崔泗波

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江寧波 315722)

離心泵并聯(lián)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究及經(jīng)濟(jì)性分析

崔泗波

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江寧波 315722)

本文通過分析泵的并聯(lián)運(yùn)行現(xiàn)狀及其調(diào)節(jié)方式,進(jìn)行了離心泵性能實(shí)驗(yàn)和離心泵并聯(lián)及工況調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn),研究了分析離心泵并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)。通過建立離心泵性能曲線及其管路特性曲線,確定了離心泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各種性能曲線的關(guān)系及不同調(diào)節(jié)方式下的運(yùn)行工況點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)研究表明,在75%負(fù)荷時(shí)非共用管路調(diào)節(jié)比共用管路調(diào)節(jié)耗功量相對(duì)減少3%;而在50%負(fù)荷時(shí)通過單泵運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì);另外,方案二的研究表明,在85%負(fù)荷以上時(shí),通過共用管路調(diào)節(jié)流量更為經(jīng)濟(jì)。

離心泵 并聯(lián)運(yùn)行 管路調(diào)節(jié) 經(jīng)濟(jì)性分析

1 離心泵的性能實(shí)驗(yàn)

水泵設(shè)計(jì)參數(shù)：流量20m3/h，揚(yáng)程30.8m，轉(zhuǎn)速2900 r/min，許吸上真空高度7.2m，軸功率2.6Kw。

電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率4.0kW，聯(lián)軸器傳動(dòng)機(jī)械效率tm=98%；其中：h0+h2-h1=0.385m。對(duì)于1#實(shí)驗(yàn)臺(tái)，H0=0.151m；2#實(shí)驗(yàn)臺(tái)，H0=0.159m，離心式水泵的葉輪直徑為162mm，進(jìn)、出口管路內(nèi)徑均為50mm。除手持式轉(zhuǎn)速表與三角堰水位參數(shù)外，所有參數(shù)均已送入計(jì)算機(jī)。待測(cè)參數(shù)如下：

實(shí)驗(yàn)待測(cè)參數(shù)：水泵轉(zhuǎn)矩M，水泵入口壓強(qiáng)p1′，水泵出口壓強(qiáng)p′2，渦輪流量計(jì)流量q，三角堰水位H。

實(shí)驗(yàn)原理：通過改變離心泵出口節(jié)流閥開度的方法來調(diào)節(jié)水泵流量，使水泵運(yùn)行于不同的工況點(diǎn)。相對(duì)于共用管路，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各泵所產(chǎn)生的揚(yáng)程均相等，總流量為并聯(lián)各泵的流量之和。與一臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)相比，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的總揚(yáng)程和總流量均有所增加。實(shí)驗(yàn)步驟：為了能準(zhǔn)確地繪制出離心式水泵的性能曲線，應(yīng)測(cè)出若干個(gè)工況點(diǎn)，每兩個(gè)工況點(diǎn)之間流量差值盡量保持一致；每調(diào)節(jié)一次閥門，同時(shí)記錄有關(guān)儀器、儀表的讀數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在中；各工況點(diǎn)測(cè)完后，即出口節(jié)流閥“完全關(guān)閉”后，停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

繪制未進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)的并聯(lián)泵的性能曲線根據(jù)原始數(shù)據(jù)記錄表中的數(shù)據(jù)，由揚(yáng)程計(jì)算公式可以計(jì)算出各個(gè)工況點(diǎn)下的揚(yáng)程，將揚(yáng)程的計(jì)算結(jié)果換算成額定轉(zhuǎn)速n0=2900r/min下的性能參數(shù)，由此，可以根據(jù)表中的流量-揚(yáng)程的關(guān)系繪制出泵Ⅰ與Ⅱ的流量-揚(yáng)程曲線圖。代入數(shù)據(jù)，可求得φ1值，然后將各個(gè)工況點(diǎn)的流量，可求出泵Ⅰ在不同流量時(shí)的阻力hw1，將泵Ⅰ在不同流量下的揚(yáng)程值減除對(duì)應(yīng)的阻力值，就可作出泵Ⅰ在包含非共用段下的揚(yáng)程流量曲線。

同理可畫出泵Ⅱ在包含非共用段下的揚(yáng)程流量曲線。在泵的并聯(lián)情況下，揚(yáng)程不變，流量相加，我們做出泵的并聯(lián)曲線圖。已知，在兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，閥門全開未進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，同樣由公式計(jì)算出在全負(fù)荷運(yùn)行下?lián)P程，qv，max由計(jì)算得出為40.83m3/h。這樣我們可以計(jì)算出在滿負(fù)荷流量下的φ值0.009。計(jì)算取不同的流量值，代入即計(jì)算出不同流量對(duì)應(yīng)的Hc值，從而可作出此負(fù)荷下的管路特性曲線。這樣可以找到泵100%流量時(shí)的工作點(diǎn)。

(1)共用管路調(diào)節(jié)。對(duì)于共用管路調(diào)節(jié)在75%負(fù)荷時(shí)，此時(shí)流量為30.6m3/h。由計(jì)算得出泵Ⅰ和泵Ⅱ流量分別為14.689m3/h和15.85m3/h。在進(jìn)行共用管路調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)的總出口閥門的流量，在非共用段的管路沿程阻力幾乎不變，所以認(rèn)為在進(jìn)行共用管路調(diào)節(jié)時(shí)，非共用段的管路沿程阻力不發(fā)生變化，變的是并聯(lián)泵的管路特性曲線。畫出兩臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)的并聯(lián)曲線。其次根據(jù)在為進(jìn)行調(diào)節(jié)的曲線圖上找出離心泵并聯(lián)曲線上75%總流量時(shí)的工況點(diǎn)，根據(jù)Hc=Hst+，計(jì)算出在75%流量下的值0.03166。然后取幾個(gè)流量點(diǎn)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Hc，由此可以做出管路特性曲線。對(duì)于共用管路調(diào)節(jié)50%負(fù)荷時(shí)，此時(shí)流量為20.57m3/h，在進(jìn)行共用管路調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)的總出口閥門的流量，在非共用段的管路沿程阻力幾乎不變，所以認(rèn)為在進(jìn)行共用管路調(diào)節(jié)時(shí)，非共用段的管路沿程阻力不發(fā)生變化，變的是并聯(lián)泵的管路特性曲線。首先可以畫出兩臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)的并聯(lián)曲線。其次根據(jù)在為進(jìn)行調(diào)節(jié)的曲線圖上找出離心泵并聯(lián)曲線上50%總流量時(shí)的工況點(diǎn)，根據(jù)Hc=Hst+，計(jì)算出在50%流量下的φ值為0.0635。然后取幾個(gè)流量點(diǎn)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Hc，由此可以做出管路特性曲線。

(2)非共用管路調(diào)節(jié)。對(duì)于非共用管路調(diào)節(jié)75%負(fù)荷時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)，我們僅調(diào)節(jié)泵Ⅰ的出口閥門，使總流量為全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的75%。此時(shí)，泵Ⅱ和全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)相同，而泵Ⅰ及其所在的管路發(fā)生了變化，但并聯(lián)運(yùn)行的泵的揚(yáng)程曲線幾乎不變。首先可以做出兩臺(tái)泵的原始性能曲線和泵Ⅱ包含非共用段阻力時(shí)候的泵的性能曲線及其管路特性曲線。而對(duì)于泵Ⅰ，由數(shù)據(jù)計(jì)算出此時(shí)流量為13.24m3/h，阻力hw為18.89m。由hw1=計(jì)算出此時(shí)φ為0.1077。然后將各個(gè)工況點(diǎn)的流量代入式hw1=，可求出泵Ⅰ在不同流量時(shí)的阻力hw1，將泵Ⅰ在不同流量下的揚(yáng)程值減除對(duì)應(yīng)的阻力值，就可作出泵Ⅰ在包含非共用段下的揚(yáng)程流量曲線。對(duì)于非共用管路調(diào)節(jié)50%負(fù)荷時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)，我們完全關(guān)閉泵Ⅰ的出口閥門，這樣總流量即為為全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的50%。此時(shí)，泵Ⅱ和全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)相同，我們可以畫出兩泵的原始性能曲線，和泵Ⅱ包含非共用段阻力時(shí)的性能曲線。而管路特性曲線則變?yōu)楸芒虻墓苈诽匦郧€。由此，可以繪制出在不同負(fù)荷，不同調(diào)節(jié)方式下的泵的性能曲線和管路特性曲線。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果處理分析

方案一：計(jì)算出泵Ⅰ和Ⅱ在不同流量下的效率和軸功率，計(jì)算出數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的流量和效率、軸功率之間的關(guān)系，繪制出η-qv、Pe-qv曲線圖。

(1)對(duì)于共用路調(diào)節(jié)時(shí)：75%負(fù)荷：泵Ⅰ：從圖上讀出流量14.8m3/h、揚(yáng)程31.5m、效率值64%，此次實(shí)驗(yàn)用的流體為水，密度為103kg/m3，計(jì)算得出泵Ⅰ耗功為1.9829kW；泵Ⅱ：從圖表上讀出流量16m3/h、揚(yáng)程30.5m、效率值62%，代入可求出泵Ⅱ耗功為2.1426kW，總功耗4.1255kW，從而可求出75%流量時(shí)共用管路調(diào)節(jié)兩泵耗功的總量為4.1255kW。

(2)對(duì)于非共用管路調(diào)節(jié)時(shí)：75%負(fù)荷，計(jì)算如下：泵Ⅰ：從圖表上讀出流量8m3/h、揚(yáng)程32m、效率值47%，代入可求出泵Ⅰ耗功為1.4827kW；泵Ⅱ：從圖表上讀出流量22.5m3/h、揚(yáng)程25.5m、效率值62%，代入可求出泵2耗功為2.5191kW；總功耗4.0018kW。從而可求出75%流量時(shí)非共用管路調(diào)節(jié)兩泵耗功的總量為4.0018kW。

(3)對(duì)于共用管路調(diào)節(jié)時(shí)：50%流量，計(jì)算如下：泵Ⅰ：從圖表上讀出流量8.5m3/h、揚(yáng)程32.5m、效率值48%，代入公式，可求出泵Ⅰ耗功為1.5667kW；泵Ⅱ：從圖表上讀出流量11.2m3/h、揚(yáng)程32m、效率值53%，代入公式可求出泵2耗功為1.8408kW；將兩泵耗功相加從而可求出50%流量時(shí)，總功耗3.4075kW。(4)對(duì)于非共用管路調(diào)節(jié)時(shí)，50%流量計(jì)算如下：泵Ⅰ：由于單開泵Ⅱ，泵Ⅰ流量為0，耗功為0。泵Ⅱ：從圖表上讀出流量20.3m3/h、揚(yáng)程18m、效率值63%，代入公式可求出泵Ⅱ耗功為1.5788kW。

(5)耗功量比較：在75%負(fù)荷時(shí)，通過共用管路調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)所消耗的能量為4.1255kW，而通過非共用管路調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)所消耗的能量為4.0018kW，此時(shí)，兩種調(diào)節(jié)方式的所消耗能量0.1237Kw，相對(duì)功耗3%，所以在75%負(fù)荷時(shí)，通過非共用管路調(diào)節(jié)消耗的軸功率比較少，此時(shí)通過非共用管路調(diào)節(jié)比較經(jīng)濟(jì)。在50%負(fù)荷時(shí)，通過共用管路調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)所需要的能量為3.4075kW，通過非共用管路調(diào)節(jié)時(shí)候，對(duì)于相同性能泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)候，單臺(tái)泵已經(jīng)能完全滿足其需求，而無需啟用兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行，所以單臺(tái)泵運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)。

方案二：從所做出的兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在不同流量下的軸功率，在對(duì)應(yīng)的流量下計(jì)算出泵Ⅰ和泵Ⅱ的折算后的軸功率之和，繪制出再共用管路調(diào)節(jié)和非共用管路調(diào)節(jié)下對(duì)應(yīng)的流量-軸功率曲線圖，由圖可以看出在75%負(fù)荷時(shí)，非共用管路調(diào)節(jié)時(shí)所消耗的軸功率為4.1kW而共用管路調(diào)節(jié)時(shí)所消耗的軸功率4.252kW，此時(shí)兩種調(diào)節(jié)方式所消耗能量的比較：絕對(duì)功耗0.152kW，相對(duì)功耗3.5%由以上比較可以得知，在75%負(fù)荷時(shí)，通過非共用管路調(diào)節(jié)消耗能量少，比較經(jīng)濟(jì)；而從圖上可以看出在85%負(fù)荷的時(shí)候，兩條曲線有個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)，通過共用管路調(diào)節(jié)和非共用管路調(diào)節(jié)所消耗的軸功率相同；在大于85%負(fù)荷時(shí)，通過共用管路調(diào)節(jié)比通過非共用管路調(diào)節(jié)系統(tǒng)要消耗的能量少。由此可以得之，如果需要的負(fù)荷量大于85%負(fù)荷，通過公用管路調(diào)節(jié)比較經(jīng)濟(jì)，而當(dāng)需要的負(fù)荷量小于85%負(fù)荷而小于50%負(fù)荷時(shí)通過進(jìn)行非共用管路調(diào)節(jié)比較經(jīng)濟(jì)，當(dāng)系統(tǒng)需要的負(fù)荷量小于50%負(fù)荷時(shí)，此時(shí)，一臺(tái)泵可以滿足需求量，無需啟用兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行。

4 兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

通過以上兩種方案的處理結(jié)果及其他們之間的比較可知，在75%負(fù)荷時(shí)，由方案一可以得知，非共用管路調(diào)節(jié)的耗功比共用管路的耗功量少3%，在這個(gè)流量點(diǎn)時(shí)，采用非共用調(diào)節(jié)比共用調(diào)節(jié)更加經(jīng)濟(jì)，在由方案二可以得知，非共用管路調(diào)節(jié)的耗功量比共用管路調(diào)節(jié)的耗功量少3.5%，同樣在這個(gè)流量點(diǎn)采用非共用調(diào)節(jié)比共用調(diào)節(jié)更加經(jīng)濟(jì)；在50%負(fù)荷時(shí)，由方案一分析，單臺(tái)泵已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)需求流量，而且比兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)采用共用管路調(diào)節(jié)和非共用管路調(diào)節(jié)任何一種運(yùn)行狀況耗功都要少，所以在50%負(fù)荷工況點(diǎn)采用單泵運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，由方案二分析，此時(shí)單泵運(yùn)行所消耗的軸功率同樣小于共用管路調(diào)節(jié)時(shí)所消耗的軸功率；因此可以得知，對(duì)于兩臺(tái)泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析采用上述兩種方案分析結(jié)果一致，此次處理方案是合理的。

另外，由方案二分析可以得知，對(duì)于兩臺(tái)離心泵的并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量85%以上時(shí)，通過共用管路調(diào)節(jié)比通過非共用管路調(diào)節(jié)系統(tǒng)所消耗的軸功率要少，也就是說，在這種情況下，我們可以采用共用管路調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)，此時(shí)最經(jīng)濟(jì)；而當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量85%以下，在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量50%以上時(shí)，采用非共用管路調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)，此時(shí)消耗的軸功率較少，也就是說，在這種情況下，我們可以采用非共用管路調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)，此時(shí)最經(jīng)濟(jì)；當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量50%及其以下時(shí)，單臺(tái)泵運(yùn)行足以提供所需求的負(fù)荷量，如果同時(shí)采用兩臺(tái)泵的并聯(lián)運(yùn)行，其中一臺(tái)泵關(guān)閉，而另一臺(tái)泵運(yùn)行，此時(shí)關(guān)閉的一臺(tái)泵雖然不提供流體，但是泵的運(yùn)轉(zhuǎn)仍然需要能量來維持，此時(shí)不夠經(jīng)濟(jì)，因此，當(dāng)需求量在50%及其以下時(shí)，不需要進(jìn)行泵的并聯(lián)運(yùn)行來提供負(fù)荷，只需要單臺(tái)泵的運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最高。

5 結(jié)語

離心泵機(jī)組采用并聯(lián)形式時(shí)，并聯(lián)的數(shù)量不宜過多，最好選取兩臺(tái)即可，一般不應(yīng)超過四臺(tái)，否則不利于提高泵的效率；離心泵機(jī)組并聯(lián)使用時(shí)，可能只有一臺(tái)離心泵發(fā)揮作用，而其它的離心泵則不參加供液，白白消耗了能源。

在本文中，采用相同性能的兩臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行研究，采用了共用管路調(diào)節(jié)和非共用管路調(diào)節(jié)的兩種方式進(jìn)行研究，通過兩種方案分析比較了并聯(lián)運(yùn)行的泵在50%和75%負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。由以上方案結(jié)果分析得知，在75%負(fù)荷時(shí)，非共用管路調(diào)節(jié)比較經(jīng)濟(jì)；在50%負(fù)荷時(shí)，使用單泵調(diào)節(jié)即可滿足系統(tǒng)需求。綜上分析結(jié)果，對(duì)于兩臺(tái)離心泵的并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量85%以上時(shí)，我們可以采用共用管路調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)，此時(shí)最經(jīng)濟(jì)；當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量85%以下，50%以上時(shí)，我們可以采用非共用管路調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)，此時(shí)最經(jīng)濟(jì)；當(dāng)需求的負(fù)荷量在系統(tǒng)所能提供的負(fù)荷量50%及其以下時(shí)，只需要單臺(tái)泵的運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最高。

本課題通過計(jì)算比較了相同性能泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)不同調(diào)節(jié)方式時(shí)及其所帶負(fù)荷變化時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。本文的研究對(duì)大多數(shù)給水泵站及其供水系統(tǒng)的運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行具有參考意義。

(編者注：原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖紙及其計(jì)算過程予以保留，如若需要參考請(qǐng)向作者索取)

[1]楊志紅.離心泵并聯(lián)運(yùn)行工況分析[J].安徽科技,2005.

[2]曹忠輝.同型號(hào)離心泵并聯(lián)運(yùn)行性能測(cè)試探討[J].排灌機(jī)械, 2001.

[3]張言禾,王濤,劉菡,滿林.離心泵并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)的數(shù)值求解[J].西北水電,2006.

[4]把多鐸,楊建國,王立青.水泵并聯(lián)運(yùn)行工作點(diǎn)確定方法的研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004.

[5]張敦輝.離心泵調(diào)節(jié)方式與能耗分析[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息,2008.

[6]呂玉坤,葉學(xué)民,李春曦,丁千玲,楊陽.流體力學(xué)與泵與風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京:中國電力出版社,2008(8)．