离心泵最佳运行工作点的分析与控制

  一、泵的主要性能参数

  泵的主要性能参数有流量、扬程、转速、功率、效率及汽蚀余量等。

  1、流量

  单位时间内泵所输送的流体量称为流量；

  流量用符号qv表示。其单位为m³/h，m³/mm和m³/s；

  2、扬程

  泵所输送的单位重量的流体从进口到出口水头增值称为扬程；

  扬程用符号H表示，其单位为m，习惯称为米液柱高；

  3、转速

  泵转子每分钟旋转的圈数称为转速；

  转速用符号n表示，单位为r/min；

  4、功率

  泵的功率分为泵的输入功率和输出功率，泵的输入功率又称轴功率，是指原动机传递给泵轴上的功率；泵的输出功率又称有效功率或水功率，是指被泵输送流体获得的功率；

  泵的输入功率以符号P表示，单位为Kw；

  5、泵的效率

  泵的输入功率不可能全部传递给被输送的流体，其中必有一部分能量损失，若输送的流体实际得到的功率P1与泵的输入功率P的比值称为泵的效率，以符号η表示

  6、汽蚀余量

  泵的汽蚀余量是指单位重量的流体从泵吸入口流至叶轮进口压力最低处的压力降低量，国外称为净正吸入压头（NPSH）。它是表征泵抗汽蚀性好坏的一个重要参数。

  对于汽蚀余量，有两种主要的参考指标：有效汽蚀余量（NPSHA）和必需汽蚀余量（NPSHB）。

  （1）有效汽蚀余量（NPSHA）

  有效汽蚀余量（NPSHA）是指泵西入口处单位重量的流体所具有的超过饱和蒸汽压力的富余能量，它是系统和流量的函数；

  （2）必需汽蚀余量（NPSHB）

  必需汽蚀余量（NPSHB）是指单位重量的流体从泵吸入口流至叶轮叶片进口压力最低处的压力降落量，它是泵及流量的函数。

  如果有效汽蚀余量（NPSHA）大于必需汽蚀余量（NPSHB），

  那么泵应当不会出现汽蚀现象。过度的汽蚀不仅会影响泵的效率，可能还会导致泵的损坏。

  二、离心泵、性能曲线及最佳工作点

  离心泵是利用叶轮在固定的壳体内高速旋转而将能量传递给流体的。当叶轮随轴旋转时，叶片间的流体也随着叶轮旋转而获得离心力，并使流体从叶片之间的出口处被甩出，高速流体离开叶片顶部后进入扩散腔，流速开始降低，流体的动能转换为较高的压力能，流体被甩出后，叶轮中心部分的压强降低，外界的流体就能从泵的吸入口进入，源源不断的输送流体，相比于其他类型的泵，离心泵目前应用最为广泛。

  离心泵的性能可以利用泵的流量--扬程曲线来说明：

  图1为典型的一台18.5kw离心泵性能曲线，离心泵的流量取决于泵的扬程，泵的扬程提高时，流量降低，流量降低的速率取决于泵的设计。

  典型泵性能曲线上也包括其效率曲线以及轴动率（BHP）曲线，两者都是根据对应的流量绘制的，泵的效率是泵流体功率与泵轴功率之比。

  效率曲线和轴功率曲线（BHP）的交点就是该泵的最佳工况点，在最佳工况点，无论从能效角度还是从维护保养角度来考虑，泵的运行都是最经济的，如果泵运行的工况点远离最佳工况点，会加快轴承、机械密封和另部件的磨损，在实际运用中能够连贯的保持泵在最佳工况点运行操作是非常困难的，因为系统的负荷需求是经常变化的，然而，保持泵运行在其最佳工况点附近的合理范围内将大大降低整个系统的运行成本，又能满足系统的负荷要求。

  三、泵的相似定律

  泵的设计和制造通常是按照系列进行的，同一种系列中，大小不等的泵都是相似的，满足相似定律，相似定律不仅用于泵的设计，而且对于泵的运行、调节、甚至选型非常重要。

  1、当转速改变时对性能参数的换算

  泵的性能参数都是针对某一特定的转速n0而言的，当实际转速n和n0不同时，可用相似定律求出新的性能参数，此时，相似定律可简化为：

  上述公式是同时成立的，也就是说，当泵的转速降低时，扬程成平方关系降低，而功率成立方比例减少。

  2、输送流体密度改变时的换算

  当输送流体的密度改变时，相似定律简化为：

  通过上述几个公式可看出：当泵所输送的流体密度发生变化时，体积流量和扬程不变，但泵的功率会发生变化。

  四、泵最佳运行工作点的计算与控制

  泵系统由变频调速器、泵、管道及阀门组成，由于系统的负荷需求是经常变化的，为此能持续保持泵在最佳效率点运行操作是非常困难的。

  然而为了泵系统运行能提高能效达到节能的目的，我们能进行泵最高效率点附近作为泵最佳运行工作区（点）选择出来，作为用户使用泵系统运行工作点的调节导向是必要的。

  泵最佳工作点选择的程序：

  （1）下载泵铭牌上的明示参数，包括额定功率PN（kw），额定流量Q（m³/n）和额定扬程H（m）；

  （2）向泵的制造商索取性能曲线，如图1所示的包括流量--扬程曲线（qv-H）、效率曲线和轴功率曲线BHP（p-qv）。

  （3）由图2可知，该泵最佳工作点A，流量为65m³/h，扬程为30m，轴功率为15kw。

  （4）最佳工作点A处电动机转速及频率的计算

  运行中是采用变频调速器来控制泵的最佳工况A点，那么应计算流量为65m³/h时的运行转速，继而计算出此时运行的频率为多少。

  根据公式（3）可得到，在BEP点泵的运行速度n为

  这样通过调节变频器输出频率，使电动机转速控制在1187.8r/min，即变频器输出频率调整为40Hz。

  当然在工程应用上不会是一个点，而是一个频率带，基于此，我们可以将变频器输出频率调整为38Hz~42Hz范围内，认为此时泵运行在最佳区域内。