。例如将超声波流量计设置在出水管5中时，声道7即位于出水管5中。进行无关性检查过程中，设定好边界条件后，进行数值计算，此时的边界条件不需要与实际情况相符，只需要保证在无关性检查过程中，只改变网格划分细密程度，不改变边界条件。仿真得到数据后，画出第一模拟声道701的声道线，如图3中所示。若模拟声道中点705处的流体速度随着网格变化得到的速度的变化率不超过0.5％，则表明此时计算得到的模拟数据基本不受网格的细密程度的影响，此时即可进入正式的模拟运算。在网格无关性检查合格的基础上，网格的边界层尺度y⁺位于30-500之间，y⁺是壁面距离和摩擦速度与运动粘度的无量纲比值。

s3、结合边界条件模拟计算获得多个工况状态的数据，所述数据包括模拟声道线沿管路轴向方向的平均速度v线和所述模拟声道线中点所在管断面的法向平均速度v面；计算获得对应修正系数η。

对三维模型划分了合格的网格后，开始进行计算前的边界条件设置步骤，即进行参数的设置。其中，重要的边界条件设置包括：控制方程选用标准k-ε模型；前池1、进水池2和出水池9三个流道中液体的顶面不受约束而成为自由液面，仿真过程中，该部分自由液面采用刚盖假定处理，刚盖假定处理即不考虑水面波动影响的情况，只考虑自由面的切向速度，忽略法向速度。除自由液面外，其余边界面在实际中因受约束而称为壁面，剩余壁面设置为固体壁面，并规定固体壁面边界无滑移。泵4中包括叶轮，仿真过程中，液体与叶轮的交界面设置为定转子交界面，剩余交界面设置为固定交界面；前池1的进口流量设置为进口边界条件，出水池9的压力出口设置为出口边界条件；采用定常计算，迭代至少1000步，收敛残差值设置为10^-5。不同的工况状态下，前池1的进口流量设置值不同，其余参数设置方式不变，这样能得到多个工况下的数据。获得的数据包括：模拟声道线沿管路轴向方向的平均速度v线和所述模拟声道线中点所在管断面的法向平均速度v面。

超声波流量计的工作原理是：在一定长度的声道长度l下，超声波在流动的液体中顺流传播与逆流传播的时间不同，通过测量顺流和逆流之间的时间来间接测量液体流速。

如图6所示，设超声波在静止液体中的传播速度为c，液体速度为v，a为超声波发射点，b为接收点，超声波声道长度为l，声道与管路夹角为α；

则，顺流时，即从a到b，超声波传播时间为t1：

逆流时，即从b到a，超声波传播时间为t2：

得超声波流量计测得的液体流速v：

通过模拟，可实现实际测得的液体流速v超声波与仿真过程中得到的模拟声道线上沿管路轴向方向的平均速度v线相同。

取值过程中，需要严格画出声道7位置所在的线，如图3中所示，多条声道就画出多条模拟线，本实施例中设置三条声道，画出3条模拟声道线，表示实际测量时该位置设置的超声波流量计有三组声道传感器，分别为第一声道传感器706、第二声道传感器707、第三声道传感器708，如图3中所示。画出的三条模拟声道分别为第一模拟声道701、第二模拟声道702、第三模拟声道703，分别在三条声道上获得沿管路轴向的平均速度后求均值，得平均的v线，再画出声道中点处的管断面704，得出管断面704处的法向平均速度v面。

设断面处截面积为s，令：

其中，v断面是声道中心点截面的法向平均速度，v超声波是指声道上的平均速度。这样在模拟量与实际测量量相同或非常接近的情况下，即建立起模拟量与实际测量量之间的关系，即可通过该公式得到修正后的流量值。为了后续应用方便，至少需要获得十个工况下的修正系数η。

s4、生成修正系数-流量关系曲线，流量为模拟声道线上的流量q模拟。

运用最小二乘法得出修正系数η和模拟得到的流量q模拟的拟合曲线图，如图4中所示。

其中，q模拟由公式(1-5)获得：

q模拟＝sv线(1-5)

s5、获取超声波流量计实际测得的流量值q测量，基于设定关系式对q测量进行修正。

获得曲线后，即可实现流量值修正。获取超声波流量计实际测得的流量值q测量，此时的q测量与q模拟是相同的，读取实际测量的流量值q测量后，在曲线坐标上找到相同的流量值，进而获得对应的修正系数，然后通过特定的关系式实现流量值的修正。其中，设定的关系式基于公式(1-6)：

q修正＝ηq测量(1-6)。

其中，q修正为修正后的流量值；q测量为超声波流量计实际测得的流量值。

本发明提供的修正泵站流量测量结果的方法，通过对泵站系统流道进行不同工况下的流体动力学仿真，得到模拟声道线上沿管路轴向方向的平均速度，和声道线中点所在管断面的法向平均速度，进而通过二者间的关系获得超声波流量计实际测量值和修正值之间的关系，并通过对获得的多个修正系数拟合出修正系数与实际测量的流量值之间的对应曲线，最终实现测量的数据的修正。本发明提供的方法，使得泵站使用的超声波流量计测得的数据得到了修正，提高了数据的精度，减小了泵站现场流量测试的误差，使泵站的运行更加准确稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。