固液兩相流泵性能參數影響實驗

潘 越，于明明

（河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲 056038）

固液兩相流泵性能參數影響實驗

潘 越，于明明

（河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲 056038）

在工業生產領域中，固液兩相流泵是運用普遍的流體機械。泵的性能參數影響泵的效率與使用壽命，基于此，研究固液兩相流的介質特性和泵結構參數對泵性能參數的影響，對測試系統中的硬件、軟件系統、試驗管路、關鍵儀器儀表的選擇進行了設計搭建。利用由LabVIEW與PLC組成的固液兩相流泵性能參數的測試系統，完成固液兩相流泵性能參數影響因素的判定。

固液兩相流泵；測試實驗系統；LabVIEW；監控系統；泵性能參數

0 引言

固液兩相流泵是普遍用于工業生產部門的流體機械，在水利、煤炭、礦山、化工、電力、建材、土建、冶金等行業都發揮著重要作用。長期以來，固液兩相流泵的設計大多是按清水介質的輸送設計的，對固液兩相流特性的研究基本停留在傳統的理論分析和計算機模擬層面上。但由于復雜的固液兩相流運動，不能確切模擬實際運動情況，就會致使計算機的模擬結果與實際運動情況有所差距[1-2]，使得固液兩相流泵存在磨損嚴重、效率低、壽命短、可靠性差等問題。因此，根據固液兩相流的運輸特性和測試系統的主要技術要求，初步設計了一套固液兩相流實驗系統，用來研究對固液兩相流泵性能參數的影響。

1 測試性能參數

固液兩相流泵工作性能參數主要包括工作轉速n、揚程H、軸功率N、效率η與流量Q。通過修改固液兩相流的參數與泵結構的有關參數，系統可方便、快速地判斷出影響固液兩相流泵性能參數的因素。本固液兩相流泵性能測試系統性能參數的測試數據包括：進出口壓力、流量、轉速、扭矩、揚程、軸功率和效率等，其中進出口壓力、流量、轉速、扭矩為測量數據；揚程、軸功率、效率由測量數據計算得到[3-4]。

2 性能參數測試系統方案

硬件系統與軟件系統組成了一個完整的泵性能參數測試系統。硬件系統是系統實現的基礎，是關系整個系統成敗的重要因素，其硬件系統的設計主要包括試驗管路的設計，硬件結構和布局的設計，儀器儀表的選型等[5]。軟件系統是整個系統的核心，泵性能試驗的軟件開發要實現采集實時數據、對管道的控制、對數據進行濾波、顯示、儲存、公式計算，然后對結果采用擬合算法擬合繪制曲線、生成報表等操作功能。如圖1所示為技術路線圖。

2.1 硬件系統

硬件系統主要是解決數據采集與工控機的連接問題。硬件系統的主要功能是通過傳感器、二次儀表及工控機外圍接口實現對各測試參數的采集、處理[5]。硬件系統主要分為兩部分：一部分主要負責采集系統所需的各種參數信號，將傳感器測量的物理信號轉換成電信號；另一部分則負責將采集到的電信號通過數據采集系統轉換成工控機能識別的數字信號，并將其送入工控機中進一步處理和分析[5]。

2.2 軟件系統

本系統采用LabVIEW監控軟件，PLC數據采集、控制軟件，通過OPC技術實現LabVIEW與PLC的數據傳輸連接。LabVIEW監控界面將PLC采集的泵測試數據進行數據處理、顯示，同時，PLC采集的數據經程序判定對泵測試系統進行控制，完成固液兩相流泵的性能參數測試。軟件系統具有管路控制、數據采集、歷史數據調用、數據保存、數據顯示、數據分析處理、數值顯示及其性能曲線顯示、結果保存、生成試驗報表等功能。

3 固液兩相流泵測試系統設計

3.1 固液兩相流泵試驗管路設計

試驗管路是系統的主要部分，設計重點是基于固液兩相流泵的工作特點，選擇合理的實驗設備、儀器儀表、管道及其附件，實現測試方法的合理性，安全性，通用性，可以適用于不同種類泵，并兼顧經濟美觀[6]。

圖1 系統技術路線圖

與普通的清水介質性能試驗相比，輸送固液兩相流介質的試驗在試驗系統搭建和試驗過程中都存在較多的困難，包括固液兩相流流量的測量、固液兩相流的密度測量、固液兩相的攪拌與密度的穩定等方面[7]。由于輸送固液兩相流，是以對試驗裝置有特殊要求，在對比開式與閉式實驗裝置時，開式試驗裝置具有方便維護和操作的特點，更符合固液兩相流的裝置要求。因此在參考了清水介質開式測試設備的基礎上，本文重新設計搭建了固液兩相流泵試驗裝置，如圖2中所示的系統管路圖。

圖2 固液兩相流泵試驗系統管路裝置

3.2 性能參數測量的儀器儀表

根據試驗系統的性能要求，關鍵儀器的選型如表1。

3.3 軟件系統設計

本測試系統的軟件設計部分采用PLC控制器與LabVIEW軟件。上位機利用LabVIEW軟件組成上位機的數據處理監控測試系統，下位機以PLC控制器為核心組成系統的數據采集系統與控制系統。試驗時，由上位工控機LabVIEW發出測試開始指令，由PLC完成對測試數據的采集與試驗管路相關變量的控制。PLC能夠可靠地采集各種測試數據，測試過程中通過控制程序的判斷，可以安全的處理出現的異常情況，同時PLC將采集到的測試數據實時傳輸給工控機[8]。LabVIEW與PLC通過OPC的方式進行實時數據的連接讀取，將測量的數據由LabVIEW進行二次處理，通過數字運算處理分析、曲線擬合、數值顯示及其性能曲線顯示、生成報表等操作，完成固液兩相流泵性能參數影響因素的判定，如圖3所示。

表1 關鍵儀器的選型

4 對性能參數的影響

4.1 介質濃度影響

隨著在單位體積內同種介質的添加，介質的濃度與密度的增加，對泵性能參數具有顯著的影響。當輸送顆粒濃度增加時，揚程在小流量時下降較小，在大流量時下降幅度較大。濃度越高，泵的揚程就會越低，同時隨著濃度的增加，泵的最大流量逐漸減小，為達到所需的揚程，功率就會增加，效率降低。小顆粒時揚程受初始的固相濃度影響不大，但是大顆粒時，泵的揚程隨著初始固相濃度增大而下降，并且下降速度快。

圖3 軟件系統設計流程圖

4.2 顆粒的影響

與輸送清水時比較，當顆粒直徑增加時，揚程在小流量時下降較小，在大流量時下降幅度較大，但是最大流量點的變化不大；隨著顆粒直徑增大，最高效率點下降且向小流量方向偏移，泵的穩定高效區縮小。在輸送固液混合物時，直徑越大，進口壓力越低，越容易發生汽蝕，如圖4所示。

圖4 介質濃度、顆粒對性能參數的影響

5 結語

根據固液兩相流的運輸特性和測試系統的主要技術要求，本文建立了基于固液兩相流的輸送、LabVIEW監控軟件、PLC數據采集的固液兩相流泵性能參數測試試驗系統。通過使用此系統修改輸送的介質濃度與溫度等條件，可方便、快速地判斷出對固液兩相流泵性能參數的影響。借助Lab?VIEW和PLC軟件系統，使測試系統安全、快速的完成對數據采集與系統控制，同時高效地完成數據分析和試驗結果判定。

［1］劉宜，喬金宇.固液兩相流綜合試驗臺管路設計［J］.甘肅科學學報，2012，2（24）：98-100.

［2］項佳梁，李昳，唐華.固液兩相離心泵內部非定常流動特性研究［J］.機電工程，2014（6）：702-706.

［3］席賽.礦井主排水泵性能自動測試系統研究與開發［D］.焦作：河南理工大學，2012.

［4］王建春，周知進，胡斌梁.油泵限壓閥閥芯對流量穩定性的影響［J］.機電工程技術，2013（4）：92-94.

［5］肖周勇.基于LabVIEW水泵性能測試系統的研究［D］.長沙：中南林業科技大學，2012.

［6］李路，張跟超，陳占清.渣漿泵性能檢測系統試驗設計［J］.徐州工程學院學報，2010，2（25）：18-21.

［7］何偉強.固液泵的數值模擬與試驗研究［D］.杭州：浙江理工大學，2010.

［8］張明軍，張國亮，解詩軍，等.基于LabVIEW與PLC的泵組試驗臺［J］.工業控制計算機，2013，3（26）：21-22.

Performance Parameters Test Experiment Solid Liquid Two Phase Flow Pump

PAN Yue，YU Ming-ming
（School of Electrical and Mechanical Engineering of Hebei University of Engineering，Handan056038，China）

In the field of industrial production，solid liquid two phase flow pump is the most commonly used fluid machinery.Pump performance parameters affect the efficiency and service life of the pump.Based on the influence of dielectric properties of solid liquid two phase flow and pump structure parameters on pump performance parameters，the thesis designs the test system of hardware and software，test line，the key instrument of choice.Using the test system of solid liquid two phase flow pump performance parameters composed of LabVIEW and PLC，that complete determination to solid-liquid two-phase pump performance parameters influencing factors.

solid liquid two phase flow pump；test experiment system；LabVIEW；monitoring system；pump performance parameters

TH137.51

：A

：1009－9492(2014)11－0045－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.012

潘 越，男，1972年生，黑龍江雙鴨山人，博士后，副教授。研究領域：大型設備的故障診斷和煤礦機電。

(編輯：阮 毅)

2014－07－02