离心泵调节方式与能耗分析

    离心泵是广泛应用于化工工业系统的一种通用流体机械。它具有性能适应范围广（包括流量、压头及对输送介质性质的适应性）、体积小、结构简单、操作容易、操作费用低等诸多优点。通常，所选离心泵的流量、压头可能会和管路中要求的不一致，或由于生产任务、工艺要求发生变化，此时都要求对泵进行流量调节，实质是改变离心泵的工作点。离心泵的工作点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线共同决定的，因此，改变任何一个的特性曲线都可以达到流量调节的目的。目前，离心泵的流量调节方式主要有调节阀控制、变速控制以及泵的并、串联调节等。由于各种调节方式的原理不同，除有自己的优缺点外，造成的能量损耗也不一样，为了寻求最佳、能耗最小、最节能的流量调节方式，必须全面地了解离心泵的流量调节方式与能耗之间的关系。

    1、泵流量调节的主要方式

    1.1 改变管路特性曲线

    改变离心泵流量最简单的方法就是利用泵出口阀门的开度来控制，其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工作点。

    1.2 改变离心泵特性曲线

    根据比例定律和切割定律，改变泵的转速、改变泵结构（如切削叶轮外径法等）两种方法都能改变离心泵的特性曲线，从而达到调节流量（同时改变压头）的目的。但是对于已经工作的泵，改变泵结构的方法不太方便，并且由于改变了泵的结构，降低了泵的通用性，尽管它在某些时候调节流量经济方便[1]，在生产中也很少采用。这里仅分析改变离心泵的转速调节流量的方法。从图1中分析，当改变泵转速调节流量从Q1下降到Q2时，泵的转速（或电机转速）从n1下降到n2，转速为n2下泵的特性曲线Q-H与管路特性曲线He=H0+G1Qe2（管路特曲线不变化）交于点A3(Q2，H3)，点A3为通过调速调节流量后新的工作点。此调节方法调节效果明显、快捷、安全可靠，可以延长泵使用寿命，节约电能，另外降低转速运行还能有效的降低离心泵的汽蚀余量NPSHr，使泵远离汽蚀区，减小离心泵发生汽蚀的可能性[2]。缺点是改变泵的转速需要有通过变频技术来改变原动机（通常是电动机）的转速，原理复杂，投资较大，且流量调节范围小。

    1.3 泵的串、并连调节方式

    当单台离心泵不能满足输送任务时，可以采用离心泵的并联或串联操作。用两台相同型号的离心泵并联，虽然压头变化不大，但加大了总的输送流量，并联泵的总效率与单台泵的效率相同；离心泵串联时总的压头增大，流量变化不大，串联泵的总效率与单台泵效率相同。

    2、不同调节方式下泵的能耗分析

    在对不同调节方式下的能耗分析时，文章仅针对目前广泛采用的阀门调节和泵变转速调节两种调节方式加以分析。由于离心泵的并、串联操作目的在于提高压头或流量，在化工领域运用不多，其能耗可以结合图2进行分析，方法基本相同。

2.1 阀门调节流量时的功耗

    离心泵运行时，电动机输入泵轴的功率N为：

    N＝vQH／η

    式中N——轴功率，w；

    Q——泵的有效压头，m；

    H——泵的实际流量，m3/s；

    v——流体比重，N/m3；

    η——泵的效率。

    当用阀门调节流量从Q1到Q2，在工作点A2消耗的轴功率为：

    NA2＝vQ2H2／η

       vQ2H3——实际有用功率，W；

    vQ2(H2－H3)——阀门上损耗得功率，W；

    vQ2H2(1／η－1)——离心泵损失的功率，W。

    2.2 变速调节流量时的功耗

    在进行变速分析时因要用到离心泵的比例定律，根据其应用条件，以下分析均指离心泵的变速范围在±20%内，且离心泵本身效率的变化不大[3]。用电动机变速调节流量到流量Q2时，在工作点A3泵消耗的轴功率为：

    NA3＝vQ2H3／η

    同样经变换可得：

    NA3＝vQ2H3＋vQ2H3(1／η－1) （2）

    式中 vQ2H3——实际有用功率，W；

    vQ2H3(1／η－1)——离心泵损失的功率，W。

    2.3 能耗对比分析

    3、结论

关于如何调节离心泵的调节方式比较

离心泵在水利、化工等行业应用十分广泛，对其工况点的选择和能耗的分析也日益受到重视。所谓工况点，是指水泵装置在某瞬时的实际出水量、扬程、轴功率、效率以及吸上真空高度等，它表示了水泵的工作能力。通常，离心泵的流量、压头可能会与管路系统不一致，或由于生产任务、工艺要求发生变化，需要对泵的流量进行调节，其实质是改变离心泵的工况点。除了工程设计阶段离心泵选型的正确与否以外，离心泵调节实际使用中工况点的选择也将直接影响到用户的能耗和成本费用。因此，如何合理地改变离心泵的工况点就显得尤为重要。
    离心泵的工作原理是把电动机高速旋转的机械能转化为被提升液体的动能和势能，是一个能量传递和转化的过程。根据这一特点可知，离心泵的工况点是建立在水泵和管道系统能量供求关系的平衡上的，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。工况点的改变由两方面引起：一．管道系统特性曲线改变，如阀门节流；二．水泵本身的特性曲线改变，如变频调速、切削叶轮、水泵串联或并联。

    下面就这几种方式进行分析和比较：

    一、阀门节流

    改变离心泵流量最简单的方法就是调节泵出口阀门的开度，而水泵转速保持不变（一般为额定转速），其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。如图1所示，水泵特性曲线Q－H与管路特性曲线Q－∑h的交点A为阀门全开时水泵的极限工况点。关小阀门时，管道局部阻力增加，水泵工况点向左移至B点，相应流量减少。阀门全关时，相当于阻力无限大，流量为零，此时管路特性曲线与纵坐标重合。从图1可看出，以关小阀门来控制流量时，水泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变。这种方法操作简便、流量连续，可以在某一最大流量与零之间随意调节，且无需额外投资，适用场合很广。但节流调节是以消耗离心泵的多余能量（图中阴影部分）来维持一定的供给量，离心泵的效率也将随之下降，经济上不太合理。

    二、变频调速

    工况点偏离高效区是水泵需要调速的基本条件。当水泵的转速改变时，阀门开度保持不变（通常为最大开度），管路系统特性不变，而供水能力和扬程特性随之改变。如图2所示，A为水泵平衡工况点（也称工作点），对应效率ηa。欲减小流量，可将转速降低，此时工况点为B，对应效率ηb，水泵仍处于高效区内。如果采用阀门节流的方法来调节，则工况点为C，对应效率为ηc，泵的效率下降。由此可见，在所需流量小于额定流量的情况下，变频调速时的扬程比阀门节流小，所以变频调速所需的供水功率也比阀门节流小，图2中的阴影部分表示的就是变频调速所节约的供水功率。很显然，与阀门节流相比，变频调速的节能效果很突出，离心泵的工作效率更高。另外，采用变频调速后，不仅有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，而且还可以通过对升速/降速时间的预置来延长开机/停机过程，使动态转矩大为减小，从而在很大程度上消除了极具破坏性的水锤效应，大大延长了水泵和管道系统的寿命。

    事实上，变频调速也有局限性，除了投资较大、维护成本较高外，当水泵变速过大时会造成效率下降，超出泵比例定律范围，不可能无限制调速。

    三、切削叶轮

    当转速一定时，泵的压头、流量均和叶轮直径有关。对同一型号的泵，可采用切削法改变泵的特性曲线。设离心泵原叶轮直径为D、流量为Q、扬程为H、功率为P，切削后的叶轮直径为D′、流量为Q′、扬程为H′、功率为P′，则其相互关系为：

    上述三式统称为泵的切削定律。切削定律是建立在大量感性试验资料基础上的，它认为如果叶轮的切削量控制在一定限度内（此切削限量与水泵的比转数有关），则切削前后水泵相应的效率可视为不变。切削叶轮是改变水泵性能的一种简便易行的办法，即所谓变径调节，它在一定程度上解决了水泵类型、规格的有限性与供水对象要求的多样性之间的矛盾，扩大了水泵的使用范围。当然，切削叶轮属不可逆过程，用户必须经过精确计算并衡量经济合理性后方可实施。

    四、水泵串联和并联

    水泵串联是指一台泵的出口向另一台泵的入口输送流体。以最简单的两台相同型号、相同性能的离心泵串联为例：如图3所示，串联性能曲线相当于单泵性能曲线的扬程在流量相同的情况下迭加起来，串联工作点A的流量和扬程都比单泵工作点B的大，但均达不到单泵时的2倍，这是因为泵串联后一方面扬程的增加大于管路阻力的增加，致使富余的扬程促使流量增加，另一方面流量的增加又使阻力增加，抑制了总扬程的升高。水泵串联运行时，必须注意后一台泵是否能够承受升压。启动前每台泵的出口阀都要关闭，然后顺序开启泵和阀门向外供水。

    水泵并联是指两台或两台以上的泵向同一压力管路输送流体，其目的是在压头相同时增加流量。仍然以最简单的两台相同型号、相同性能的离心泵并联为例：如图4所示，并联性能曲线相当于单泵性能曲线的流量在扬程相等的情况下迭加起来，并联工作点A的流量和扬程均比单泵工作点B的大，但考虑管阻因素，同样达不到单泵时的2倍。

    如果纯粹以增加流量为目的，那么究竟采用并联还是串联应当取决于管路特性曲线的平坦程度，管路特性曲线越平坦，并联后的流量就越接近于单泵运行时的2倍，从而比串联时的流量更大，更有利于运作。

    五、结论

    阀门节流虽然会造成能量的损失和浪费，但在一些简单场合仍不失为一种快速易行的流量调节方式；变频调速因其节能效果好、自动化程度高而越来越受到用户的青睐；切削叶轮一般多用于清水泵，由于改变了泵的结构，通用性较差；水泵串联和并联只适用于单台泵不能满足输送任务的情况，而且串联或并联的台数过多反而不经济。在实际应用时应从多方面考虑，在各种流量调节方法之中综合出最佳方案，确保离心泵的高效运行。