一种离心泵气液两相流性能测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种泵性能测试领域，特别是涉及了一种离心泵气液两相流性能测试系统及其测试方法。

背景技术

气液两相流广泛存在于各种不同的流体传输领域，尤其在石油天然气、医疗和化工等行业得到广泛应用，而作为流体传输技术核心的离心泵已成为目前研究的热点。

离心泵作为输送流体的主要设备，属于叶片式泵，具有扬程高、效率高等特点。然而离心泵一般输送单相流体。气液两相流输送下，离心泵的性能将会发生显著改变。

目前国内对于离心泵气液两相流性能试验研究很少，原因有两点：一是在于试验中模拟气液两相流测试泵测试系统很难建立；二是离心泵在含气量较高的时候会发生堵塞流道现象，导致离心泵无法工作。正是因为我们对气液两相流输送下离心泵性能的了解需求如此迫切，所以有必要对于离心泵气液两相流性能测试系统的建立。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种离心泵气液两相流性能测试系统及其测试方法，具有结构简单，安装方便，能有效地测试离心泵气液两相流性能的优点。

本发明采用以下技术方案来实现：

一、一种离心泵气液两相流性能测试系统：

所述的泵测试系统为主要由储液罐、进口管路、进气管支路、变频泵机组和出口管路组成的一个闭式循环回路，储液罐中部的进口经出口管路连接到变频泵机组的出口端，变频泵机组的进口端经进口管路连接到储液罐底部的出口，进口管路上还连接有进气管支路。

所述的储液罐顶部连接有排气阀和真空泵。

所述的进口管路包括进水截止阀、第一电磁流量计、进水调节阀、气液混合装置和进口测压管，变频泵机组的进口端经进口测压管连接到气液混合装置的输出口，气液混合装置气相输入口连接进气管支路，气液混合装置的输入口依次经进水调节阀、第一电磁流量计、进水截止阀连接到储液罐罐底部的出口。

所述的进气管支路包括空气压缩机、储气罐、进气调节阀、转子流量计和进气截止阀，空气压缩机连接储气罐，储气罐依次经进气调节阀、转子流量计和进气截止阀后连接到气液混合装置的气相输入口；进气管支路通过进气调节阀和转子流量计之间形成反馈对进气量进行控制。

所述的出口管路包括出口测压管、测温管、出口调节阀、气液分离罐、第二电磁流量计和出口截止阀，储液罐罐中部的进口依次经出口截止阀、第二电磁流量计连接到气液分离罐，气液分离罐经出口调节阀与测温管的一端连接，测温管另一端经出口测压管与变频泵机组的出口端相连。

所述变频泵机组的离心泵在转速运行时，液体从储液罐流出，通过出口调节阀调节流量，然后通过进气管支路的进气调节阀调节进气量，使气体和液体在气液混合装置中均匀混合，混合后的气液两相流体经过离心泵，在出口管路中的气液分离罐中分离，气体充分排出，液体经过出口管路回到储液罐。

所述的进水调节阀和进气调节阀均为手动控制。

二、一种离心泵气液两相流性能测试方法：采用上述测试系统，采用以下方式分别测量获得扬程和效率关系数据、流量振动数据和气液两相流汽蚀性能数据：

A)对进口测压管和出口测压管的压力传感器信号和变频泵机组扭矩仪的信号进行采集，通过以下公式得到离心泵在不同含气量的气液两相流下的扬程和效率；

B)在变频泵机组的离心泵蜗壳上安装振动加速度传感器，通过调节不同的流量，采集不同流量下振动加速度传感器的信号，经分析处理得到该流量的振动幅值曲线；

C)通过储液罐上的真空泵调节变频泵机组的离心泵的入口压力，然后对离心泵进出口的进口测压管和出口测压管上的压力传感器信号进行采集，通过以下公式得到对应的泵的汽蚀余量以及扬程，进而得到离心泵在不同含气量的气液两相流汽蚀性能曲线。

所述步骤A)中在不同含气量的气液两相流下的扬程和效率采用以下方式计算得到：

A.1)由进水流量和进气流量采用以下公式计算获得气液两相流总流量Q_m：

Q_m＝q_w+q_g

式中，q_w——进水流量；q_g——进气流量；

A.2)由气液两相流总流量Q_m采用以下公式计算获得混合后的密度ρ_m：

ρ_m＝ρ_wq_w/Q_m+ρ_gq_g/Q_m

式中，ρ_w——水密度，ρ_g——空气密度；

A.3)由混合后的密度ρ_m采用以下公式计算获得泵的扬程H：

H＝(P_out-P_in)/ρ_mg+Δh

式中，P_in——进口压力，P_out——出口压力，Δh——进出口压力传感器的高度位置差，g——重力加速度；

A.4)由泵的扬程H采用以下公式计算获得泵的水力效率η_h：

η_h＝ρ_mgQ_mH/(Mω)

式中，M——轴扭矩，ω——角速度；

A.5)由泵的水力效率η_h采用以下公式计算获得泵的总效率η：

$\eta =\frac{1}{\frac{1}{{\eta }_v{\eta }_h}+\frac{{\mathrm{\Delta P}}_d}{P_e}+0.03}$

${\eta }_v=1/(1+0.68n_s^{-2/3}),n_s=3.65{\mathrm{nQ}}^{1/2}/H^{3/4}$

ΔP_d＝0.35×10^-2×kρω³R⁵，k＝0.8～1

式中：ΔP_d——叶轮圆盘摩擦损失功率，η_v——容积损失，η_h——水力损失，n_s——比转速，Q——流量，n——转速，ρ——流体密度，R——叶轮半径；

所述步骤A)中泵的汽蚀余量NPSH采用以下公式计算获得：

NPSH＝(P_in-P_v)/ρ_mg+Δh-H_f

式中，H_f——泵吸入口侧全管阻力损失，P_in——进口压力，P_v——液体饱和蒸汽压，ρ_m——混合后的密度，g——重力加速度，Δh——进出口压力传感器的高度位置差。

本发明中，电磁流量计安装要求需要满足前后预留十倍管径的直管段。

本发明中，进出口都安装了流量计，是为了测试进出口流量进行对比，并进行校准和检查气液分离罐的分离效果。

本发明中，可以通过进气管支路的进气调节阀和转子流量计之间形成反馈，对进气量进行控制，从而进一步控制气液两相流中含气率。

本发明中，进口管径宽于出口管径，出口管径宽于进气管支路管径。

本发明的优点是：

本发明所述的一种离心泵气液两相流性能测试系统，结构简单，易于拆卸，可以对离心泵、轴流泵、混流泵等多种泵进行气液两相流性能测试。

附图说明

图1是本发明测试系统的结构示意图。

图中：1—储液罐，2—进水截止阀，3—第一电磁流量计，4—进水调节阀，5—气液混合装置，6—进口测压管，7—变频泵机组，8—出口测压管，9—进气截止阀，10—转子流量计，11—进气调节阀，12—储气罐，13—空气压缩机，14—测温管，15—出口调节阀，16—气液分离罐，17—第二电磁流量计，18—出口截止阀，19—排气阀，20—真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明的泵测试系统为主要由储液罐1、进口管路、进气管支路、变频泵机组7和出口管路组成的一个闭式循环回路，储液罐1中部的进口经出口管路连接到变频泵机组7的出口端，变频泵机组7的进口端经进口管路连接到储液罐1底部的出口，进口管路上还连接有进气管支路。

储液罐1上面连接两个管，一个与有排气阀19连接，可以排出多余的罐内空气；另一个与真空泵20连接，用于对罐内液体抽真空。整个储液罐1与外界空气隔绝。

储液罐1通过进口管路顺序连接进水截止阀2、第一电磁流量计3、手动进水调节阀4、气液混合装置5，与变频泵机组7中的离心泵进口相连，其中进口测压管6连接在气液混合装置5与离心泵进口之间，用于测试泵进口压力。整个进口管路高度要求在储液罐1水位以下。

进气管支路从空气压缩机13出口，通过管路顺序连接储气罐12，进气调节阀11、转子流量计10、进气截止阀9，最后和气液混合装置5的气相进口相连，可通过进气调节阀11控制进气量。

变频泵机组7的离心泵出口通过出口管路顺序连接出口调节阀15，气液分离罐16，第二电磁流量计17、出口截止阀18，然后与储液罐1相连。其中测压管和测温管连接在离心泵出口和出口调节阀15之间，用于测试泵出口压力和温度。

变频泵机组7包括离心泵、扭矩仪、高速变频电机，中间用膜片联轴器相连接，整个机组都安装在一块底座上，保证设备的中心高在同一条水平线上。

本发明的具体实施工作过程如下：

先关闭进气调节阀11和出口调节阀15，全开进水截止阀2和出口截止阀18。再运行空气压缩机13，将进气管路的压力调节到设定要求，并保持稳定。启动离心泵，开始手动调节出口调节阀15，将流量调节到设定流量。再手动调节进气调节阀11，让气体通入进口管路。

调节进气调节阀11，通入不同含气量。此时，离心泵的进出口压力会出现 明显的变化，待稳定后，对进口测压管6和出口测压管8的压力传感器和变频泵机组7扭矩仪的信号进行采集，根据公式得到离心泵在不同含气量的气液两相流下扬程和效率曲线；

在离心泵蜗壳上安装振动加速度传感器，对蜗壳上进行振动信号采集，即可得到不同含气量下的离心泵振动曲线。

在每次调节到不同含气量下，控制出口流量不变，启动与储液罐相连的真空泵20，降低罐内的真空度，从而泵入口的压力降低，直到泵入口压力下降到临界压力，并保持稳定。重复上述试验，得到不同含气量下的离心泵汽蚀性能曲线。

具体实施的测试对象采用离心泵，但不限于此，本发明可应用于轴流泵、混输泵等多种泵体的测试。