離心泵最佳運(yùn)行工作點(diǎn)的分析與控制

  一、泵的主要性能參數(shù)

  泵的主要性能參數(shù)有流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、功率、效率及汽蝕余量等。

  1、流量

  單位時(shí)間內(nèi)泵所輸送的流體量稱(chēng)為流量；

  流量用符號(hào)qv表示。其單位為m³/h，m³/mm和m³/s；

  2、揚(yáng)程

  泵所輸送的單位重量的流體從進(jìn)口到出口水頭增值稱(chēng)為揚(yáng)程；

  揚(yáng)程用符號(hào)H表示，其單位為m，習(xí)慣稱(chēng)為米液柱高；

  3、轉(zhuǎn)速

  泵轉(zhuǎn)子每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)稱(chēng)為轉(zhuǎn)速；

  轉(zhuǎn)速用符號(hào)n表示，單位為r/min；

  4、功率

  泵的功率分為泵的輸入功率和輸出功率，泵的輸入功率又稱(chēng)軸功率，是指原動(dòng)機(jī)傳遞給泵軸上的功率；泵的輸出功率又稱(chēng)有效功率或水功率，是指被泵輸送流體獲得的功率；

  泵的輸入功率以符號(hào)P表示，單位為Kw；

  5、泵的效率

  泵的輸入功率不可能全部傳遞給被輸送的流體，其中必有一部分能量損失，若輸送的流體實(shí)際得到的功率P1與泵的輸入功率P的比值稱(chēng)為泵的效率，以符號(hào)η表示

  6、汽蝕余量

  泵的汽蝕余量是指單位重量的流體從泵吸入口流至葉輪進(jìn)口壓力最低處的壓力降低量，國(guó)外稱(chēng)為凈正吸入壓頭（NPSH）。它是表征泵抗汽蝕性好壞的一個(gè)重要參數(shù)。

  對(duì)于汽蝕余量，有兩種主要的參考指標(biāo)：有效汽蝕余量（NPSHA）和必需汽蝕余量（NPSHB）。

  （1）有效汽蝕余量（NPSHA）

  有效汽蝕余量（NPSHA）是指泵西入口處單位重量的流體所具有的超過(guò)飽和蒸汽壓力的富余能量，它是系統(tǒng)和流量的函數(shù)；

  （2）必需汽蝕余量（NPSHB）

  必需汽蝕余量（NPSHB）是指單位重量的流體從泵吸入口流至葉輪葉片進(jìn)口壓力最低處的壓力降落量，它是泵及流量的函數(shù)。

  如果有效汽蝕余量（NPSHA）大于必需汽蝕余量（NPSHB），

  那么泵應(yīng)當(dāng)不會(huì)出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。過(guò)度的汽蝕不僅會(huì)影響泵的效率，可能還會(huì)導(dǎo)致泵的損壞。

  二、離心泵、性能曲線及最佳工作點(diǎn)

  離心泵是利用葉輪在固定的殼體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)而將能量傳遞給流體的。當(dāng)葉輪隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片間的流體也隨著葉輪旋轉(zhuǎn)而獲得離心力，并使流體從葉片之間的出口處被甩出，高速流體離開(kāi)葉片頂部后進(jìn)入擴(kuò)散腔，流速開(kāi)始降低，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為較高的壓力能，流體被甩出后，葉輪中心部分的壓強(qiáng)降低，外界的流體就能從泵的吸入口進(jìn)入，源源不斷的輸送流體，相比于其他類(lèi)型的泵，離心泵目前應(yīng)用最為廣泛。

  離心泵的性能可以利用泵的流量--揚(yáng)程曲線來(lái)說(shuō)明：

  圖1為典型的一臺(tái)18.5kw離心泵性能曲線，離心泵的流量取決于泵的揚(yáng)程，泵的揚(yáng)程提高時(shí)，流量降低，流量降低的速率取決于泵的設(shè)計(jì)。

  典型泵性能曲線上也包括其效率曲線以及軸動(dòng)率（BHP）曲線，兩者都是根據(jù)對(duì)應(yīng)的流量繪制的，泵的效率是泵流體功率與泵軸功率之比。

  效率曲線和軸功率曲線（BHP）的交點(diǎn)就是該泵的最佳工況點(diǎn)，在最佳工況點(diǎn)，無(wú)論從能效角度還是從維護(hù)保養(yǎng)角度來(lái)考慮，泵的運(yùn)行都是最經(jīng)濟(jì)的，如果泵運(yùn)行的工況點(diǎn)遠(yuǎn)離最佳工況點(diǎn)，會(huì)加快軸承、機(jī)械密封和另部件的磨損，在實(shí)際運(yùn)用中能夠連貫的保持泵在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行操作是非常困難的，因?yàn)橄到y(tǒng)的負(fù)荷需求是經(jīng)常變化的，然而，保持泵運(yùn)行在其最佳工況點(diǎn)附近的合理范圍內(nèi)將大大降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本，又能滿足系統(tǒng)的負(fù)荷要求。

  三、泵的相似定律

  泵的設(shè)計(jì)和制造通常是按照系列進(jìn)行的，同一種系列中，大小不等的泵都是相似的，滿足相似定律，相似定律不僅用于泵的設(shè)計(jì)，而且對(duì)于泵的運(yùn)行、調(diào)節(jié)、甚至選型非常重要。

  1、當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)對(duì)性能參數(shù)的換算

  泵的性能參數(shù)都是針對(duì)某一特定的轉(zhuǎn)速n0而言的，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速n和n0不同時(shí)，可用相似定律求出新的性能參數(shù)，此時(shí)，相似定律可簡(jiǎn)化為：

  上述公式是同時(shí)成立的，也就是說(shuō)，當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，揚(yáng)程成平方關(guān)系降低，而功率成立方比例減少。

  2、輸送流體密度改變時(shí)的換算

  當(dāng)輸送流體的密度改變時(shí)，相似定律簡(jiǎn)化為：

  通過(guò)上述幾個(gè)公式可看出：當(dāng)泵所輸送的流體密度發(fā)生變化時(shí)，體積流量和揚(yáng)程不變，但泵的功率會(huì)發(fā)生變化。

  四、泵最佳運(yùn)行工作點(diǎn)的計(jì)算與控制

  泵系統(tǒng)由變頻調(diào)速器、泵、管道及閥門(mén)組成，由于系統(tǒng)的負(fù)荷需求是經(jīng)常變化的，為此能持續(xù)保持泵在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行操作是非常困難的。

  然而為了泵系統(tǒng)運(yùn)行能提高能效達(dá)到節(jié)能的目的，我們能進(jìn)行泵最高效率點(diǎn)附近作為泵最佳運(yùn)行工作區(qū)（點(diǎn)）選擇出來(lái)，作為用戶(hù)使用泵系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)導(dǎo)向是必要的。

  泵最佳工作點(diǎn)選擇的程序：

  （1）下載泵銘牌上的明示參數(shù)，包括額定功率PN（kw），額定流量Q（m³/n）和額定揚(yáng)程H（m）；

  （2）向泵的制造商索取性能曲線，如圖1所示的包括流量--揚(yáng)程曲線（qv-H）、效率曲線和軸功率曲線BHP（p-qv）。

  （3）由圖2可知，該泵最佳工作點(diǎn)A，流量為65m³/h，揚(yáng)程為30m，軸功率為15kw。

  （4）最佳工作點(diǎn)A處電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及頻率的計(jì)算

  運(yùn)行中是采用變頻調(diào)速器來(lái)控制泵的最佳工況A點(diǎn)，那么應(yīng)計(jì)算流量為65m³/h時(shí)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，繼而計(jì)算出此時(shí)運(yùn)行的頻率為多少。

  根據(jù)公式（3）可得到，在BEP點(diǎn)泵的運(yùn)行速度n為

  這樣通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1187.8r/min，即變頻器輸出頻率調(diào)整為40Hz。

  當(dāng)然在工程應(yīng)用上不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)頻率帶，基于此，我們可以將變頻器輸出頻率調(diào)整為38Hz~42Hz范圍內(nèi)，認(rèn)為此時(shí)泵運(yùn)行在最佳區(qū)域內(nèi)。