一種大口徑泵循環(huán)管道的內(nèi)潛式旁路管流量計(jì)

上海自動(dòng)化儀表提出了一種可用于測(cè)量大口徑泵循環(huán)管道流量的內(nèi)潛式旁路管流量計(jì)。本流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，不受被測(cè)量管道口徑的限制。當(dāng)被測(cè)工作管道中工作泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)行，且流量計(jì)中流動(dòng)雷諾數(shù)滿足Re≥105～2×105時(shí)，被測(cè)工作管道中流量和旁路管流量計(jì)中流量成固定的線性關(guān)系。因此，可通過(guò)測(cè)量旁路管中流量，計(jì)算獲得大口徑工作管道中的流量。通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算方法和試驗(yàn)，對(duì)所提出的旁路管流量計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了所提出的旁路管流量計(jì)準(zhǔn)確可行。

0引言

目前用于直接測(cè)量管道中流量的流量計(jì)種類(lèi)較多，主要有電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、浮子式流量計(jì)等，可根據(jù)測(cè)量介質(zhì)的特性和工作條件進(jìn)行選用[1,2]。當(dāng)這些流量計(jì)直接用于大口徑管道測(cè)量時(shí)，存在著各自的局限性，如造價(jià)較高[3]，標(biāo)定困難以及標(biāo)定成本高昂等問(wèn)題[4]。大口徑流量計(jì)還受到工作管道使用條件的限制。除直接用流量計(jì)對(duì)管道流量進(jìn)行測(cè)量外，也可以用間接的方法測(cè)量。如潘宏剛等[5]設(shè)計(jì)出一種用支管的方法間接測(cè)量火力發(fā)電廠中大管徑內(nèi)液體流量的方法。周瑞章[6]提出了一種旁路式氣體流量計(jì)。

本文根據(jù)實(shí)際工業(yè)需求，提出了一種用于測(cè)量大型泵循環(huán)管道中流量的內(nèi)潛式旁路管泵流量計(jì)。該流量計(jì)避免了大口徑流量計(jì)的使用，只需對(duì)小口徑旁路管進(jìn)行流量測(cè)量，就可計(jì)算獲得工作管道中的流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，造價(jià)低廉，標(biāo)定容易，不受被測(cè)管道管徑限制的優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了所提出的流量計(jì)準(zhǔn)確可行，并簡(jiǎn)要分析了本流量計(jì)設(shè)計(jì)和使用的要點(diǎn)。

1旁路管流量計(jì)

工作管道和旁路管流量計(jì)的布置如圖1所示。工作泵和旁路管流量計(jì)都置于液池1內(nèi)，液池面積較大，液面位置保持不變。工作泵2將液體送入大口徑工作管道3中，形成流量Q。為了測(cè)量流量Q的大小，在工作管道上開(kāi)有小孔，連接旁路管流量計(jì)6。工作管道中液體有小部分進(jìn)入旁路管內(nèi)，形成流量q。旁路管流量計(jì)進(jìn)口處布置有節(jié)流閥4，對(duì)流量q進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。在旁路管上布置電磁流量計(jì)7，用于測(cè)量旁路管中的流量q。為了使得電磁流量計(jì)的測(cè)量段流體流動(dòng)平順，設(shè)置有整流束5。旁路管中的流體，經(jīng)溢流窗8，平穩(wěn)地回流到液池1內(nèi)。

旁路管流量計(jì)只需測(cè)量旁路管中的流量q，就可換算獲得工作管道中的流量Q。旁路管道尺寸較小，測(cè)量q較容易，對(duì)工作管道也幾乎沒(méi)有影響。還可通過(guò)節(jié)流閥對(duì)進(jìn)入旁路管流量計(jì)中的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。

2旁路管流量計(jì)測(cè)量原理

2.1泵的運(yùn)行工況分析

泵在額定工況下運(yùn)行時(shí)，其流量為Q0，揚(yáng)程為H0，額定轉(zhuǎn)速為n0。如果泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)行，那么泵以任意轉(zhuǎn)速n運(yùn)行時(shí)，其流量Q和揚(yáng)程H滿足以下關(guān)系[7]：

稱(chēng)K0為泵特性系數(shù)。因?yàn)镼0和H0分別為泵在額定工況下的流量和揚(yáng)程，都為定值。因此，K0為常數(shù)。

2.2旁路管流量q推導(dǎo)

如圖1所示，以0-0斷面所在的水平面為參考面進(jìn)行分析。泵揚(yáng)程H是指泵抽送的單位重量液體由進(jìn)口至出口的能量增值[8]。泵的吸入進(jìn)口在液池中任意位置，出口在1-1斷面。由于液池內(nèi)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以液池內(nèi)任意點(diǎn)流體的機(jī)械能都和液面相同。而泵的吸入口在液池內(nèi)，因此吸入口單位重量液體所具有的機(jī)械能可用液面機(jī)械能表示。根據(jù)揚(yáng)程H的定義，可得：z1和z3分別為泵出口和液池的液面所在高程；p1和p3分別為泵出口和液面壓強(qiáng)；ρ為流體的密度；g為重力加速度；α1和α3為應(yīng)斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，在實(shí)際工程計(jì)算中常取α=1[9]；V1和V3分別為泵出口和液面流體平均速度，因液面很大，可認(rèn)為V3≈0。從泵出口流出的流體以流量Q在工作管道內(nèi)流動(dòng)，其中的一小部分流體經(jīng)4-4斷面流入旁路管內(nèi)，形成流量q，再經(jīng)過(guò)溢流窗2-2流入液池內(nèi)。建立1-1斷面到2-2斷面的伯努利能量方程：

2.3旁路流量系數(shù)K分析

由式（25）可知，旁路流量系數(shù)K由泵特性系數(shù)K0和旁路管道特性系數(shù)K3構(gòu)成。由前面分析可知，當(dāng)泵以調(diào)速方式運(yùn)行時(shí)，K0為常數(shù)。由式（22）可知，影響K3大小的是旁路管的形狀、尺寸、流體流動(dòng)的沿程阻力系數(shù)λi和局部阻力系數(shù)ξi。當(dāng)不考慮旁路管的形狀尺寸變化時(shí)，只有流體流過(guò)旁路管時(shí)的阻力系數(shù)會(huì)影響旁路系數(shù)K。也就是說(shuō)，當(dāng)旁路管的流動(dòng)阻力系數(shù)為定值時(shí)，旁路流量系數(shù)K也為固定值。那么由式（26）可知，主管道中流量Q和旁路管中流量q保持固定的線性關(guān)系。

沿程阻力系數(shù)λi是雷諾數(shù)Re和管壁相對(duì)粗糙度的函數(shù)，20181129093413與雷諾數(shù)Re和流動(dòng)幾何邊界尺寸有關(guān)。當(dāng)旁路管道的形狀、尺寸和粗糙度保持不變時(shí)，阻力系數(shù)僅是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。當(dāng)流體流動(dòng)滿足雷諾數(shù)Re≥105~2×105時(shí)，阻力系數(shù)為常數(shù)[10]。

因此，只要在測(cè)量過(guò)程中，保持旁路管道中流體流動(dòng)的雷諾數(shù)滿足Re≥105~2×105，就可以保證主管道中流量Q和旁路管中流量q保持固定的比值關(guān)系K，非常方便測(cè)量。

3旁路管流量計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)所提出的旁路管流量計(jì)測(cè)量原理，建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算；制作了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)量，對(duì)所提出的旁路管測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

旁路管流量計(jì)水體模型過(guò)流部件網(wǎng)格劃分旁路管整體網(wǎng)格劃分

3.1數(shù)值仿真計(jì)算

本次所建立的旁路管測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，主要過(guò)流元件有節(jié)流閥、整流束和溢流窗等。在UG中分別創(chuàng)建各個(gè)過(guò)流元件的三維水體模型，并通過(guò)裝配方式組裝成整個(gè)旁路管水體。

在ICEM中劃分旁路管水體的六面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為688.6萬(wàn)。

本次全流場(chǎng)計(jì)算采用ANSYS-Fluent軟件，紊流模型為Realizablek-ε模型。工作介質(zhì)密度966.62kg/m3，動(dòng)力粘度0.0003239Pa·s。溢流窗出口邊界采用壓力出口，出口壓力為液位靜壓強(qiáng)p3=ρgh3。旁路管進(jìn)口采用的邊界條件為壓力進(jìn)口，按泵的揚(yáng)程和靜壓強(qiáng)之和給定，如表1所示。

數(shù)值計(jì)算得到泵不同轉(zhuǎn)速下旁路管流量q，統(tǒng)計(jì)到表2中，并繪制出泵流量Q和旁路管流量q的關(guān)系圖5。從圖5中可以看出，在n＞149rpm的工況下，泵流量Q和旁路管流量q呈保持良好的線性關(guān)系，但n=149rpm時(shí)會(huì)有一定偏差。主要是該工況下流速較小，雷諾數(shù)Re＜105，開(kāi)始偏離阻力系數(shù)線性區(qū)間。

不同轉(zhuǎn)速下泵的出口壓力不同泵轉(zhuǎn)速下旁路管流量泵流量Q和旁路管流量q之間的關(guān)系

3.2試驗(yàn)

由前面分析可知，本測(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)泵在同一工況下運(yùn)行而提出的。即保持工作管道中運(yùn)行條件不變，主要是保持工作管道中的閥門(mén)的開(kāi)度保持不變，只調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，因受條件所限，需要對(duì)工作管道中的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也即是泵在非額定工況下運(yùn)行。本次試驗(yàn)的泵性能參數(shù)如圖6所示。

試驗(yàn)泵在990rpm下性能參數(shù)曲線

4結(jié)論

本文提出了一種旁路管泵流量計(jì)，該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉。通過(guò)理論分析，建立起了流量計(jì)中流量q和工作管道中流量Q之間的定量關(guān)系。通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算和試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的流量計(jì)是準(zhǔn)確可靠的。

通過(guò)分析可知，旁路管流量系數(shù)K主要與泵的特性參數(shù)、旁路管的形狀尺寸、流動(dòng)阻力系數(shù)有關(guān)。當(dāng)3方面的參數(shù)不變時(shí)，旁路流量系數(shù)K保持不變。

關(guān)于泵的特性參數(shù)，如果以調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)行，保持泵主閥開(kāi)度不變，那么泵的特性參數(shù)將不發(fā)生改變，此時(shí)旁路管流量系數(shù)K為固定值。當(dāng)泵以調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的方式運(yùn)行時(shí)，通過(guò)文中對(duì)試驗(yàn)的分析可知，如果已知泵的性能參數(shù)曲線，則也可確定出旁路管中流量和工作管道中流量的定量關(guān)系。但此種運(yùn)行方式下工作管道中，流量和旁路管中流量并不呈固定的線性關(guān)系。

關(guān)于旁路管的形狀尺寸，通常可忽略其變化。如果在特殊運(yùn)行條件下，旁路管中形狀和尺寸發(fā)生明顯變化時(shí)，主要將改變管道特性系數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)，需要單好進(jìn)行分析考慮。

關(guān)于旁路管流量計(jì)的流動(dòng)阻力系數(shù)，在旁路管形狀和尺寸不變時(shí)，只需保證旁路管中的流動(dòng)雷諾數(shù)足夠大，即Re≥105~2×105就可以使得流動(dòng)阻力系數(shù)不變。可以通過(guò)增加旁路管的尺寸，減小旁路管的阻力系數(shù)來(lái)獲得足夠的流動(dòng)雷諾數(shù)。但這同時(shí)也會(huì)使得旁路管中的流量變大，增加了工作管道中的流量損失。因此，在設(shè)計(jì)旁路管流量計(jì)時(shí)，應(yīng)該在保證盡量小的流量損失的前提下，增大旁路管道的尺寸，降低流動(dòng)阻力系數(shù)，保證旁路管中雷諾數(shù)滿足Re≥105~2×105。當(dāng)確定了旁路管整體形狀和尺寸后，可以在旁路管中設(shè)置節(jié)流閥。通過(guò)調(diào)整節(jié)流閥開(kāi)度，來(lái)調(diào)整和控制旁路系數(shù)K的大小。

總之，上海自動(dòng)化儀表通過(guò)合理的設(shè)計(jì)旁路管道形狀和尺寸，保證在測(cè)量范圍內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re≥105~2×105，泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運(yùn)行，且可以忽略旁路管流量計(jì)本身形狀和尺寸變化的情況下，將可以獲得和工作管道中流量呈固定線性關(guān)系的旁路管流量。在測(cè)量時(shí)，測(cè)得旁路管流量計(jì)的流量，就可以計(jì)算出工作管道中的流量。