潘宏剛，張 凱，李 亮，王 飛，劉 凱

(沈陽工程學(xué)院 a.能源與動力學(xué)院;b.學(xué)報編輯部，遼寧沈陽110136)

近年來，在能源與資源工業(yè)，特別是火力發(fā)電廠中出現(xiàn)了大管徑液體流量的測量問題.由于火力發(fā)電廠大管徑管道的流動特性很難掌握和測量，而流量測量又是工業(yè)計(jì)量的組成部分之一，就像工業(yè)生產(chǎn)的眼睛，對工業(yè)生產(chǎn)和能源節(jié)約都非常重要.因此，流量的準(zhǔn)確測量特別是火電廠大管徑液體流量的準(zhǔn)確測量，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行、水資源的節(jié)約和經(jīng)濟(jì)效益的提高都有積極作用.通過閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)和對各種流量檢測方法的深入了解，火電廠大管徑液體測量方式有很多，雖然每種流量計(jì)都有其優(yōu)點(diǎn)，但也都有其局限性，至今沒有一種對于大管徑流量測量沒有任何缺憾的方法.綜合以上諸多因素，在此提出了研究大管徑流量測量的新方法，即根據(jù)主管道和分支管道在不同負(fù)荷下流量特性關(guān)系，通過描繪曲線和計(jì)算得出兩者的關(guān)系，最終利用小管道流量特性反映出大管道流量特性.通過實(shí)驗(yàn)后對其誤差進(jìn)行的詳細(xì)分析，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有說服力.

1 測量原理及主要設(shè)備

1.1 測量原理

試驗(yàn)裝置原理如圖1所示，實(shí)物如圖2所示.泵從地下水池中抽水，出水分為3個支路，其中中間的為主管道不設(shè)閥門，兩端的為分支管道1和分支管道2設(shè)有閥門，出水排到聯(lián)合水箱(用隔板分為3個獨(dú)立的水箱)，水箱外設(shè)有水位計(jì).

圖1 試驗(yàn)裝置原理

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物

從2個水箱引出水位計(jì)，旁邊放一秒表，在設(shè)定的工況下，通過相機(jī)記錄下不同時間的水位高度，利用公式(水箱截面積×高度差/時間差=體積流量)確定流量，同時采用多點(diǎn)計(jì)算取平均值的方法保證精確度.計(jì)算出主管道與不同直徑分支管道的流量，根據(jù)電動機(jī)的頻率與泵的轉(zhuǎn)速成正比，則主管道內(nèi)的流量變化值100%、90%、80%、70%、60%、50%所對應(yīng)的電動機(jī)的頻率分別為 50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz、30 Hz、25 Hz，以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)變頻器來實(shí)現(xiàn)對主管道流量負(fù)荷的控制.然后，繪出在不同的頻率下(從高到低)主管道和各分支管道之間的流量比關(guān)系.

1.2 主要設(shè)備

循環(huán)水泵:型號1R100-80-125，揚(yáng)程20 m，流量100 m3/h，允許吸上真空高度5.5 m，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min，效率70%.

管道和水箱尺寸分別見表1、表2.

表1 管道尺寸

表2 水箱尺寸

2 數(shù)據(jù)測量與分析

2.1 數(shù)據(jù)測量

主要測量主管道與分支管道在不同負(fù)荷情況下的流量，得出主管道與分支管道之間的流量關(guān)系.流量測量采用的方法:主管道與分支管道1同時啟動，關(guān)閉分支管道2，其測量數(shù)據(jù)如表3所示;主管道與分支管道2同時啟動，關(guān)閉分支管道1，其測量數(shù)據(jù)如表4所示.

表3 主管道與分支管道1同時啟動，關(guān)閉分支管道2時的測量數(shù)據(jù)

表4 主管道與分支管道2同時啟動，關(guān)閉分支管道1時的測量數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程是利用體積法來測量各管道的流量，然后利用差值法求出水位計(jì)高度與對應(yīng)時間的線性關(guān)系，再取其平均值來降低讀數(shù)過程中人為因素造成的誤差，即可得到水箱內(nèi)液面上升的速度，通過V·A=qv得出管道內(nèi)流量.當(dāng)只開主管道和主管道與分支管道1同時開啟時測得的流量見表5，不同負(fù)荷下2種工況對應(yīng)的流量曲線關(guān)系如圖3所示.

表5 只開主管道與主管道和分支管道1同時開啟時的流量之和及流量關(guān)系

在不同負(fù)荷下，測得主管道與分支管道1之間的流量關(guān)系如表6所示，流量隨負(fù)荷變化曲線如圖4所示，主管道與分支管道1流量比值與工況之間的曲線關(guān)系如圖5所示.

在不同負(fù)荷下，測得主管道與分支管道2之間的流量關(guān)系如表7所示，流量隨負(fù)荷變化曲線如圖6所示，主管道與分支管道2流量比值與工況之間的曲線關(guān)系如圖7所示.

圖3 管道總流量在不同工況下的曲線關(guān)系

圖4 主管道與分支管道1在不同工況下的流量關(guān)系曲線

表6 主管道與分支管道1的流量關(guān)系

表7 主管道與分支管道2的流量關(guān)系表

圖5 主管道與分支管道1流量比值與工況之間的曲線關(guān)系

圖6 主管道與分支管道2在不同工況下的流量關(guān)系曲線

截取圖5和圖7中主管道流量40%到80%段繪于同一坐標(biāo)系里，如圖8所示.

圖7 主管道與分支管道2流量比值與工況之間的曲線關(guān)系

圖8 主管道與分支管道1、2流量比值隨工況變化的曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)主管道水流量從高負(fù)荷到低負(fù)荷變化時，主管道與分支管道之間的流量特性曲線間的距離呈先平行后減小的趨勢.當(dāng)主管道流量低于80%額定流量時，主管道流量特性曲線開始發(fā)生明顯的下降趨勢.

主管道負(fù)載在40%至80%段時，所對應(yīng)的流量之比基本呈直線變化，2條直線斜率分別為0.412和0.137，與水平軸的夾角分別為 22.4°和 7.8°.可見管徑差距越大，直線斜率就越大，即流量之比隨著管徑之比的增大而增大.當(dāng)主管道與分支管道管徑相同時，管徑之比為1，斜率為0，即一條水平直線y=1，所以流量之比變化關(guān)系應(yīng)遵循方程y=kx+1.由于不同管徑對應(yīng)不同的斜率k，因此可通過測量不同管徑比時的流量關(guān)系得到k值，從而得到流量比與管徑比之間的對應(yīng)關(guān)系.其形成如表8所示，對應(yīng)的曲線關(guān)系如圖9所示.

表8 流量比與管徑比之間的關(guān)系

圖9 不同管徑比的流量比關(guān)系曲線

由表8可根據(jù)未知主管道流量的管徑之比得到流量之比，再由小管徑流量和流量之比得出大管徑內(nèi)流體流量.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜上所述，分別求出主管道與分支管道的臨界流量，則主管道與分支管道的最大流量比可以確定，在流量之比坐標(biāo)圖中找到對應(yīng)的最大流量比的點(diǎn)，然后連接其與(0，1)點(diǎn)即可形成流量之比的變化關(guān)系曲線，根據(jù)最大流量比的點(diǎn)與(0，1)點(diǎn)可求得該曲線斜率k，若測得分支管道內(nèi)的流量，即可得到主管道內(nèi)的流量q主=kq分.依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)論，即可采用小管道流量測量來計(jì)算出大管徑液體流量.在小管徑流量測量中，可以采用較為精確的流量測量裝置，以提高大管徑流量測量的精確度，同時小管徑中應(yīng)用的流量計(jì)價錢也比較便宜.所以，該方法可以提高測量精確度和提高經(jīng)濟(jì)性，可以在火力發(fā)電廠及工業(yè)生產(chǎn)的大管徑液體流量測量中應(yīng)用和推廣.

［1］沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［2］張燕俠.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［3］史秀麗，張宏峰，李文鵬，等.流量計(jì)量在工業(yè)上的應(yīng)用及其重要性［J］.工業(yè)計(jì)量，2006(2):148-149.

［4］陳文義，張 偉.流體力學(xué)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2004.

［5］劉志昌.工程流體力學(xué)［M］.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1996.