固液两相流泵性能参数影响实验

潘 越，于明明

（河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038）

固液两相流泵性能参数影响实验

潘 越，于明明

（河北工程大学机电工程学院，河北邯郸 056038）

在工业生产领域中，固液两相流泵是运用普遍的流体机械。泵的性能参数影响泵的效率与使用寿命，基于此，研究固液两相流的介质特性和泵结构参数对泵性能参数的影响，对测试系统中的硬件、软件系统、试验管路、关键仪器仪表的选择进行了设计搭建。利用由LabVIEW与PLC组成的固液两相流泵性能参数的测试系统，完成固液两相流泵性能参数影响因素的判定。

固液两相流泵；测试实验系统；LabVIEW；监控系统；泵性能参数

0 引言

固液两相流泵是普遍用于工业生产部门的流体机械，在水利、煤炭、矿山、化工、电力、建材、土建、冶金等行业都发挥着重要作用。长期以来，固液两相流泵的设计大多是按清水介质的输送设计的，对固液两相流特性的研究基本停留在传统的理论分析和计算机模拟层面上。但由于复杂的固液两相流运动，不能确切模拟实际运动情况，就会致使计算机的模拟结果与实际运动情况有所差距[1-2]，使得固液两相流泵存在磨损严重、效率低、寿命短、可靠性差等问题。因此，根据固液两相流的运输特性和测试系统的主要技术要求，初步设计了一套固液两相流实验系统，用来研究对固液两相流泵性能参数的影响。

1 测试性能参数

固液两相流泵工作性能参数主要包括工作转速n、扬程H、轴功率N、效率η与流量Q。通过修改固液两相流的参数与泵结构的有关参数，系统可方便、快速地判断出影响固液两相流泵性能参数的因素。本固液两相流泵性能测试系统性能参数的测试数据包括：进出口压力、流量、转速、扭矩、扬程、轴功率和效率等，其中进出口压力、流量、转速、扭矩为测量数据；扬程、轴功率、效率由测量数据计算得到[3-4]。

2 性能参数测试系统方案

硬件系统与软件系统组成了一个完整的泵性能参数测试系统。硬件系统是系统实现的基础，是关系整个系统成败的重要因素，其硬件系统的设计主要包括试验管路的设计，硬件结构和布局的设计，仪器仪表的选型等[5]。软件系统是整个系统的核心，泵性能试验的软件开发要实现采集实时数据、对管道的控制、对数据进行滤波、显示、储存、公式计算，然后对结果采用拟合算法拟合绘制曲线、生成报表等操作功能。如图1所示为技术路线图。

2.1 硬件系统

硬件系统主要是解决数据采集与工控机的连接问题。硬件系统的主要功能是通过传感器、二次仪表及工控机外围接口实现对各测试参数的采集、处理[5]。硬件系统主要分为两部分：一部分主要负责采集系统所需的各种参数信号，将传感器测量的物理信号转换成电信号；另一部分则负责将采集到的电信号通过数据采集系统转换成工控机能识别的数字信号，并将其送入工控机中进一步处理和分析[5]。

2.2 软件系统

本系统采用LabVIEW监控软件，PLC数据采集、控制软件，通过OPC技术实现LabVIEW与PLC的数据传输连接。LabVIEW监控界面将PLC采集的泵测试数据进行数据处理、显示，同时，PLC采集的数据经程序判定对泵测试系统进行控制，完成固液两相流泵的性能参数测试。软件系统具有管路控制、数据采集、历史数据调用、数据保存、数据显示、数据分析处理、数值显示及其性能曲线显示、结果保存、生成试验报表等功能。

3 固液两相流泵测试系统设计

3.1 固液两相流泵试验管路设计

试验管路是系统的主要部分，设计重点是基于固液两相流泵的工作特点，选择合理的实验设备、仪器仪表、管道及其附件，实现测试方法的合理性，安全性，通用性，可以适用于不同种类泵，并兼顾经济美观[6]。

图1 系统技术路线图

与普通的清水介质性能试验相比，输送固液两相流介质的试验在试验系统搭建和试验过程中都存在较多的困难，包括固液两相流流量的测量、固液两相流的密度测量、固液两相的搅拌与密度的稳定等方面[7]。由于输送固液两相流，是以对试验装置有特殊要求，在对比开式与闭式实验装置时，开式试验装置具有方便维护和操作的特点，更符合固液两相流的装置要求。因此在参考了清水介质开式测试设备的基础上，本文重新设计搭建了固液两相流泵试验装置，如图2中所示的系统管路图。

图2 固液两相流泵试验系统管路装置

3.2 性能参数测量的仪器仪表

根据试验系统的性能要求，关键仪器的选型如表1。

3.3 软件系统设计

本测试系统的软件设计部分采用PLC控制器与LabVIEW软件。上位机利用LabVIEW软件组成上位机的数据处理监控测试系统，下位机以PLC控制器为核心组成系统的数据采集系统与控制系统。试验时，由上位工控机LabVIEW发出测试开始指令，由PLC完成对测试数据的采集与试验管路相关变量的控制。PLC能够可靠地采集各种测试数据，测试过程中通过控制程序的判断，可以安全的处理出现的异常情况，同时PLC将采集到的测试数据实时传输给工控机[8]。LabVIEW与PLC通过OPC的方式进行实时数据的连接读取，将测量的数据由LabVIEW进行二次处理，通过数字运算处理分析、曲线拟合、数值显示及其性能曲线显示、生成报表等操作，完成固液两相流泵性能参数影响因素的判定，如图3所示。

表1 关键仪器的选型

4 对性能参数的影响

4.1 介质浓度影响

随着在单位体积内同种介质的添加，介质的浓度与密度的增加，对泵性能参数具有显著的影响。当输送颗粒浓度增加时，扬程在小流量时下降较小，在大流量时下降幅度较大。浓度越高，泵的扬程就会越低，同时随着浓度的增加，泵的最大流量逐渐减小，为达到所需的扬程，功率就会增加，效率降低。小颗粒时扬程受初始的固相浓度影响不大，但是大颗粒时，泵的扬程随着初始固相浓度增大而下降，并且下降速度快。

图3 软件系统设计流程图

4.2 颗粒的影响

与输送清水时比较，当颗粒直径增加时，扬程在小流量时下降较小，在大流量时下降幅度较大，但是最大流量点的变化不大；随着颗粒直径增大，最高效率点下降且向小流量方向偏移，泵的稳定高效区缩小。在输送固液混合物时，直径越大，进口压力越低，越容易发生汽蚀，如图4所示。

图4 介质浓度、颗粒对性能参数的影响

5 结语

根据固液两相流的运输特性和测试系统的主要技术要求，本文建立了基于固液两相流的输送、LabVIEW监控软件、PLC数据采集的固液两相流泵性能参数测试试验系统。通过使用此系统修改输送的介质浓度与温度等条件，可方便、快速地判断出对固液两相流泵性能参数的影响。借助Lab⁃VIEW和PLC软件系统，使测试系统安全、快速的完成对数据采集与系统控制，同时高效地完成数据分析和试验结果判定。

［1］刘宜，乔金宇.固液两相流综合试验台管路设计［J］.甘肃科学学报，2012，2（24）：98-100.

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［3］席赛.矿井主排水泵性能自动测试系统研究与开发［D］.焦作：河南理工大学，2012.

［4］王建春，周知进，胡斌梁.油泵限压阀阀芯对流量稳定性的影响［J］.机电工程技术，2013（4）：92-94.

［5］肖周勇.基于LabVIEW水泵性能测试系统的研究［D］.长沙：中南林业科技大学，2012.

［6］李路，张跟超，陈占清.渣浆泵性能检测系统试验设计［J］.徐州工程学院学报，2010，2（25）：18-21.

［7］何伟强.固液泵的数值模拟与试验研究［D］.杭州：浙江理工大学，2010.

［8］张明军，张国亮，解诗军，等.基于LabVIEW与PLC的泵组试验台［J］.工业控制计算机，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，黑龙江双鸭山人，博士后，副教授。研究领域：大型设备的故障诊断和煤矿机电。

(编辑：阮 毅)

2014－07－02