CN112855571B - 一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械测试技术领域，具体公开了一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量装置和方法。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，测量不同转速下固液两相流泵在全流量范围内的性能参数；分析额定转速下的电信号和流量变化规律，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流量关系，并建立适用于固液两相流泵的流量计算公式。本发明能够实时准确地测量出固液两相流泵的流量，从而为固液两相流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和可靠性。

Description

一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量装置和方法

技术领域

本发明属于流体机械测试技术领域，具体涉及了一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量装置和方法。

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，流量是一项最为重要的参数，即反映了深海采矿混输作业工况，又可以根据流量参数进行智能调控达到最优状态运行的目的。但是，因固液两相流存在矿物颗粒，尤其是直径超过10mm的大颗粒，无法通过流量计准确测量固液两相流在混输泵管中的实际流量。

目前，测量固液两相流的管道流量方法仍不成熟，如：发明专利《一种管道流量测量方法及其系统、存储介质》(申请号：201911387679.3)介绍了一种管道流量测量方法及其系统、存储介质，包括获得水位高度，根据高度情况采用不同方法测量流速计算流量，但是该专利采用多种传感器测量，操作复杂，便利性差，且不适用于测量含大颗粒的固液两相流流速，具有一定的局限性；发明专利《一种管道流量测量计、测量系统及测量方法》(申请号：202010012262.5)介绍了一种管道流量测量计、测量系统及测量方法，通过在检测管内设置静压管和多个总压管，可以同时进行多组数值测量，测量结果精确度高，但该专利功能单一，仅适用于流体介质。

发明内容

针对上述现有固液两相流泵流量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流量的测量装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：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、不同流量工况下固液两相流泵在颗粒浓度为5％时的性能参数。分析额定转速下的功率和流量变化规律，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流量关系，并以试验数据进行对比验证，最终建立适用于固液两相流泵的流量测量方法。

一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量装置，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口，介质流动方向为自下而上，水利循环管路分为泵进口段和出口段两部分，进口端段由进口水箱、进口阀门、DN125镀锌管组成，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；出口段由DN125镀锌管、出口阀门、出口水箱组成，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，其电源由三相交流变频器提供。

所述固液两相流泵包括首级叶轮、首级导流体、次级叶轮、次级导流体组成，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。

所述出口水箱底部安装有液位压力传感器。

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流量的测量方法，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：

在颗粒浓度为5％情况下，进行额定转速、不同流量工况的性能测量试验，和变转速、不同流量工况的性能测量试验，性能参数包括转速n，流量Q，功率P；

(3)分析额定转速下的流量和功率变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下流量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流量测量方法。

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

其中，转速n由高速霍尔传感器测量得到；

流量Q由规定时间下水箱体积变化量计算得到，由公式Q＝ΔV/t计算得到，其中体积变化量由公式ΔV＝ab(P₂-P₁)/g计算得到，a为水箱长度，b为水箱宽度，P₁和P₂为液位压力值，由出口水箱液位压力传感器在试验前和试验后分别测量得到；

扬程H由公式H＝(P_o-P_i)/ρg计算得到，其中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；

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；

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，在颗粒浓度为5％时，进行额定转速、不同流量工况下的性能参数测量试验，测量参数包括转速n、颗粒浓度C、流量Q、功率P₃，其中颗粒浓度C根据水力管路体积计算得到，试验时投放对应体积的颗粒；

(B)在颗粒浓度为5％时，进行不同转速、不同流量工况下的性能参数测量试验，测量参数包括转速n、颗粒浓度C、流量Q、功率P₄。

步骤(3)中，具体为：

(A)分析在颗粒浓度为5％、额定转速工况下，固液两相流泵功率P₃和流量的变化规律，得到功率P₃和流量之间的对应关系；

(B)依据泵相似理论，根据功率P₃和流量之间的对应关系，建立计算公式，通过计算得出变转速工况下的流量，同时功率P₄参数进行对比验证，最终建立固液两相流泵流量测量计算方法，如公式所示：

其中：Q为流量，单位为m³/h；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：

本发明建立固液两相流泵流量测量计算方法，解决流量计无法准确测量固液两相流泵流量的问题。

附图说明

图1为本发明固液两相流泵流量的测量装置示意图；

图2为本发明实施例基于电信号的固液两相流泵流量测量方法的流程图；

图3为实施例中单相介质中，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5％时固液两相流泵内流动实物图；

图5为实施例中固液两相流泵功率和流量试验测试结果；

附图标记说明：1-进口水箱；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-出口阀门；8-DN125管道；9-出口水箱；10-水箱液位压力传感器；11-排水管道。

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、次级导流体组成，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口，介质流动方向为自下而上；水利循环管路分为泵进口段和出口段两部分，进口端段由进口水箱、进口阀门、DN125镀锌管组成，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；出口段由DN125镀锌管、出口阀门、出口水箱组成，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，其电源由三相交流变频器提供。

所述出口水箱底部安装有液位压力传感器。

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。

其中，固液两相流泵设计流量为Q_d＝82m³/h，设计扬程H_d＝22m，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；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，固液两相流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，基于电信号的固液两相流泵流量的测量方法，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)测量单相介质作用时不同转速工况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，通过5次试验的对比分析，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/T 3216-2016《回转动力泵水力性能验收试验1级、2级和3级》要求。

(3)测量固液两相流介质作用时不同转速工况下固液两相流泵的性能参数。如图4所示为颗粒浓度为5％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，进行不同流量工况试验测试，并分别测量转速n、功率P、流量Q。

(4)分析在额定转速下、颗粒浓度为5％时的试验数据，得到功率与流量对应的规律。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流量的关系。如图5所示，a图为不同转速工况下，功率和流量对应的关系。b、c、d、e、f图是5种不同转速工况下，功率和流量的具体对应关系。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：Q为流量，单位为m³/h；n_M为电机实际转速，单位为r/min；n为电机额定转速；P为固液两相流泵轴功率，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 (5)

1.一种基于电信号的固液两相流泵流量的测量方法，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口，介质流动方向为自下而上，水利循环管路分为泵进口段和出口段两部分，进口段由进口水箱、进口阀门、DN125镀锌管组成，并在进口两倍管径处安装有进口压力传感器；出口段由DN125镀锌管、出口阀门、出口水箱组成，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，其电源由三相交流变频器提供，所述固液两相流泵包括首级叶轮、首级导流体、次级叶轮、次级导流体组成，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，所述出口水箱底部安装有液位压力传感器，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，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：

在颗粒浓度为5％情况下，进行额定转速、不同流量工况的性能测量试验，和变转速、不同流量工况的性能测量试验，性能参数包括转速n，流量Q，功率P；

(3)分析额定转速下的流量和功率变化规律，根据泵相似理论确定变转速工况下流量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流量测量方法。

2.如权利要求1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，在不同流量工况下采集转速n，流量Q，扬程H，功率P，效率η，测定固液两相流泵的外特性数据并得到数据曲线，验证试验平台和测试系统的不确定度。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，

转速n由高速霍尔传感器测量得到；

流量Q由规定时间下水箱体积变化量计算得到，由公式Q＝ΔV/t计算得到，其中体积变化量由公式ΔV＝ab(P₂-P₁)/g计算得到，a为水箱长度，b为水箱宽度，P₁和P₂为液位压力值，由出口水箱液位压力传感器在试验前和试验后分别测量得到；

扬程H由公式H＝(P_o-P_i)/ρg计算得到，其中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，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；

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；

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。

4.如权利要求1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，在颗粒浓度为5％时，进行额定转速、不同流量工况下的性能参数测量试验，测量参数包括转速n、颗粒浓度C、流量Q、功率P₃，其中颗粒浓度C根据水力管路体积计算得到，试验时投放对应体积的颗粒；

(B)在颗粒浓度为5％时，进行不同转速、不同流量工况下的性能参数测量试验，测量参数包括转速n、颗粒浓度C、流量Q、功率P₄。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤(3)中，具体为：

(A)分析在颗粒浓度为5％、额定转速工况下，固液两相流泵功率P₃和流量的变化规律，得到功率P₃和流量之间的对应关系；

(B)依据泵相似理论，根据功率P₃和流量之间的对应关系，建立计算公式，通过计算得出变转速工况下的流量，同时功率P₄参数进行对比验证，最终建立固液两相流泵流量测量计算方法，如公式所示：

其中：Q为流量，单位为m³/h；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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