大口徑泵循環(huán)管道的內(nèi)潛式旁路管流量計
閱讀: 發(fā)布時間:2020-06-23
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可通過測量旁路管中流量,計算獲得大口徑工作管道中的流量。通過數(shù)值仿真計算方法和試驗,對所提出的旁路管流量計進行了驗證。數(shù)值仿真計算結(jié)果和試驗結(jié)果都證實了所提出的旁路管流量計準確可行。
摘要:本文提出了一種可用于測量大口徑泵循環(huán)管道流量的內(nèi)潛式旁路管流量計。本流量計結(jié)構(gòu)簡單,測量方便,不受被測量管道口徑的限制。當被測工作管道中工作泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運行,且流量計中流動雷諾數(shù)滿足Re≥105~2×105時,被測工作管道中流量和旁路管流量計中流量成固定的線性關(guān)系。因此,可通過測量旁路管中流量,計算獲得大口徑工作管道中的流量。通過數(shù)值仿真計算方法和試驗,對所提出的旁路管流量計進行了驗證。數(shù)值仿真計算結(jié)果和試驗結(jié)果都證實了所提出的旁路管流量計準確可行。
0前言
目前用于直接測量管道中流量的流量計種類較多,主要有電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計、差壓式流量計、渦輪式流量計、容積式流量計、浮子式流量計等,可根據(jù)測量介質(zhì)的特性和工作條件進行選用[1,2]。當這些流量計直接用于大口徑管道測量時,存在著各自的局限性,如造價較高[3],困難以及成本高昂等問題[4]。大口徑流量計還受到工作管道使用條件的限制。除直接用流量計對管道流量進行測量外,也可以用間接的方法測量。如潘宏剛等[5]設(shè)計出一種用支管的方法間接測量火力發(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。
本文根據(jù)實際工業(yè)需求,提出了一種用于測量大型泵循環(huán)管道中流量的內(nèi)潛式旁路管泵流量計。該流量計避免了大口徑流量計的使用,只需對小口徑旁路管進行流量測量,就可計算獲得工作管道中的流量。具有結(jié)構(gòu)簡單,測量方便,造價低廉,容易,不受被測管道管徑限制的優(yōu)點,并應(yīng)用數(shù)值仿真和試驗的方法,驗證了所提出的流量計準確可行,并簡要分析了本流量計設(shè)計和使用的要點。
1旁路管流量計
工作管道和旁路管流量計的布置如圖1所示。工作泵和旁路管流量計都置于液池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。為了測量流量Q的大小,在工作管道上開有小孔,連接旁路管流量計6。工作管道中液體有小部分進入旁路管內(nèi),形成流量q。旁路管流量計進口處布置有節(jié)流閥4,對流量q進行調(diào)節(jié)控制。在旁路管上布置電磁流量計7,用于測量旁路管中的流量q。為了使得電磁流量計的測量段流體流動平順,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)。
旁路管流量計只需測量旁路管中的流量q,就可換算獲得工作管道中的流量Q。旁路管道尺寸較小,測量q較容易,對工作管道也幾乎沒有影響。還可通過節(jié)流閥對進入旁路管流量計中的流量進行調(diào)節(jié)控制,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。
2 旁路管流量計測量原理
泵在額定工況下運行時,其流量為Q0,揚程為H0,額定轉(zhuǎn)速為n0。如果泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運行,那么泵以任意轉(zhuǎn)速n運行時,其流量Q和揚程H滿足以下關(guān)系[7]:
稱K0為泵特性系數(shù)。因為Q0和H0分別為泵在額定工況下的流量和揚程,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行分析。泵揚程H是指泵抽送的單位重量液體由進口至出口的能量增值[8]。泵的吸入進口在液池中任意位置,出口在1-1斷面。由于液池內(nèi)流體處于靜止狀態(tài),所以液池內(nèi)任意點流體的機械能都和液面相同。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械能可用液面機械能表示。根據(jù)揚程H的定義,可得:
式(6)中,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;ρ為流體的密度;g為重力加速度;α1和α3為應(yīng)斷面的動能修正系數(shù),在實際工程計算中常取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,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,當泵以調(diào)速方式運行時,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、流體流動的沿程阻力系數(shù)λi和局部阻力系數(shù)ξi。當不考慮旁路管的形狀尺寸變化時,只有流體流過旁路管時的阻力系數(shù)會影響旁路系數(shù)K。也就是說,當旁路管的流動阻力系數(shù)為定值時,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和管壁相對粗糙度的函數(shù),與雷諾數(shù)Re和流動幾何邊界尺寸有關(guān)。當旁路管道的形狀、尺寸和粗糙度保持不變時,阻力系數(shù)僅是雷諾數(shù)Re的函數(shù)。當流體流動滿足雷諾數(shù)Re≥105~2×105時,阻力系數(shù)為常數(shù)[10]。
因此,只要在測量過程中,保持旁路管道中流體流動的雷諾數(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,非常方便測量。
3旁路管流量計驗證
根據(jù)所提出的旁路管流量計測量原理,建立了相應(yīng)的數(shù)值模型,進行了數(shù)值仿真計算;制作了相應(yīng)的測量系統(tǒng),開展試驗測量,對所提出的旁路管測量系統(tǒng)進行了驗證。
3.1數(shù)值仿真計算
本次所建立的旁路管測量系統(tǒng)如圖2所示,主要過流元件有節(jié)流閥、整流束和溢流窗等。在UG中分別創(chuàng)建各個過流元件的三維水體模型,并通過裝配方式組裝成整個旁路管水體,如圖2所示。
在ICEM中劃分旁路管水體的六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為688.6萬。主要過流部件網(wǎng)格和整體網(wǎng)格如圖3和圖4所示。
本次全流場計算采用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p3=ρgh3。旁路管進口采用的邊界條件為壓力進口,按泵的揚程和靜壓強之和給定,如表1所示。
數(shù)值計算得到泵不同轉(zhuǎn)速下旁路管流量q,統(tǒng)計到表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時會有一定偏差。主要是該工況下流速較小,雷諾數(shù)Re<105,開始偏離阻力系數(shù)線性區(qū)間。
3.2試驗
由前面分析可知,本測量系統(tǒng)是針對泵在同一工況下運行而提出的。即保持工作管道中運行條件不變,主要是保持工作管道中的閥門的開度保持不變,只調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。在進行試驗時,因受條件所限,需要對工作管道中的閥門進行調(diào)節(jié),也即是泵在非額定工況下運行。本次試驗的泵性能參數(shù)如圖6所示。
4結(jié)論
本文提出了一種旁路管泵流量計,該流量計結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,成本低廉。通過理論分析,建立起了流量計中流量q和工作管道中流量Q之間的定量關(guān)系。通過數(shù)值仿真計算和試驗,驗證了所提出的流量計是準確可靠的。
通過分析可知,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、流動阻力系數(shù)有關(guān)。當3方面的參數(shù)不變時,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)速的方式運行,保持泵主閥開度不變,那么泵的特性參數(shù)將不發(fā)生改變,此時旁路管流量系數(shù)K為固定值。當泵以調(diào)節(jié)閥門開度的方式運行時,通過文中對試驗的分析可知,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??珊雎云渥兓H绻谔厥膺\行條件下,旁路管中形狀和尺寸發(fā)生明顯變化時,主要將改變管道特性系數(shù)和流動阻力系數(shù),需要單好進行分析考慮。
關(guān)于旁路管流量計的流動阻力系數(shù),在旁路管形狀和尺寸不變時,只需保證旁路管中的流動雷諾數(shù)足夠大,即Re≥105~2×105就可以使得流動阻力系數(shù)不變。可以通過增加旁路管的尺寸,減小旁路管的阻力系數(shù)來獲得足夠的流動雷諾數(shù)。但這同時也會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)計旁路管流量計時,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,降低流動阻力系數(shù),保證旁路管中雷諾數(shù)滿足Re≥105~2×105。當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。通過調(diào)整節(jié)流閥開度,來調(diào)整和控制旁路系數(shù)K的大小。
之,通過合理的設(shè)計旁路管道形狀和尺寸,保證在測量范圍內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re≥105~2×105,泵以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式運行,且可以忽略旁路管流量計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。在測量時,測得旁路管流量計的流量,就可以計算出工作管道中的流量。