離心泵最佳運行工作點的分析與控制

  一、泵的主要性能參數(shù)

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

  1、流量

  單位時間內(nèi)泵所輸送的流體量稱為流量；

  流量用符號qv表示。其單位為m³/h，m³/mm和m³/s；

  2、揚程

  泵所輸送的單位重量的流體從進口到出口水頭增值稱為揚程；

  揚程用符號H表示，其單位為m，習慣稱為米液柱高；

  3、轉(zhuǎn)速

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

  轉(zhuǎn)速用符號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，泵的輸入功率又稱軸功率，是指原動機傳遞給泵軸上的功率；泵的輸出功率又稱有效功率或水功率，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，若輸送的流體實際得到的功率P1與泵的輸入功率P的比值稱為泵的效率，以符號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口壓力最低處的壓力降低量，國外稱為凈正吸入壓頭（NPSH）。它是表征泵抗汽蝕性好壞的一個重要參數(shù)。

  對于汽蝕余量，有兩種主要的參考指標：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)當不會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。過度的汽蝕不僅會影響泵的效率，可能還會導致泵的損壞。

  二、離心泵、性能曲線及最佳工作點

  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。當葉輪隨軸旋轉(zhuǎn)時，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，高速流體離開葉片頂部后進入擴散腔，流速開始降低，流體的動能轉(zhuǎn)換為較高的壓力能，流體被甩出后，葉輪中心部分的壓強降低，外界的流體就能從泵的吸入口進入，源源不斷的輸送流體，相比于其他類型的泵，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--揚程曲線來說明：

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

  典型泵性能曲線上也包括其效率曲線以及軸動率（BHP）曲線，兩者都是根據(jù)對應(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）的交點就是該泵的最佳工況點，在最佳工況點，無論從能效角度還是從維護保養(yǎng)角度來考慮，泵的運行都是最經(jīng)濟的，如果泵運行的工況點遠離最佳工況點，會加快軸承、機械密封和另部件的磨損，在實際運用中能夠連貫的保持泵在最佳工況點運行操作是非常困難的，因為系統(tǒng)的負荷需求是經(jīng)常變化的，然而，保持泵運行在其最佳工況點附近的合理范圍內(nèi)將大大降低整個系統(tǒng)的運行成本，又能滿足系統(tǒng)的負荷要求。

  三、泵的相似定律

  泵的設(shè)計和制造通常是按照系列進行的，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，而且對于泵的運行、調(diào)節(jié)、甚至選型非常重要。

  1、當轉(zhuǎn)速改變時對性能參數(shù)的換算

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

  上述公式是同時成立的，也就是說，當泵的轉(zhuǎn)速降低時，揚程成平方關(guān)系降低，而功率成立方比例減少。

  2、輸送流體密度改變時的換算

  當輸送流體的密度改變時，相似定律簡化為：

  通過上述幾個公式可看出：當泵所輸送的流體密度發(fā)生變化時，體積流量和揚程不變，但泵的功率會發(fā)生變化。

  四、泵最佳運行工作點的計算與控制

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

  然而為了泵系統(tǒng)運行能提高能效達到節(jié)能的目的，我們能進行泵最高效率點附近作為泵最佳運行工作區(qū)（點）選擇出來，作為用戶使用泵系統(tǒng)運行工作點的調(diào)節(jié)導向是必要的。

  泵最佳工作點選擇的程序：

  （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A，流量為65m³/h，揚程為30m，軸功率為15kw。

  （4）最佳工作點A處電動機轉(zhuǎn)速及頻率的計算

  運行中是采用變頻調(diào)速器來控制泵的最佳工況A點，那么應(yīng)計算流量為65m³/h時的運行轉(zhuǎn)速，繼而計算出此時運行的頻率為多少。

  根據(jù)公式（3）可得到，在BEP點泵的運行速度n為

  這樣通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，使電動機轉(zhuǎn)速控制在1187.8r/min，即變頻器輸出頻率調(diào)整為40Hz。

  當然在工程應(yīng)用上不會是一個點，而是一個頻率帶，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)，認為此時泵運行在最佳區(qū)域內(nèi)。