降低水力机械模型试验台流量计小流量校准误差的方法

赵　越，明　君，赵英男，覃大清，明　亮，聂文昭（. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 50040；. 哈尔滨体育学院，哈尔滨 50008；. 国家电网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 700）



降低水力机械模型试验台流量计小流量校准误差的方法

赵越1，明君2，赵英男1，覃大清1，明亮3，聂文昭3
（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨体育学院，哈尔滨 150008；3. 国家电网山东省电力公司济宁供电公司，山东 济宁 272100）

[摘要]在水力机械试验台上，由于水泵在小流量范围内存在着一个不稳定的区域，所以水泵及其调速电机的运行状态直接决定着流量计在小流量区域的校准误差。本文根据水泵的运行特性，提出改变水力机械试验台的校准系统管路的阻尼，使水泵工作在其工作特性曲线的负斜率稳定区域内，从而使得校准系统管路中流经流量计的水流稳定。利用此方法，通过试验结果来看达到了提高水力机械试验台流量计校准精度的目的。

[关键词]水泵；阻尼；流量计；校准误差

Key word: pump; damping; flow meter; calibration accuracy

0　引言

水力机械模型试验台主要工作参数有水头（扬程）、流量、转矩和转速等，其中流量是水力机械模型试验台最重要的试验参数，必须定期对流量测量设备——流量计——进行原位校准。水力机械模型试验台校准系统如图1所示，水力机械模型试验台流量计4的校准过程是：将调速电机2稳定在某一转速，也就是供水泵1泵出的水量稳定时，调速电机2拖动供水泵1将水槽3中的水抽入管路系统中，水流流经流量计4通过标准流量检测系统6后再流回水槽3。利用在不同流量下流量计4输出电信号与标准流量检测系统6所对应显示的标准流量，即可完成建立起流量计4输出电信号与流量对应关系的工作，也就是建立起流量计4输出电信号对应流经流量计4的水流量之间的对应关系，这就是水力机械模型试验台流量计4校准的目的。

图1　水力机械模型试验台校准系统

通常采用分析流量计4的流量校准误差的方法来对水力机械模型试验台流量计4的校准结果进行评价。即，将每一个流量下的流量计4的输出电信号和对应的标准流量检测系统6测量的流过流量计4的流量值，即流量计的校准结果，拟合出流量计4的输出电信号对应标准流量检测系统6测量的流过流量计4的流量值的关系曲线。按此关系曲线即可按下式计算出水力机械模型试验台流量计4的流量校准误差：

式中：

er——流量计4的流量校准误差；

Qm——标准流量检测系统6测出的流量标准值；

Qc——根据按最小二乘法拟合出的流量计4的输出电信号，对应标准流量检测系统6测量的流过流量计4的流量值的关系曲线，计算出的流量计的流量值。

以标准流量检测系统6测出的流量值Qm为横坐标、流量计4的流量校准误差er为纵坐标绘制在图2上。对绘制在图2上的流量计4的流量校准误差er进行评价：流量计4的流量校准误差er越接近零，则表明其校准精度越高；流量校准误差er数值越大，则表示其校准精度越差。一旦流量校准误差er超出理论校准曲线上限8和理论校准曲线下限7所围成的范围内，则判定该校准结果无效，流量计4不允许在该流量下使用。

其中:Ps为地面气压(hPa);f(φ,h0)=(0.002 66cos2φ-0.000 28h0),φ为GPS接收站的纬度,h0为相对于旋转椭球体的地基GPS测站高度(km)。

图　2

现有常规的水力机械模型试验台流量计4的校准结果均如图2所示，即绝大多数流量下流量校准误差er均位于校准误差上限8和校准误差下限7所围成的范围内，只有最左侧小流量点的流量校准误差er超出了校准误差上限8，因此，常规的水力机械模型试验台流量计4往往不能够在小于某一小流量下正常使用。这就极大地限制了水力机械模型试验台的工作范围，因此，很有必要对水力机械模型试验台中的流量计4在小流量点的校准误差超限问题进行分析并采取措施进行改进。

1　改进的思路

图1所示的水力机械模型试验台中的流量计4的校准程序为：

（1）启动标准流量检测系统6和调速电机2；

（2）将调速电机2稳定在供水泵1的运行范围内的某一转速下带动供水泵1稳定运行；

（3）供水泵1将水槽3中的水抽入管路系统中，水流流经流量计4通过标准流量检测系统6后再流回水槽3。如此循环往复；

（4）待系统稳定后，利用标准流量检测系统6测量此时流过流量计4的流量值，同时采集流量计4的输出电信号；

（5）判断流量的校准点数是否已满足要求，若是，则转入步骤7，否则，根据校准的流量不同，调整调速电机2的转速改变供水泵1向管路系统中的泵水量，即改变流过流量计4的水流量，重复步骤2至步骤4的操作；

（7）关闭标准流量检测系统6和调速电机2。

从水力机械模型试验台中的流量计4的校准程序可知，在流量计4的校准过程中，其他设备的工作状态均是相同的，仅有由调速电机2和供水泵1组成泵组的转速是可调节的，而由调速电机2和供水泵1组成的泵组的转速直接决定了通过水力机械模型试验台管路系统，即流量计4的流量大小和波动情况，也就是由调速电机2和供水泵1组成的泵组的运行状态就直接决定了水力机械模型试验台中的流量计4的校准误差的大小。只要能够保证组成泵组的调速电机2和供水泵1均处于稳定状态，就应该可以实现校准误差er位于理论校准曲线上限8和理论校准曲线下限7所围成的范围内的目的。由于调速电机2的转速能够控制得非常准确，且供水泵1在小流量范围内存在着一个不稳定的区域，因此，只要提高了供水泵1在小流量区域的稳定性也就可以实现降低水力机械模型试验台流量计4的校准误差的目的。

2　进一步分析

水力机械模型试验台中的供水泵1的稳定工作区域是通过如图3所示的供水泵1的工作性能曲线来表示的。供水泵1的工作性能是通过在定转速下流量Q与扬程H间的关系来区分供水泵1的稳定工作区域和不稳定工作区域的。供水泵1的稳定工作区域为：供水泵1的工作性能曲线对应扬程H、流量Q处的切线的斜率为负值，即供水泵1的工作性能曲线在点（Q， H）处的导数，时，也就是随着流量Q的减小，扬程H呈单调上升趋势，扬程H与流量Q呈一一对应关系。此时，如图3所示，从供水泵1的工作性能曲线来看，对于某一个特定扬程H1而言，仅有一个流量Q1与之对应。上述供水泵1的稳定工作区域覆盖所有大流量区域、极小流量区域和绝大部分小流量区域。但在某段小流量区域内，作为供水泵本身的特性，会出现一种供水泵1的工作性能曲线对应扬程H、流量Q处的切线的斜率为正值，即供水泵1的工作性能曲线在点（Q，H）处的导数的不稳定现象，即随着流量的减小，扬程反而降低。在此不稳定区域内，扬程H与流量Q不再呈现出一一对应关系，也就是从供水泵1的工作性能曲线来看，对于某一个特定扬程H2而言，在一个相对较小的流量变化范围内，会有多个流量Q2、Q3和Q4与之对应。此特性决定了供水泵1在该区域内会出现不稳定的工作状态。

常规的水力机械模型试验台流量计4校准时供水泵1的工作性能曲线如图4所示。曲线11、曲线12和曲线13分别表示不同转速时供水泵1的工作特性曲线。不同转速下的供水泵1的工作特性曲线的扬程H与流量Q的变化趋势是完全相同的，只不过随着转速的增加，供水泵1的工作特性曲线越来越向图4的右上角平移而已，即供水泵1的转速越高，一定流量Q下所对应的扬程H就越高。供水泵1所能提供的流量不但与转速有关，还与该流量下水力机械模型试验台校准系统的阻尼曲线有紧密的联系。图4中的曲线14，水力机械模型试验台校准系统不同流量下的阻尼曲线，与供水泵1的工作特性曲线：曲线11、曲线12和曲线13的交点所对应的流量（Qa、Qb和Qc）即为该转速下从供水泵1泵入水力机械模型试验台中校准系统管路中流经流量计4的流量。从图4中可以发现，流量较大时，即Qb和Qc点处，对应供水泵1的工作特性曲线，即曲线12和曲线13的斜率为负，即处于的区域，也就是处在供水泵1的稳定工作区域。而在流量较小的Qa点处，对应供水泵1的工作特性曲线，即曲线11的斜率为正，即恰好处于的区域，也就是处在供水泵1的不稳定工作区域，图2中所示的小流量时校准误差er超出了理论校准曲线上限8的原因就是由于供水泵1处于工作特性曲线正斜率区的不稳定工作区域内所致。

图　4

图　3

3　具体措施

综上所述，为了降低水力机械模型试验台流量计4的校准误差，就必须采取措施使诸如图4所示的Qa点之类的对应于供水泵1的工作特性曲线正斜率区不稳定区域的小流量点位于工作特性曲线的负斜率区的稳定区域内。由于进入水力机械模型试验台校准系统管路系统，也就是流量计4的流量取决于管路系统的阻力，即阻尼，同供水泵1运行状态的匹配关系，水力机械模型试验台校准系统管路系统的阻尼决定了供水泵1的扬程，即管路系统的阻尼与供水泵1的扬程相等，即如图4所示管路系统的阻尼曲线14与供水泵1的工作特性曲线11、曲线12和曲线13的交点a、b 和c所对应的供水泵1的扬程即为此工况下的供水泵1的扬程，而对于常规的水力机械模型试验台校准系统的管路系统而言，由于其阻尼曲线14是不可调节的，对于供水泵1的转速变化，也就是不同的工作特性曲线11、曲线12和曲线13，流量只能是管路系统的阻尼曲线14与供水泵1的工作特性曲线11、曲线12和曲线13的交点a、b和c所唯一对应的Qa、Qb和Qc值，不可能出现其他的可能性。而在校准诸如Qa这样的小流量时，如果能够改变水力机械模型试验台校准系统管路系统的阻尼，使整个管路系统的阻尼增大，如图5所示，也就是随着流量的增加，管路系统的阻尼曲线14向供水泵1的工作特性曲线的左上方倾斜，即图5中的管路系统的阻尼曲线15，并相应提高供水泵1的转速，也就是使在预期小流量Qa下，管路系统的阻尼曲线14与供水泵1的工作特性曲线不仅可以是相交在曲线11上，而且还可以是相交在如图5所示的曲线13上的d点，此时，由于管路系统的阻尼曲线15与供水泵1的工作特性曲线13的交点d同样对应于小流量Qa，且此时由于曲线13上的d点位于负斜率稳定区域内而非曲线11上的a点所处的正斜率不稳定区域内，就从理论上保证了同样是小流量Qa，由于供水泵1能够工作在其工作特性曲线的负斜率稳定区域内，从而使此时进入水力机械模型试验台校准系统管路系统，即流量计4流量的稳定，进而达到降低水力机械模型试验台流量计4校准误差的目的。

如图6所示，在水力机械模型试验台校准管路系统加装阻尼调节器5。当供水泵1运行在稳定区域时，阻尼调节器5不动作。管路系统阻尼不发生变化。流量计4的校准程序与未加装阻尼调节器5的常规水力机械模型试验台流量计4的校准程序相同。当供水泵1运行在小流量不稳定区域时，如图6所示，调节阻尼调节器5，提高整个水力机械模型试验台校准管路系统的阻尼并相应提高供水泵1的转速，在保证进入校准管路系统流量不变的前提下，使供水泵1工作在其稳定工作区域，从而确保进入校准管路系统流量的稳定，进而降低了水力机械模型试验台流量计小流量校准的误差。

图　5

图　6

在水力机械模型试验台流量计校准管路系统中增加阻尼调节器5后，水力机械模型试验台流量计按如下操作程序进行校准：

（1）启动标准流量检测系统6和调速电机2；

（2）将调速电机2稳定在供水泵1的运行范围内运行；

（3）稳定运行的供水泵1将水槽3中的水抽入管路系统中，水流流经流量计4通过标准流量检测系统6后再流回水槽3，如此循环往复；

（4）待系统稳定后，利用标准流量检测系统6测量此时流过流量计4的流量值，同时采集流量计4的输出电信号；

（5）判断流量的校准点数是否已满足要求，若是，则转入步骤7，否则，将流量计4的流量校准误差er与理论校准误差上限8和理论校准误差下限7进行比较：如果校准误差er位于理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的范围内，则根据需校准的流量不同，调整调速电机2的转速改变供水泵1向管路系统中的泵水量，即改变流过流量计4的水流量，重复步骤2至步骤4的操作,一旦某小流量Qi的校准误差er位于理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的范围之外，则执行步骤6；

（6）阻尼调节器5动作，增加管路系统的阻尼，同时提高调速电机2的转速，使流过流量计4的流量达到Qi，与此同时，再次将此时流量计4的流量校准误差er与理论校准误差上限8和理论校准误差下限7进行比较，如果流量校准误差er位于理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域内，则返回步骤5，如果流量校准误差er仍然没有落在理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域内，则继续调解阻尼调节器5以增加管路系统的阻尼，并同时继续提高调速电机2的转速，使流过流量计4的流量达到Qi，直至使流量校准误差er落在理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域内为止，返回步骤5；

（7）关闭标准流量检测系统6和调速电机2。

在水力机械模型试验台校准管路系统中加入阻尼调节器5，可以通过调节阻尼调节器5增加管路系统的阻尼，也就是在相同的流量下，提高整个水力机械模型试验台校准管路系统的阻力，从而使管路的阻尼曲线15在相同的流量下向图5的左上方偏移。当某一转速下供水泵1泵出的水量稳定时，阻尼调节器5不工作，调速电机2拖动供水泵1将水槽3中的水抽入管路系统中，水流流经阻尼调节器5、流量计4再通过标准流量检测系统6后流回水槽3。当供水泵1泵出的水量较小且出现不稳定状况，即图5中所示的阻尼曲线14同供水泵1的工作特性曲线11的交点a处所对应的流量Qa，阻尼调节器5开始工作，提高整个水力机械模型试验台校准管路系统的阻尼，即在相同的流量下，整个水力机械模型试验台校准管路系统的阻力会提高，同时通过调速电机2相应提高供水泵1的转速，改变了校准管路系统的阻尼曲线和供水泵1的工作特性曲线。当阻尼特性改变后的阻尼曲线15同转速提高后的供水泵1的工作特性曲线13交点d处所对应的流量也达到Qa时，由于供水泵1工作在其工作特性曲线的负斜率稳定区域内，就可以保证此时进入水力机械模型试验台校准系统管路系统，即流量计4流量的稳定，从而从理论和工程上实现了降低水力机械模型试验台流量计4校准误差的目的。

4　效果验证

比较加装阻尼调节器5前后的水力机械模型试验台中的流量计4的校准程序可以发现，采用本文中所论述的方法后，对水力机械模型试验台中的流量计4进行校准时，绝大部分步骤是相同的。只不过对于未采用本方法时，一旦出现流量计4在小流量时的流量校准误差er超出理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域时，只能采取禁止流量计4在该流量下使用的方法，这就极大地限制了流量计4的适用范围。而采用本发明公开的方法后，除去需在水力机械模型试验台流量计校准管路系统中加装一台阻尼调节器5外，仅仅需要当流量计4在小流量时的流量校准误差er超出理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域时，调解阻尼调节器5以增加管路系统的阻尼，并同时提高调速电机2的转速，使该流量下流量计4的流量校准误差er落在理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域内，就可以保证在流量计4在全部流量范围内均能够正常使用。加装阻尼器5后流量计4的流量校准误差如图7所示。

图　7

比较图2和图7可以发现，采用本文介绍方法后，在保证大流量区流量校准误差er没有发生变化的同时，还能够使供水泵1进入校准管路系统中的水流在小流量时仍然可以工作在稳定区域，避免由于供水泵1工作在不稳定区域所造成的进入校准管路系统中的水流在小流量时的波动现象，使整个流量范围内的流量校准误差er均位于理论校准误差上限8和理论校准误差下限7所围成的区域内，从而从理论和工程上均达到了降低了水力机械模型试验台流量计小流量校准误差的目的。

[参 考 文 献]

[1]GB-15613, GB/T15613, 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验[S].

[2]JJG-2000, 液体流量标准装置检定规程[S].

赵越（1967-），1988年毕业于吉林工业大学，现从事水轮机设计、水轮机现场及模型测试工作，高级工程师，哈尔滨电机厂大电机研究所水轮机室副主任。

审稿人：魏显著

Improvement for the Flow Meter Calibration Accuracy of the Low Flow in the Hydraulic Test Stand

ZHAO Yue1, MING Jun2, ZHAO Yingnan1, QIN Daqing1, MING Liang3, NIE Wenzhao3
(1. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China; 2. Harbin Sport University, Harbin 150008, China; 3. State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272100, China)

Abstract:The unstable operating range of the pump for the low flow may be used of the hydraulic test stand during the flow meter calibration. So it is determined for the flow meter calibration accuracy of the low flow with the operating characteristic of the pump and the control generator. In this paper, according to the pump operating characteristic, the method of changing the calibration pipeline damping is proposed to keep the flow stable that passing through the flow meter. Using the method, the more accurate calibration result is obtained with the test.

[作者简介]

[收稿日期]2015-03-13

基金项目：600kW海底式潮流发电整机制造(GHME2010CY01)

[中图分类号]TK730.7

[文献标识码]A

[文章编号]1000-3983(2016)01-0039-05