CN109594521B - 一种高精度流量控制宽水槽生潮系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度流量控制宽水槽生潮系统及控制方法，该系统包括设置在地面以上的宽水槽、调节水体的地下主体结构、若干生潮控制设备和控制终端。地下主体结构包括回水廊道、消能室、过渡室、设备室，所述消能室内设置“梳”形结构墙，所述生潮控制设备布置在所述设备室内连接过渡室和消能室，所述生潮控制设备包括双向潜水贯流泵、电控蝶阀、电磁流量计、刚性套管。本发明能够快速响应水位陡升、陡降变化过程，并通过检测系统的反馈数据实现闭环控制，实时纠正水位和流量误差，流量水位控制精度较高，运行稳定，能够很好地服务于河口海岸工程物理模型试验研究。

Description

一种高精度流量控制宽水槽生潮系统及控制方法

技术领域

本发明属于河口、海岸工程物理模型试验领域，特别涉及一种高精度流量控制宽水槽生潮系统及控制方法。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展，河口、海岸地区涌现出了众多的涉水工程。物理水槽是河口海岸涉水工程科学研究的重要试验设施，水槽的应用发展已有近百年的历史，水槽试验研究的成果质量与水槽的控制精度、控制方式息息相关。

多年来，国内河口海岸涉水工程的物理模型试验大多在0.5m～4m宽的窄水槽内进行，窄水槽基本可以满足一般水流和波浪条件下的断面试验，然而近年来河口海岸工程中大跨度结构出现频次增多，现有水槽因宽度有限而不能够容纳大尺度结构模型，水槽边壁效应对试验结果的影响越发突出。在此背景下，建设宽水槽势在必行，但由于宽水槽横向尺度较宽，在试验过程中横向水面很难保持一致，若延用窄水槽广泛使用的水位控制技术则误差较大，不利于试验精度的控制。目前，流量控制已成为河口海岸物理模型试验最可靠的控制方式，如何实现流量的高精度控制则是衡量一个宽水槽实用功能的主要指标，且河口海岸水动力条件复杂，影响因素众多，流量控制需要同时满足流量大、响应快、精度高等技术要求。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术存在问题，提供一种高精度流量控制宽水槽生潮系统及控制方法，所述装置适用性强，造价低，操作简单；所述方法能够简便、快速地操作试验装置，进行河口、海岸物理模型试验研究。

本发明提供的技术方案是：一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，该系统包括设置在地面以上的宽水槽、调节水体的地下主体结构、若干生潮控制设备和控制终端；所述地下主体结构包括回水廊道、消能室、过渡室、设备室，所述回水廊道布置在所述宽水槽正下方，一对消能室对称设置在回水廊道内圈的左右两侧，一对设备室对称设置在回水廊道外圈的左右两侧，设备室和回水廊道通过过渡室相连通，所述消能室与宽水槽的进出水口相连通；每个设备室上均设置若干生潮控制设备，所述生潮控制设备包括双向潜水贯流泵、电控蝶阀、电磁流量计、变频器；所述双向潜水贯流泵的一端安装电控蝶阀，双向潜水贯流泵的另一端安装电磁流量计，电控蝶阀通过管道与过渡室相连通，电磁流量计通过管道与消能室相连通，每个双向潜水贯流泵连接一个变频器，电控蝶阀、电磁流量计以及所有变频器均与控制终端相连。

进一步的，所述消能室内设置“梳”形结构墙，“梳”形结构墙的凹槽与生潮控制设备一一对应。

进一步的，所述消能室布置在所述宽水槽的进出水口下方。

进一步的，所述过渡室顶部设置通气孔，底部设置集水坑，侧墙布置上下水管路。

进一步的，所述还包括刚性套管、三个管道，电控蝶阀通过第一个管道与过渡室相连通，所述双向潜水贯流泵的一端通过第二个管道与电控蝶阀相连通，所述双向潜水贯流泵的另一端通过第三个管道与电磁流量计的一端相连通，电磁流量计的另一端通过刚性套管与消能室相连通。

进一步的，所述双向潜水贯流泵的流量应满足：

Q_m>(V_max)_m×(h_max)_m×B_m+Q₀

式中，Q_m为宽水槽流量(m³/s)；(V_max)_m为宽水槽最大流速(m/s)；(h_max)_m为宽水槽最大水深(m)；(h_min)_m为最小水深(m)；B_m为宽水槽过水断面宽度(m)；Q₀为富裕泄水量(m)。

进一步的，所述变频器采用电流矢量控制，可分别独立控制双向潜水贯流泵的励磁电流和转矩电流。

进一步的，所述刚性套管是钢管外加翼环，装于试验水池混凝土墙内，用于造流管道穿墙，所述刚性套管和墙体均通过止水环相连。

本发明的原理是：本发明宽水槽的上下游都布置一定数量的双向潜水贯流泵，双向潜水贯流泵工作时，水泵的流速方向可以实时改变，通过调节双向潜水贯流泵流量以及流速方向，可以实现宽水槽水位和流速、流向的快速变化。一般天文潮模拟时，上下游双向潜水贯流泵同时向宽水槽供水，接近预设水位后，根据预设流速方向，调节下游水泵流量至改变流向，然后再通过调节上下游双向潜水贯流泵的流量差异，实现精确水位和流量模拟；遭遇极端气象条件如风暴潮等，历时短，强度大，根据实验时间比例尺换成模型模拟时间，水泵反应时间跟不上，此时需通过调节电控蝶阀来快速改变上下游两端流量差异，然后再配合双向潜水贯流泵，待两端水泵达到指定流量。水位陡降时，工作原理基本类似。上述的双向潜水贯流泵的调节、电控蝶阀启闭均由控制终端计算并发出指令来控制。

本发明还提供一种高精度流量控制宽水槽生潮系统的控制方法，所述控制运行方法可分为手动生潮模式和自动生潮模式；

所述手动生潮模式可应用于模拟恒定流量，具体过程如下：

a.用户统一设置所有双向潜水贯流泵的固定目标流量；

b.控制终端将目标流量转换成对应的控制信号，传输到变频器中；

c.试验开始后，宽水槽两端双向潜水贯流泵统一向宽水槽注水，待达到指定水位后，上游双向潜水贯流泵流量调节到目标流量，下游双向潜水贯流泵则反转调节到目标流量；

d.在生潮过程中，控制终端通过电磁流量计实时获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；

所述自动生潮模式即按照用户设定的流量或者流量曲线进行生潮控制,具体过程如下：

a.用户首先设置每台双向潜水贯流泵在任意时刻的目标流量，对双向潜水贯流泵进行自动控制，用户需设置模拟的时间范围和目标值序列的时间间隔；

b.控制终端自动读取对应时刻的各台双向潜水贯流泵的运转方向和目标流量，再转换成对应的控制信号，传输到变频器中，从而完成对双向潜水贯流泵的控制；

c.在控制过程中，控制终端按照设定好的插值修正算法对控制信号进行修正，经过若干次试验直至得到满足要求的潮流过程；

e.在生潮过程中，控制终端实时通过电磁流量计获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比：若差异大于±10％，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；若差异小于±10％，通过调节电控蝶阀进行修正。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、功能性，本发明提供了一种专门用于河口海岸工程高精度流量控制宽水槽生潮系统装置及控制方法，该系统运行稳定，能够快速响应水位陡升、陡降变化过程，并通过反馈数据实现闭环控制，实时纠正水位和流量误差，流量水位控制精度较高，能够很好地服务于河口海岸工程研究。

2、操作性，本发明系统集成性高，提供的装置和方法操作简单，实用性强；工控机选用工业级平板电脑，简化人机交互，能够减小试验仪器调试时间，缩短试验周期。

3、经济安全性，本发明的所有生潮设备均在设备室里面，输水管道与墙体均通过多层止水防水措施相连，生潮设备处于相对干燥环境，防止设备遇水发生短路和漏电情况，也能使得设备长久耐用，同时也方便维护检修。

本发明提供的高精度流量控制生潮系统装置模块化组装，方便拆装，经济实用。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明的图1的局部结构示意图；

图3是本发明的侧向剖视图；

图中：1、宽水槽，2、地下主体结构，2-1、回水廊道，2-2、消能室，2-3、过渡室，2-3-1、通气孔，2-3-2、集水坑，2-3-3、上下水管路，2-4、设备室，3、生潮控制设备，3-1、双向潜水贯流泵，3-2、电控蝶阀，3-3、电磁流量计，3-4、刚性套管，3-5、管道，3-6、软连接。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

图1～图3所示，一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，该系统包括设置在地面以上的宽水槽1、调节水体的地下主体结构2、若干生潮控制设备3和控制终端；所述地下主体结构2包括回水廊道2-1、消能室2-2、过渡室2-3、设备室2-4，所述回水廊道2-1布置在所述宽水槽1正下方，一对消能室2-2对称设置在回水廊道2-1内圈的左右两侧，一对设备室2-4对称设置在回水廊道2-1外圈的左右两侧，设备室2-4和回水廊道2-1通过过渡室2-3相连通，所述消能室2-2与宽水槽1的进出水口相连通；每个设备室2-4上均设置若干生潮控制设备3，所述生潮控制设备3包括双向潜水贯流泵3-1、电控蝶阀3-2、电磁流量计3-3、变频器；所述双向潜水贯流泵3-1的一端安装电控蝶阀3-2，双向潜水贯流泵3-1 的另一端安装电磁流量计3-3，电控蝶阀3-2通过管道与过渡室2-3相连通，电磁流量计3-3 通过管道与消能室2-2相连通，每个双向潜水贯流泵3-1连接一个变频器，电控蝶阀3-2、电磁流量计3-3以及所有变频器均与控制终端相连。

所述消能室2-2内设置“梳”形结构墙，“梳”形结构墙的凹槽与生潮控制设备3一一对应，“梳”形结构墙使得水体在有限体积内能够充分掺混而消能，同时使得宽水槽能够产生横向非均匀流，防止不同生潮控制设备输送不同流量水体在消能室相互掺混抵消横向流速差异。

所述消能室2-2布置在所述宽水槽1的进出水口下方。

所述过渡室2-3顶部设置通气孔2-3-1，既能将地下主体结构内多余气体排出，又能注入新鲜空气保证检修人员安全；底部设置集水坑2-3-2，使得地下主体结构清洗时保证污水能够集中处理；侧墙布置上下水管路2-3-3，将清水从自来水管路中注入到地下主体结构中，同时将试验后污水排出到污水管道中去。

所述还包括刚性套管3-4、三个管道3-5，电控蝶阀3-2通过第一个管道3-5与过渡室 2-3相连通，所述双向潜水贯流泵3-1的一端通过第二个管道3-5与电控蝶阀3-2相连通，所述双向潜水贯流泵3-1的另一端通过第三个管道3-5与电磁流量计3-3的一端相连通，电磁流量计3-3的另一端通过刚性套管3-4与消能室2-2相连通。

所述双向潜水贯流泵3-1的流量应满足：

Q_m>(V_max)_m×(h_max)_m×B_m+Q₀

式中，Q_m为宽水槽流量(m³/s)；(V_max)_m为宽水槽最大流速(m/s)；(h_max)_m为宽水槽最大水深(m)；(h_min)_m为最小水深(m)；B_m为宽水槽过水断面宽度(m)；Q₀为富裕泄水量(m)。

所述变频器采用电流矢量控制，可分别独立控制双向潜水贯流泵的励磁电流和转矩电流。所述矢量控制可与传统的V/F控制切换。

所述刚性套管3-4是钢管外加翼环，装于试验水池混凝土墙内，用于造流管道穿墙，所述刚性套管和墙体均通过止水环相连，有利于墙体防水。

所述高精度流量控制生潮系统装置及控制方法，其特征在于：所述控制运行方法可分为手动生潮模式和自动生潮模式。

所述手动生潮模式可应用于模拟恒定流量，具体过程如下：

a.用户统一设置所有双向潜水贯流泵的固定目标流量，控制终端根据设定好的参数自动生成流量设置表；

b.控制终端读取流量设置表中数据，并以此生成标定文件，再转换成对应的控制信号，传输到变频器中；

c.试验开始后，宽水槽两端双向潜水贯流泵统一向宽水槽注水，待达到指定水位后，上游双向潜水贯流泵流量调节到目标流量，下游双向潜水贯流泵则反转调节到目标流量；

d.在生潮过程中，控制终端通过电磁流量计实时获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；

所述自动生潮模式即按照用户设定的流量或者流量曲线进行生潮控制,具体过程如下：

a.用户首先设置每台双向潜水贯流泵在任意时刻的目标流量，对双向潜水贯流泵进行自动控制；用户需设置模拟的时间范围和目标值序列的时间间隔，控制终端根据设定好的参数自动生成流量设置表；

b.控制终端自动读取流量设置表中对应时刻的各台双向潜水贯流泵的运转方向和目标流量，并以此生成标定文件，再转换成对应的控制信号，传输到变频器中，从而完成对双向潜水贯流泵的控制；

c.在控制过程中，控制终端按照设定好的插值修正算法对控制信号进行修正，经过若干次试验直至得到满足要求的潮流过程；

e.在生潮过程中，控制终端实时通过电磁流量计获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比：若差异大于±10％，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；若差异小于±10％，通过调节电控蝶阀进行修正。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，该系统包括设置在地面以上的宽水槽(1)、调节水体的地下主体结构(2)、若干生潮控制设备(3)和控制终端；所述地下主体结构(2)包括回水廊道(2-1)、消能室(2-2)、过渡室(2-3)、设备室(2-4)，所述回水廊道(2-1)布置在所述宽水槽(1)正下方，一对消能室(2-2)对称设置在回水廊道(2-1)内圈的左右两侧，一对设备室(2-4)对称设置在回水廊道(2-1)外圈的左右两侧，设备室(2-4)和回水廊道(2-1)通过过渡室(2-3)相连通，所述消能室(2-2)与宽水槽(1)的进出水口相连通；每个设备室(2-4)上均设置若干生潮控制设备(3)，所述生潮控制设备(3)包括双向潜水贯流泵(3-1)、电控蝶阀(3-2)、电磁流量计(3-3)、变频器；所述双向潜水贯流泵(3-1)的一端安装电控蝶阀(3-2)，双向潜水贯流泵(3-1)的另一端安装电磁流量计(3-3)，电控蝶阀(3-2)通过管道与过渡室(2-3)相连通，电磁流量计(3-3)通过管道与消能室(2-2)相连通，每个双向潜水贯流泵(3-1)连接一个变频器，电控蝶阀(3-2)、电磁流量计(3-3)以及所有变频器均与控制终端相连；

其中，所述消能室(2-2)内设置“梳”形结构墙，“梳”形结构墙的凹槽与生潮控制设备(3)一一对应；所述消能室(2-2)布置在所述宽水槽(1)的进出水口下方。

2.根据权利要求1所述的一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，所述过渡室(2-3)顶部设置通气孔(2-3-1)，底部设置集水坑(2-3-2)，侧墙布置上下水管路(2-3-3)。

3.根据权利要求1所述的一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，还包括刚性套管(3-4)、三个管道(3-5)，电控蝶阀(3-2)通过第一个管道(3-5)与过渡室(2-3)相连通，所述双向潜水贯流泵(3-1)的一端通过第二个管道(3-5)与电控蝶阀(3-2)相连通，所述双向潜水贯流泵(3-1)的另一端通过第三个管道(3-5)与电磁流量计(3-3)的一端相连通，电磁流量计(3-3)的另一端通过刚性套管(3-4)与消能室(2-2)相连通。

4.根据权利要求1所述的一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，所述双向潜水贯流泵(3-1)的流量应满足：

Q_m＞(V_max)_m×(h_max)_m×B_m+Q₀

式中，Q_m为宽水槽流量，单位为m³/s；(V_max)_m为宽水槽最大流速，单位为m/s；(h_max)_m为宽水槽最大水深，单位为m；B_m为宽水槽过水断面宽度，单位为m；Q₀为富裕泄水流量，单位为m³/s。

5.根据权利要求1所述的一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，所述变频器采用电流矢量控制，分别独立控制双向潜水贯流泵的励磁电流和转矩电流。

6.根据权利要求3所述一种高精度流量控制宽水槽生潮系统，其特征在于，所述刚性套管(3-4)是钢管外加翼环，装于试验水池混凝土墙内，用于造流管道穿墙，所述刚性套管和墙体均通过止水环相连。

7.根据权利要求1所述一种高精度流量控制宽水槽生潮系统的控制方法，其特征在于，控制方法分为手动生潮模式和自动生潮模式；

所述手动生潮模式应用于模拟恒定流量，具体过程如下：

a.用户统一设置所有双向潜水贯流泵的固定目标流量；

b.控制终端将目标流量转换成对应的控制信号，传输到变频器中；

c.试验开始后，宽水槽两端双向潜水贯流泵统一向宽水槽注水，待达到指定水位后，上游双向潜水贯流泵流量调节到目标流量，下游双向潜水贯流泵则反转调节到目标流量；

d.在生潮过程中，控制终端通过电磁流量计实时获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；

所述自动生潮模式即按照用户设定的流量或者流量曲线进行生潮控制,具体过程如下：

a.用户首先设置每台双向潜水贯流泵在任意时刻的目标流量，对双向潜水贯流泵进行自动控制，用户需设置模拟的时间范围和目标值序列的时间间隔；

b.控制终端自动读取对应时刻的各台双向潜水贯流泵的运转方向和目标流量，再转换成对应的控制信号，传输到变频器中，从而完成对双向潜水贯流泵的控制；

c.在控制过程中，控制终端按照设定好的插值修正算法对控制信号进行修正，经过若干次试验直至得到满足要求的潮流过程；

e.在生潮过程中，控制终端实时通过电磁流量计获取每台双向潜水贯流泵产生的流量，并与目标流量对比：若差异大于±10％，通过改变双向潜水贯流泵的参数进行修正；若差异小于±10％，通过调节电控蝶阀进行修正。