泵類設(shè)備的工作原理及泵性能的調(diào)節(jié)

草木青青33 2016-04-10

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工業(yè)應(yīng)用的泵類設(shè)備分為離心泵和往復(fù)泵。其中，離心泵占80%。離心泵是基于離心泵翼輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力來提高液體的壓力（俗稱壓頭）。轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，流體出口壓力越高。隨著出口閥開度增大，流量增大，流體的壓力下降。按工作壓力泵類設(shè)備可分為高壓泵(>6MPa)、中壓泵(2～6MPa)和低壓泵(＜2MPa)等。
離心泵的工作特性

圖6-5 離心泵的工作特性

（a～a′是最高效率的工作點軌跡，n1>n2>n3>n4>n5）

①離心泵的工作特性。離心泵的壓頭H、流量Q和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系稱為離心泵的工作特性，如圖6-5所示。亦可表示為下列關(guān)系式：

H=kin2-k2Q2 (6-4)

式中，k1和k2是比例系數(shù)。離心泵輸送液體，當出口閥關(guān)閉時，液體會在泵體內(nèi)循環(huán)，這時，壓頭最大，而排出流量為零。泵將機械能轉(zhuǎn)化為熱能，使液體發(fā)熱升溫，因此，在泵運轉(zhuǎn)后，應(yīng)及時打開出口閥。

②管路特性。管路特性是管路系統(tǒng)中流體的流量與管路系統(tǒng)阻力的相互關(guān)系，如圖6-6所示。
管路系統(tǒng)及其管路特性

圖6-6 管路系統(tǒng)及其管路特性

圖中，h1是液體提升高度所需的壓頭，即升揚高度。當設(shè)備安裝位置確定后，該項恒定；hp是用于克服管路兩端靜壓差所需的壓頭，即（p2-p1）/γ，γ是液體的重度。當設(shè)備壓力穩(wěn)定時，該項也變化不大。hf是用于克服管路摩擦損耗的壓頭，該項與流量平方值近似成比例；hv是控制閥兩端的壓降，當控制閥開度一定時，與流量平方值成比例，即該項與流量和閥門開度有關(guān)。因此，管路壓頭H與流量Q之間的關(guān)系如圖實線所示，可表示為

H=h1+hp+hf+hv (6-5)

③離心泵的工作點。管路特性與離心泵工作特性的交點是離心泵的工作點，因此，離心泵的工作點與離心泵工作特性有關(guān)，還與管路系統(tǒng)的管路特性有關(guān)。

④離心泵的控制。通過下列控制方案可以改變離心泵的工作點，從而達到控制離心泵的排出量。

a．改變控制閥開度。從圖6-6可見，改變控制閥開度，可直接改變液體的排出量。由于離心泵的汲入高度有限，控制閥如果安裝在進口端，會出現(xiàn)氣縛或汽蝕現(xiàn)象。氣縛是由于進口壓力過低，使液體部分汽化，氣體膨脹使液體不能排送的現(xiàn)象；汽蝕是由于出口壓力高于液體的蒸汽壓，使氣泡破裂或爆炸，造成對設(shè)備侵蝕的現(xiàn)象。因此，為防止氣縛和汽蝕的發(fā)生，當采用控制閥直接節(jié)流的控制方案時，控制閥通常安裝在檢測元件的下游。

直接節(jié)流控制：該控制方案簡單易行，適用于流量較小的場合，因總機械效率低，因此，不宜用于排出量低于正常值30%的場合。由于直接節(jié)流時，控制閥兩端的壓差隨流量而變化，使流量大時，控制閥兩端的壓降降低?？刂品桨敢妶D6-7(a)。

旁路控制：旁路控制方案如圖6-7(b)所示，通過改變旁路控制閥的開度，控制實際排出量。該方案結(jié)構(gòu)簡單，控制閥口徑相對較小。但由泵供給的能量消耗于控制閥旁路的那部分液體，因此總機械效率較低。

當流體黏度高或液體流量測量較困難，而管路阻力較恒定時，該控制方案可采用壓力作為被控變量，穩(wěn)定出口壓力，間接控制流量。
離心泵的直接節(jié)流和旁路控制方案

圖6-7 離心泵的直接節(jié)流和旁路控制方案
離心泵的轉(zhuǎn)速控制

圖6-8 離心泵的轉(zhuǎn)速控制

b．改變泵的轉(zhuǎn)速。如圖6-8所示，改變泵的轉(zhuǎn)速，使離心泵流量特性形狀變化，可調(diào)節(jié)流量。這種控制方案需要改變泵的轉(zhuǎn)速，可采用下列調(diào)速方法。

當電動機為原動機時，采用電動調(diào)速裝置。

當汽輪機為原動機時，采用調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片角度或蒸汽流量。

采用變頻調(diào)速器，或利用原動機與泵連接軸的變速器。

采用這種控制方案時，在液體輸送管線上不需安裝控制閥，因此不存在hv項的阻力損耗，機械效率較高。

⑤控制方案比較。表6-3顯示三種不同控制方案的比較。泵類設(shè)備電動機軸功率計算公式如下：

(6-6)

式中，P是軸功率，kW;γ是裕量系數(shù)，一般可取1.1～1.2；ρ是液體密度，kg/m3；Q是流量，m3/min;H是揚程，m;ηp是泵效率，一般取0.6～0. 83。

表6-3 離心泵三種控制方案的比較

表中，初始工作點為A點，假設(shè)其流量Q為10m3／h，壓頭H為10m。采用節(jié)流控制方案時，改變控制閥的開度，使管路特性改變。為使流量改變到7m3／h，需要提高壓頭到11. 8m。假設(shè)泵效率相同，則所需功率也可用P（功率）=Q（流量）×H（壓頭）描述。因此，節(jié)流控制方案所需功率為82.6。

采用旁路控制方案時，部分流量回流到入口，工作點從A移到C，部分能量（圖中灰色部分）被消耗。類似地，旁路控制所需功率為89.7。

采用變頻調(diào)速控制方案時，泵的工作特性改變，轉(zhuǎn)速下降，工作點從A移到D。可見所需功率下降到45.5。上述計算假設(shè)各控制方案中，泵效率相同。因此，采用變頻調(diào)速控制方案具有明顯的節(jié)能效果。

表6-4是泵類設(shè)備不同實際揚程富裕量和不同實需流量富裕量下節(jié)能效果的比較。

表6-4 泵類設(shè)備不同實際揚程富裕量和不同實需流量富裕量下節(jié)能效果的比較

泵類設(shè)備的工作特性與風機類設(shè)備的工作特性類似，但管路特性與泵類設(shè)備的管路特性不同。區(qū)別是泵類設(shè)備輸送的是液體，因此，泵負載的管路有垂直提升的揚程，即位能。這表示管路特性曲線上移，由于存在泵升揚程，因此，變頻調(diào)速時，轉(zhuǎn)速過低，產(chǎn)生的壓力不足以克服垂直的位頭，水泵就不能出水。因此，水泵的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線分為兩段，出水轉(zhuǎn)速以下，輸入電功率由機械損耗、電動機和變頻器損耗及水泵內(nèi)部水流空轉(zhuǎn)損耗組成，功率很低，隨轉(zhuǎn)速變化的幅度不大。出水轉(zhuǎn)速以上，水流空轉(zhuǎn)損耗變成管道損耗，產(chǎn)生的功率與轉(zhuǎn)速間有近似立方關(guān)系。

圖6-9顯示水泵轉(zhuǎn)速和軸功率的關(guān)系。當泵升揚程降低時，產(chǎn)生的流量初始轉(zhuǎn)速下降，B點向左移動，在最高轉(zhuǎn)速下位能功率下降，即曲線4斜率變小，變得更平緩。
離心泵轉(zhuǎn)速和軸功率