Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом

 

Способ основан на том, что для текущего момента определяют давление на входе в насос и на выходе из насоса с учетом номинального давления, измеряют электрическую мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса, и определяют фактическое значение мощности, действующей на валу насоса с учетом фактического значения КПД для этой величины мощности, вычисляют для текущего момента величину расходного коэффициента и, используя выявленные зависимости от производительности величин напора, давления, мощности на валу насоса и расходного коэффициента для центробежного насоса, определяют фактический объемный расход, вычисляют плотность подаваемой жидкости и на основании полученных данных вычисляют массовый расход путем умножения найденного значения объемного расхода жидкости на ее плотности. Изобретение позволяет упростить процесс измерения и повысить его точность. 9 ил., 2 табл.

Изобретение относится ко всем областям человеческой деятельности, где применяются центробежные электронасосы, и может быть использовано для измерения массового расхода и плотности жидкости.

Известны способы измерения массового расхода жидкости, например, калориметрическим способом, который основан на нагреве потока жидкости постоянным источником энергии, создающим в потоке разность температур, зависящую от скорости потока и расхода тепла в нагревателе. (Кремлевский П.П. Расходомеры.- Машгиз, 1963). Недостатками такого способа измерения массового расхода является то, что в потоке жидкости должны находиться нагреватель и два термочувствительных элемента, что практически исключает его промышленное применение. Имеются и другие способы измерения массового расхода жидкости, но они все в конечном итоге связаны с установкой в потоке жидкости чувствительных элементов. Все это привело к тому, что практически массовые расходомеры на потоке нигде в широком масштабе не применяются.

Известны плотномеры жидкости, основанные на взвешивании, например, поплавка, заполненного эталонной жидкостью и погружаемого в контролируемую среду, или измерение плотности осуществляется непрерывным взвешиванием в датчике отрезка трубопровода, по которому протекает жидкость. Известен также резонансный способ измерения, по которому измерение плотности основано на зависимости резонансной частоты механических колебаний трубок приточной системы от плотности протекающей по ним жидкости. Недостатками этих способов является наличие в потоке жидкости измерительных элементов, которые имеют низкую надежность и большую зависимость от внешних факторов. Поэтому они практического применения не имеют. (Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие /Под. ред. Б.Д. Кашарского.- Л.: Машиностроение, 1976).

Известен способ измерения расхода, основанный на определении мощности, потребляемой электродвигателем привода вала насоса (А.с. N 16117201, F 04 B 51/00, 1990, 2 с.). Однако этот способ не решает вопроса измерения массового расхода жидкости.

Решаемая задача - упрощение процесса измерения массового расхода и плотности жидкости и повышение его точности.

Отличие от известных способов измерения массового расхода и плотности жидкости состоит в том, что предварительно для центробежного насоса определяют зависимости от производительности величины напора, давления, мощности на валу насоса и находят расходный коэффициент, определяемый как разность результата деления мощности на валу насоса на развиваемое им давление при данной производительности на результат деления мощности на валу насоса на развиваемое им давление при нулевой производительности, а для электродвигателя определяют зависимость КПД от потребляемой электрической мощности, затем для текущего момента определяют давление на входе в насос с учетом знака и на выходе из насоса, измеряют электрическую мощность, потребляемую электродвигателем привода насоса, и определяют фактическое значение мощности, действующей на валу насоса с учетом фактического значения КПД для этой величины мощности, вычисляют для текущего момента величину расходного коэффициента и, используя вычисленные зависимости от производительности величин напора, давления, мощности на валу насоса и расходного коэффициента для центробежного насоса, определяют фактический объемный расход, а по зависимости напора от производительности вычисляют плотность подаваемой жидкости путем деления действующего перепада давления на насосе на действующее значение напора и ускорение свободного падения, и на основании полученных данных вычисляют массовый расход путем умножения найденного значения объемного расхода жидкости на вычисленное значение ее плотности.

Доказательство существенных отличительных признаков предлагаемого способа измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, производилось только по сравнению с указанными выше.

На фиг. 1 и 2 даны характеристики центробежных электронасосов при различной плотности перекачиваемой жидкости.

На фиг. 3 даны характеристики центробежного электронасоса при различном числе рабочих колес.

На фиг. 4 даны характеристики центробежного электронасоса при различных диаметрах колес.

На фиг. 5 дан алгоритм способа измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом.

На фиг. 6 дана схема насосной установки, на которой проводились эксперименты по проверке данного способа.

На фиг. 7 даны характеристики насоса к установке, показанной на фиг. 6.

На фиг. 8 дана технологическая схема насосной установки Самарских тепловых сетей, на которой проводилась проверка рассматриваемого способа измерения массового расхода и плотности жидкости.

На фиг. 9 даны рабочие характеристики насосной установки к схеме, показанной на фиг. 8.

Центробежный электронасос представляет собой машину, в которой под действием вращающихся на оси лопастей, приводимых в движение от электродвигателя, осуществляется перемещение жидкости от входа к выходу насоса. Простота и надежность конструкции этих насосов, а также возможность непосредственного соединения валов насоса с валами электродвигателей и возможность регулирования в широких пределах подачи насосов, сделали их незаменимыми во многих областях человеческой деятельности. Наибольшее применение они нашли в системах тепловодоснабжения, в гидротехнике и для подачи различного сырья на фабриках и заводах. Показателями насосов являются их производительность и развиваемые ими давления, которые находятся в очень широких пределах. Так, производительность их может быть от нескольких литров в час до 12500 м³/ч и более, а давление от нескольких Па до десятков МПа и более. При этом мощность приводных электродвигателей может быть от нескольких сотен ватт до 2000 кВт и более.

Возможность каждой из насосных установок определяется рабочими характеристиками, которые для определенного типа насосных установок даны на фиг. 1-4, 7, 9. Так характеристики H и N - есть соответственно зависимости создаваемого насосом напора и действующей мощности на валу насоса от его производительности Q.

Рабочие характеристики насосных установок являются паспортными и получены на заводах - изготовителях при их испытаниях на жидкости с плотностью, равной единице, и заданными параметрами установки. При отклонении от этих параметров пользоваться рабочими характеристиками в полной мере нельзя. Так, при плотности жидкости, не равной единице, характеристики H и N смещаются до значений H₁ и N₁, как это показано на фиг. 1, 2, 7 пунктирными линиями.

В связи с этим для измерения массового расхода и плотности перекачиваемой жидкости центробежным электронасосом предлагается ввести в число паспортных характеристик насосной установки новую - расходную характеристику M-Q и соответствующий расходный коэффициент M, который отражает разность отношений между результатом деления мощности, действующей на валу насоса, на развиваемое им давление при данной производительности, результата деления мощности на валу насоса на создаваемое им давление при нулевой производительности в начале рабочей характеристики где N, p и N₀, p₀ - соответственно текущие значения мощности в кВт и давления, развиваемые насосом в МПа, и значения мощности и давления, развиваемые насосом, взятые из рабочей характеристики насоса при нулевой подаче, т. е. в начале рабочей характеристики; M - расходный коэффициент, кВт/МПа.

При этом давление, развиваемое насосом, равно: p = p_в - p_п МПа, при работе насоса с подпором и p = p_в + p_п МПа, при работе насоса с всасывающим трубопроводом, где: p_в - давление, действующее на выходе из насоса, а p_п - давление, действующее на входе в насос. Далее по найденному значению расходного коэффициента M, например, M= 130 - фиг. 1, M=65 - фиг. 2, M=100 - фиг. 4, по соответствующим расходным характеристикам M - Q находим их значения, которые отмечены точкой A.

Далее путем сноса этой точки на ось Q получаем точку C, по которой находится значение объемного расхода. Затем сносим точку A на напорную характеристику H и получаем точку B, а по ней значение напора в точке H, которые равны 109 - фиг. 1, 121,2 - фиг. 2, 42 - фиг. 4, и по найденным значениям расхода, напора и давления, развиваемого насосом, определяем плотность жидкости по формуле где ρ- - плотность жидкости, кг/м³;
p - давление, развиваемое насосом, МПа;
H - напор, соответствующий данной производительности, м;
g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

Далее по найденному значению плотности и объемного расхода находим массовый расход по формуле
Q_m= Q_o·ρ·10^-3 (т/ч), (3)
где
Q_м·Q₀ - соответственно объемная и массовая производительность насоса, м³/ч;
ρ- плотность жидкости, кг/м³.

На фиг. 1 даны характеристики насоса СЭ 800 - 100 на 1400 об/мин, где напорная характеристика H дана при плотности перекачиваемой жидкости, равной 1000 кг/м³, и напорная характеристика p₁ (H₁), выраженная в давлении при плотности жидкости, равной 889 кг/м³, и соответствующие зависимости мощностей N и N₁, действующих на валу привода насоса, а также кривая зависимости КПД насоса от производительности Q. При этом расходная характеристика M-Q остается без изменения.

На фиг. 2 даны характеристики насоса KRG1H-125/315/25 на 2975 об/мин, где H в м. - напорная характеристика при плотности перекачиваемой жидкости, равной 1000 кг/м³, и напорная, выраженная в давлении p₁(H₁) при плотности перекачиваемой жидкости, равной 790 кг/м³, и соответствующие зависимости мощности, действующей на валу насоса N и N₁, а также кривая зависимости КПД насоса от производительности Q. При этом расходная характеристика M-Q одна и та же. Расходный коэффициент в этом случае равен

На фиг. 3 даны характеристики насоса ЦНС с различным количеством рабочих колес, где H₈, H₁₆ - напорные, а N₈, N₁₆ - мощностные характеристики насоса соответственно при 8 и 16 количествах рабочих колес насоса, при этом расходная характеристика M-Q одна и та же, а на фиг. 4 даны характеристики насоса Д 500-36 на 980 об/мин при различном диаметре колес насоса - напорные H в м. и p в МПа, мощностные N в кВт, коэффициента полезного действия, насоса η при диаметрах рабочих колес - D=525 мм, D= 500 мм и D = 470 мм, при этом расходная характеристика M - Q для всех режимов работы остается одной и той же. На фиг. 5 дан алгоритм, по которому производится определение плотности и массового расхода жидкости на насосной установке H с электродвигателем M.

Для измерения давления p_п на входе в насос и для измерения давления p_в на выходе из насоса имеются манометры.

Измерение активной мощности, потребляемой электродвигателем привода насоса, производится ваттметром.

Как следует из алгоритма для определения этих параметров, необходимо провести следующие измерения и вычисления.

1. Измерить активную мощность, потребляемую приводным электродвигателем из сети

где
I - ток, потребляемый электродвигателем из сети, A;
U - напряжение, действующее в сети, кВ;
cos ϕ- коэффициент мощности электродвигателя;
N_эл - мощность, потребляемая из сети, кВт.

2. Вычислить давление, развиваемое насосом p, для чего измерить давление на входе в насос p_п и давление на выходе из насоса p_в и найти их разность, когда насос работает с подпором
p = p_в - p_п (МПа),
или сумму, когда насос работает с всасывающим трубопроводом
p = p_в - p_п (МПа)
3. Вычислить мощность N, действующую на валу насоса
N=N_элη_эд (кВт),
где
N_эл - мощность, потребляемая электродвигателем привода насоса из сети, кВт;
η_эд- КПД электродвигателя, взятое из рабочей характеристики при соответствующем значении мощности, потребляемой из сети.

4. Вычисляем расходный коэффициент M

где
N₀, p₀ - мощность и давление, взятые из рабочей характеристики насосной установки, соответственно кВт и МПа.

5. По паспортным характеристикам насоса, показанным на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 4, а именно напорной характеристики H, мощностной характеристики насоса N, а также вновь построенной расходной характеристики M - Q, по найденному расходному коэффициенту M находим его значение на расходной характеристике M-Q, точка A, а по ней путем сноса ее значения на ось расходов Q, точка C, находим значение объемного расхода Q₀, а путем сноса значения точки A на напорную характеристику H, точка B, находим значение напора и по формуле (2) вычисляем массовый расход Q_м.

Для подтверждения данного способа измерения массового расхода и плотности жидкости были проведены соответствующие эксперименты.

1. Эксперимент на Новокуйбышевском нефтеперерабатывающем заводе.

Технологическая схема экспериментальной установки показана на фиг. 6. Установка служит для переработки тяжелого бензина. Она состоит из ректификационной колонны 1 с тарелкой 2, насоса H - 3 с электродвигателем M-4, типа KRGIH-125/315 на 2970 об/мин теплообменника 5. Для измерения расхода Q установлен расходомер 6 (F1), а для измерения давления p_п на входе в насос - манометр 7, а для измерения давления p_в на выходе из насоса - манометр 8. Для измерения мощности N имеется ваттметр 9 (W).

При проведении эксперимента менялась производительность насоса путем регулирования степени открытия задвижки 10 на выходе из насоса и производилось измерение мощности, потребляемой приводным электродвигателем из сети, с помощью ваттметра 9 и давления на входе в насос манометром 7 и давления на выходе из насоса манометром 8, а также снимались значения расхода по расходомеру 6. Исследуемая установка имеет характеристики, показанные на фиг. 7, на которой дана напорная характеристика H и мощностная N при плотности жидкости 1000 кг/м³ и напорная характеристика, выраженная в давлении p и мощностная N₁ при плотности перекачиваемой жидкости 710 кг/м³, характеристика коэффициента полезного действия насосной установки, а также общая для этих характеристик - расходная характеристика M - Q с расходным коэффициентом M, равным
M = (N/p) - 47,52.

Плотность жидкости определялась путем анализа проб в лабораторных условиях, которые брались на контролируемом участке трубопровода. Исходные и расчетные данные даны в табл. 1.

2. Эксперимент в Самарских тепловых сетях. Технологическая схема экспериментальной насосной установки N 11 показана на фиг. 8, а рабочие характеристики насоса - на фиг. 9.

Насосная установка 1 состоит из трех однотипных насосных агрегатов 2, 3, 4 с насосами H2, H3, H4 типа СЭ 1250-70 на 1480 об/мин с электродвигателями M2, M3, M4 соответственно 5, 6, 7 типа ДА 304-400ХК 4У1. На каждом агрегате установлены манометры 8, 9, 10 для измерения давления p_п2, p_п3, p_п4 на входе в насосы и манометры 11, 12, 13 для измерения давления p_в2, p_в3, p_в4 на выходе из насоса. Для измерения общего расхода установлен ультразвуковой расходомер 14 (FE). Для измерения токов I₂, I₃, I₄ и напряжений U₂, U₃, U₄ в цепи каждого электродвигателя привода насоса установлены амперметры и вольтметры, по которым вычисляются мощности N₂, N₃, N₄, потребляемые из сети приводными электродвигателями 4, 5, 6. На фиг. 9 даны рабочие характеристики одного из насосных агрегатов. Они содержат напорную H и мощностную N характеристики при плотности перекачиваемой жидкости 1000 кг/м³ и характеристики напорную H₁ и мощностную N₁ при плотности перекачиваемой жидкости 889 кг/м³ и общую расходную характеристику M - Q. Для этой характеристики расходный коэффициент M и производительность Q равны
M = (N/p) - 158,14 кВт/МПа,
Q = 1720 (1 - e^-M/200) м³/ч.

Исходные данные и результаты расчетов сведены в табл. 2. Для определения плотности жидкости по вычисленным значениям расходных коэффициентов M₂ = 351,86, M₃ = 372,36, M₄ = 391,32 (фиг. 9) находим соответствующие значения их на характеристике M-Q, точки A₂, A₃, A₄, а по ним значения напоров B₂, B₃, B₄ на характеристике напоров H и значения объемных расходов на оси Q точки C₂, C₃, C₄. По найденным значениям точек B находим действующие напоры H₂, H₃, H₄ и по формулам (2) и (3) вычисляем значения плотности перекачиваемой жидкости ρ₂, ρ₃, ρ₄, а по ней и температуру, которая в среднем оказалась равной 104,5^oC.

Как следует из полученных экспериментальных данных, погрешность в измерении объемного расхода жидкости составляет ± 0,8%, а измерение плотности перекачиваемой жидкости ± 1,2% и соответственно погрешность в измерении массового расхода ± 2%.

Таким образом, мы получаем новый способ измерения массового расхода и плотности жидкости, который не требует установки каких-либо датчиков в потоке жидкости. Этот способ позволяет создать новый класс массовых расходомеров и плотномеров, которые найдут широкое применение при управлении технологическими процессами, как расходомеры XXI века. Хочется верить, что этот способ измерения массового расхода и плотности жидкости будет назван - РОССИЙСКИМ, а сами расходомеры будут иметь надпись - РОССИЯ.

Формула изобретения

Способ измерения массового расхода и плотности жидкости, подаваемой центробежным электронасосом, включающий измерение активной мощности, потребляемой электродвигателем привода вала насоса, и измерение давление на выходе из насоса, отличающийся тем, что предварительно для центробежного насоса определяют зависимости от производительности величин напора, давления, мощности на валу насоса и расходный коэффициент, определяемый как разность между результатом деления мощности на валу насоса на развиваемое им давление при данной производительности и результатом деления мощности на валу насоса на развиваемое им давление при нулевой производительности, а для электродвигателя определяют зависимость КПД от потребляемой электрической мощности, затем для текущего момента времени определяют давление на входе в насос и на выходе из насоса с учетом номинального давления, при котором снимались указанные зависимости от производительности величин напора, давления, мощности на валу насоса и расходный коэффициент, измеряют электрическую мощность, потребляемую электродвигателем привода вала насоса, и определяют фактическое значение мощности, действующей на валу насоса с учетом фактического значения КПД для этой величины мощности, вычисляют для текущего момента величину расходного коэффициента и, используя выявленные зависимости от производительности величин напора, давления, мощности на валу насоса и расходного коэффициента для центробежного насоса, определяют фактический объемный расход, а по зависимости напора от производительности вычисляют плотность подаваемой жидкости путем деления действующего перепада давления на насосе на действующее значение напора и ускорение свободного падения и на основании полученных данных вычисляют массовый расход путем умножения найденного значения объемного расхода жидкости на вычисленное значение ее плотности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11