CN112816379A - 一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械测试技术领域，公开了一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置和方法。本发明的过程为：设计固液两相流泵系统性能参数采集方案；搭建固液两相流泵系统同步测量试验平台，测量不同转速不同颗粒浓度下固液两相流泵在额定流量时的性能参数；分析额定转速下的电信号和颗粒浓度变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下电信号变化规律和对应的颗粒浓度关系，并建立适用于固液两相流泵的颗粒浓度计算公式。本发明能够实时准确的测量出固液两相流泵内的颗粒浓度，从而为固液两相流泵泵送系统的智能调节提供依据，保证工业生产过程管理的高效性、可靠性和安全性。

Description

一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置和方法

技术领域

本发明属于流体机械测试技术领域，具体涉及一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置和方法。

背景技术

海底锰结核、富钴结核、多金属硫化等矿产资源丰富，深海采矿行业越来越受到世界各国重视。深海采矿的主流技术多以水力提升式的混输泵管实现矿物颗粒的输送，深海采矿混输系统受制于固液两相流动机理不明、管系动力不稳定、混输动力系统智能控制、海洋环境等因素的制约，在全球范围内尚无成熟可靠的深海采矿混输系统投入运营。而深海采矿混输送系统中，颗粒浓度是一项最为重要的参数，即反映了深海采矿混输作业效率，又可以根据颗粒浓度参数进行智能调控达到最优状态运行的目的。但是，因固液两相流泵存在不同物理属性的矿物颗粒，没有相关仪器和方法准确实时的测量固液两相流在混输泵管中的实际颗粒浓度。

目前，国内未检索到固液两相流泵颗粒浓度测量方法的相关专利和文献。为此，本发明提供了一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度测量方法。

发明内容

针对上述现有固液两相流泵颗粒浓度测量方法中存在的问题，本发明旨在提供一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置和方法。

为实现上述目的，本发明提供的如下技术方案：搭建固液两相流泵系统同步测量试验平台；设计固液两相流泵系统性能参数同步采集方案，测量不同转速、不同颗粒浓度工况下固液两相流泵在额定流量时的性能参数；分析额定转速下的功率和颗粒浓度变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下功率变化规律和对应的颗粒浓度关系，同时通过试验数据进行对比验证，最终建立适用于固液两相流的颗粒浓度计算方法。

一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置，固液两相流泵采用上机下泵的整体结构形式，泵体采用叶轮和导流体串联形式组合而成，泵的进出口分别位于泵的下端和上端，介质流动方向为自下而上，水力循环管路分为泵进口段和泵出口段两部分，泵进口段依次包括水箱、颗粒回收料斗、进口阀门、DN125镀锌管，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；泵出口段依次包括DN125镀锌管、电磁流量计、出口阀门，并在出口两倍管径处安装有出口压力传感器；泵体上端安装有变频电机，作为固液两相流泵的动力装置，其三相电源输入由三相交流变频器的输出端提供。

所述固液两相流泵包括首级叶轮、首级导流体、次级叶轮、次级导流体，首级叶轮和次级叶轮安装于泵轴，泵轴和泵体上端的变频电机轴连接实现动力传递。

所述三相交流变频器通过调节变频器参数控制变频电机运行状态。

一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度测量方法，具体步骤如下：

(1)通过单相介质作用时固液两相流泵性能参数同步采集试验，验证测量装置和测试系统的不确定度；

(2)固液两相介质作用时固液两相流泵性能参数同步采集试验：

在额定流量工况下，进行额定转速、不同颗粒浓度工况的性能测量试验，和变转速、不同颗粒浓度工况的性能测量试验，性能参数包括转速n，颗粒浓度C，流量Q，功率P；

(3)分析额定转速下的颗粒浓度和功率变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下颗粒浓度和功率变化规律的对应关系，同时以变转速试验数据进行对比验证，最终建立适用于固液两相流的颗粒浓度计算方法。

步骤(1)中，具体为：单相介质作用时，在不同流量工况下同步采集流量Q，扬程H，功率P，效率η，测定固液两相流泵的外特性参数并得到外特性数据曲线，验证试验平台和测试系统的不确定度。

其中，

流量Q由泵出口段上的电磁流量计测得；

扬程H由进出口压力传感器测量得到进口压力P_i和出口压力P_o，再经过公式H＝(P_o-P_i)/ρg计算得到；

功率P由变频器运行状态参数读取得到；

效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为固液两相流泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

测定固液两相流泵的外特性参数时测试次数为n，得到n组外特性数据曲线，n大于1。

步骤(2)中，具体为：

(A)测量固液两相介质作用下固液两相流泵性能参数，其中，额定转速n由高速霍尔传感器测得；颗粒浓度C根据水利循环管路体积计算得到，试验时投放对应体积的颗粒；流量Q由出口管路电磁流量计测得；功率P₁由变频器运行状态参数读取得到；

(B)在额定流量工况下，测量不同转速、不同颗粒浓度工况下的功率P₂。

步骤(3)中，具体为：

(A)分析在额定转速、额定流量工况下，固液两相流泵功率P₁和颗粒浓度的变化规律，得到功率P₁和颗粒浓度之间的对应关系；

(B)依据泵相似理论，根据功率P₁和颗粒浓度之间的对应关系，建立方程计算公式，通过计算得出其他转速工况下的颗粒浓度，同时功率P₂参数进行对比验证，最终建立固液两相流颗粒浓度测量计算方案，如公式所示：

其中：C为颗粒浓度，单位为％；n_M为电机实际转速，单位为r/min；n为电机额定转速；P为实际工况功率，单位为kW。

本发明的优点在于：

本发明建立混输泵固液两相流泵颗粒浓度测量计算方法，解决无法准确可靠快速测量固液两相流泵颗粒浓度的问题。

附图说明

图1为本发明基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置示意图；

图2为本发明实施例基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量方法流程图；

图3为实施例中单相介质时，固液两相流泵性能试验测试结果；

图4为实施例中颗粒浓度为10％时固液两相流泵内流动情况实物图；

图5为实施例中固液两相流泵功率和颗粒浓度试验测试结果；

附图标记说明：

1-水箱；2-进口阀门；3-进口压力传感器；4-固液两相流泵；5-变频电机；6-出口压力传感器；7-电磁流量计；8-出口电动阀；9-DN125管道；10-颗粒回收漏斗。

具体实施方式

下面以说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

如图1所示，固液两相流泵采用上机下泵的组合结构，并由2级叶轮串联方式组合而成，包括首级叶轮、首级导流体、次级叶轮、次级导流体，首级叶轮和次级叶轮安装于泵轴，泵轴和泵体上端的变频电机轴连接实现动力传递；泵的进出口分别位于泵的下端和上端，介质流动方向为自下而上；水力循环管路分为泵进口段和泵出口段两部分，泵进口段依次包括水箱、颗粒回收料斗、进口阀门、DN125镀锌管，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；泵出口段依次包括DN125镀锌管、电磁流量计、出口阀门，并在出口两倍管径处安装有出口压力传感器；泵体上端安装有变频电机，作为固液两相流泵的动力装置，其三相电源输入由三相交流变频器的输出端提供。

其中，固液两相流泵设计流量为Q_d＝82m³/h，设计扬程H_d＝22m，额定转速n＝960r/min，泵送管道为DN125镀锌管；固液两相流泵电机采用变频电机，型号为YVF2-160M-4，恒转矩输出，功率11KW；变频器采用英威腾GD200A-011G/015P-4，输出功率为11KW；流量计采用肯特KEFC型电磁流量计，流量量程为0-150m³/h，精度0.25级；数据采集卡采用Smacq USB-2612型号；压力传感器采用LZ300压力变送器，精度0.2级，混输泵进口处压力传感器量程为-0.1～0.1MPa，出口处压力传感器量程为0～1MPa。

如图2所示流程，一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量方法，包括如下步骤：(1)固液两相流泵性能参数同步采集系统的上位机平台配置有Windows操作系统，系统软件基于LabVIEW软件平台开发实现。由上位机控制实现固液两相流泵启动，所述启动过程是：点击启动按键，LabVIEW程序软件将通过Modbus协议发送正转启动指令“0003H”和频率指令“0c80H”，分别传输到变频器主控制字地址“2000H”和通讯给定频率地址“2001H”，实现启动功能，同时达到额定转速运行。同时，监测变频器运行频率地址“3000H”中的状态，当频率达到设定频率时，上位机将点亮“完成固液两相流泵启动”指示灯。所述固液两相流泵启动完成后，开始读取固液两相流泵进口压力P_i和出口压力P_o，流量Q，功率P和效率η，并在触摸屏界面上实时显示。同时以1次/秒的存储速率进行数据库存储，数据库可通过Navicat管理软件实时查看数据。

(2)设计固液两相流泵系统性能参数同步采集方案，测量不同转速、不同颗粒浓度工况下固液两相流泵在额定流量时的性能参数。

一是测量了单相介质作用下固液两相流泵的性能参数，如图3所示，分别在0.2Q_d、0.4Q_d、0.6Q_d、0.8Q_d、1.0Q_d、1.2Q_d、1.4Q_d的流量工况下同步采集泵的扬程、流量及效率；重复5次试验对比分析，确定了试验系统的不确定度，保证系统性能参数同步采集系统满足GB/T3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验1级、2级和3级》要求。

二是进行了固液两相流试验测试，如图4所示为颗粒浓度为10％时固液两相流泵内流动情况实物图。选取960rpm，840rpm，720rpm，600rpm和480rpm的5种不同转速进行试验测试，额定流量Q由介质为纯液体时电磁流量计测得，并确定额定流量下的出口电动阀开度为固液两相流试验做流量标定；扬程H由进出口压力传感器测量得到进口压力P_i和出口压力P_o，由公式H＝(P_o-P_i)/ρg计算得到；功率P由变频器运行状态参数直接读取得到；效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为固液两相流泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²。

(3)以固液两相流泵输送介质为固液两相时，额定转速960rpm运行为基准，测量流量、扬程、功率和效率参数，分析各不同颗粒浓度下数据规律，得到功率与颗粒浓度对应的规律。根据泵相似理论，当固液两相流泵变转速试验时，分别进行960rpm，840rpm，720rpm，600rpm和480rpm的5种转速下的试验数据测试，计算得到不同转速下功率和颗粒浓度的关系。

如图5所示，a图为不同转速工况下，功率和颗粒浓度对应的关系。b、c、d、e、f图是5种不同转速工况下，功率和颗粒浓度的具体对应关系。

(4)根据上述试验结果规律，建立固液两相流泵管流量计算公式：

其中：C为颗粒浓度，单位为％；n_M为电机实际转速，单位为r/min；n为电机额定转速；P为实际工况功率，单位为kW。

所述实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员做出的任何显而易见的改进、替换和修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量装置，其特征在于，固液两相流泵采用上机下泵的整体结构形式，泵体采用叶轮和导流体串联形式组合而成，泵的进出口分别位于泵的下端和上端，介质流动方向为自下而上，水力循环管路分为泵进口段和泵出口段两部分，泵进口段依次包括水箱、颗粒回收料斗、进口阀门、DN125镀锌管，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；泵出口段依次包括DN125镀锌管、电磁流量计、出口阀门，并在出口两倍管径处安装有出口压力传感器；泵体上端安装有变频电机，作为固液两相流泵的动力装置，其三相电源输入由三相交流变频器的输出端提供。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述固液两相流泵包括首级叶轮、首级导流体、次级叶轮、次级导流体，首级叶轮和次级叶轮安装于泵轴，泵轴和泵体上端的变频电机轴连接实现动力传递。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述三相交流变频器通过调节变频器参数控制变频电机运行状态。

4.利用权利要求1～3任一项所述装置基于电信号的固液两相流泵颗粒浓度的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)通过单相介质作用时固液两相流泵性能参数同步采集试验，验证测量装置和测试系统的不确定度；

(2)固液两相介质作用时固液两相流泵性能参数同步采集试验：

在额定流量工况下，进行额定转速、不同颗粒浓度工况的性能测量试验，和变转速、不同颗粒浓度工况的性能测量试验，性能参数包括转速n，颗粒浓度C，流量Q，功率P；

(3)分析额定转速下的颗粒浓度和功率变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下颗粒浓度和功率变化规律的对应关系，同时以变转速试验数据进行对比验证，最终建立适用于固液两相流的颗粒浓度计算方法。

5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，具体为：单相介质作用时，在不同流量工况下同步采集流量Q，扬程H，功率P，效率η，测定固液两相流泵的外特性参数并得到外特性数据曲线，验证试验平台和测试系统的不确定度。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，

流量Q由泵出口段上的电磁流量计测得；

扬程H由进出口压力传感器测量得到进口压力P_i和出口压力P_o，再经过公式H＝(P_o-P_i)/ρg计算得到；

功率P由变频器运行状态参数读取得到；

效率η由公式η＝(ρgQH)/P计算得到，其中ρ为固液两相流泵输送介质的密度，g为重力加速度，g＝9.8m/s²；

测定固液两相流泵的外特性参数时测试次数为n，得到n组外特性数据曲线，n大于1。

7.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，具体为：

(A)测量固液两相介质作用下固液两相流泵性能参数，其中，额定转速n由高速霍尔传感器测得；颗粒浓度C根据水利循环管路体积计算得到，试验时投放对应体积的颗粒；流量Q由出口管路电磁流量计测得；功率P₁由变频器运行状态参数读取得到；

(B)在额定流量工况下，测量不同转速、不同颗粒浓度工况下的功率P₂。

8.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤(3)中，具体为：

(A)分析在额定转速、额定流量工况下，固液两相流泵功率P₁和颗粒浓度的变化规律，得到功率P₁和颗粒浓度之间的对应关系；

(B)依据泵相似理论，根据功率P₁和颗粒浓度之间的对应关系，建立方程计算公式，通过计算得出其他转速工况下的颗粒浓度，同时功率P₂参数进行对比验证，最终建立固液两相流颗粒浓度测量计算方案，如公式所示：

其中：C为颗粒浓度，单位为％；n_M为电机实际转速，单位为r/min；n为电机额定转速；P为实际工况功率，单位为kW。

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