几种离心泵流量调节方式的节能分析.pdf

f.148-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备几种离心泵流量调节方式的节能分析方清华（江汉大学智能制造学院，立武汉430 0 56)摘要离心泵在使用过程中不可避免要根据生产实际的需求调节流量，采用何种调节方法更经济节能，是实际操作中首要考虑的问题。本文针对几种常用的离心泵流量调节技术和方法，分析其调节技术原理、优缺点和节能效果，并给出了单台离心泵实时调节运行时的实测数据和节能率。通过对比，从节能角度指出了变速调节的节能效果更好，为企业在节能降耗的选择时提供参考和依据。【关键词】离心泵，流量，调节方式，节能，分析前言离心泵作为工农业生产中广泛使用的动力设备，也是最主要的耗能设备之一，其耗电量会占到整个用电的8 5%以上 2 ，可见耗用电能是非常巨大的。近年来，能源费用高涨，也使得企业对能源的充分利用非常重视，对生产设备有节能的需求。在离心泵的运转过程中，如果能够降低其能源消耗，就可以降低企业的综合能耗和生产过程的成本，从而可以实现提升企业经济效益，对全社会的节能减排工作也有着非常重要的意义 3。本文就离心泵流量调节的几种常用方式进行了节能分析和比较，以寻找较佳节能效果的流量调节方式，为企业选择离心泵流量调节方式时提供一些有益的思路。1离心泵的流量调节离心泵在生产中运行时，可能会因为选择时余量过大、生产任务和生产工艺发生变化等原因，造成其实际工作点往往会偏离额定设计点，使得离心泵的运转效率低下，能耗加大。为了满足生产要求，保持较高的运转效率，需要对离心泵的运转流量进行调节。离心泵的工作点是由离心泵的性能曲线和管路特性曲线的交点决定的，调节流量实质上就是通过改变两条曲线的交点位置来实现的。实际运用中，改变任何一条曲线的位置，都可以改变交点的位置，从而达到调节流量的目的。传统的调节方法有节流调节、变径调节和变级调节等方式，随着变频技术的发展，变速调节也广泛应用于离心泵的运行调节 42各种调节方式的节能分析2.1节流调节节流调节就是用安装在管路上的调节阀的开度来控制流量的大小的调节方式，包括出口节流调节和入口节流调节两种方法。由于入口节流调节很容易产生汽蚀现象，对离心泵易造成危害，基本不采用。出口节流调节是最简单易行的流量调节方法，故成为常用的流量调节方式。节流调节实质上是通过控制阀门开度来改变管路特性曲线的斜率，从而改变离心泵的工作点位置，达到调节流量的目的。如图1所示，曲线QH 为离心泵性能曲线，曲线Qh 和Qh,为管路特性曲线，两曲线交点M为调节阀门全开时离心泵的工作点。假设系统运行在M点，则离心泵的能耗可表述为由0 Q。MH 所围成的面积，当调节阀开度逐渐减小时，离心泵出口阻力增大，管路特性曲线由Qh 向Qh,转移，泵的工作点转移至M点，流量从Q0减到Q1，离心泵能耗变为0 QiM1H,面积，离心泵的能耗相应减少。在这个调节过程中，离心泵的扬程增加到Hi，可是用于输送液体的压头只需要Ho，压头差H=H-Ho，全部用于克服阀门的阻力，这属于多余损失的部分。作者简介：方清华(197 2-），女，副教授，硕士，主要从事机械设备和技术研究。149-第9 期方清华几种离心泵流量调节方式的节能分析HIQh1MHH。QQ。Q图1出口节流调节的节能示意图该流量调节方法操作简单方便，调节灵敏，可连续调节，无需额外投资来改造管路系统，离心泵的能耗也有一定程度的减少，但减少程度不大，节能效果并不明显。调节过程中，还人为增加了阻力，造成了扬程的损失，离心泵的效率也会下降，不是很经济，比较适合于比转数小的离心泵。2.2变径调节变径调节就是通过切削叶轮直径来调节流量的方法，其实质上就是改变离心泵的性能曲线，从而改变离心泵性能曲线和管路特性曲线的交点，达到改变流量的目的。当离心泵的叶轮被切割变小时，离心泵的特性曲线向下方移动，切割量越大，特性曲线下移越远，如图2 所示。HQHQH1QhQH2HoD。HH2D,D2Q2Q:QoQ图2变径调节的节能示意图根据切割定律，在泵转速不变和效率几乎不变的情况下，泵性能可近似按下式表示：Qi/Qo=D,/Do(1)H,/Ho=(D,/Do)2(2)N,/No=(D,/Do)3(3)式中：Do、D i 一一分别为切割前后的叶轮直径；Qo、Q 1一一分别为叶轮切割前后的离心泵流量；Ho、H i 一一分别为叶轮切割前后的离心泵扬程；No、N i 一一分别为叶轮切割前后的离心泵功率。从切割定律可以看出，叶轮切割前后，离心泵流量与叶轮直径按一次方成正比变化，离心泵扬程与叶轮直径按二次方比例变化，离心泵的功率与叶轮直径按三次方比例变化。可见，流量一扬程曲线QH 和流量一功率曲线QN 的变化较大。叶轮切割前运行在M点，离心泵能耗表述为由0 Q。MH 所围成的面积。叶轮切割后，离心泵的流量和扬程均会减小，离心泵能耗为由0 QiM,H所围成的面积。可见，能耗相应也减少了。叶轮切割法调节流量也比较简单易行，可以解决离心泵规格不全的问题，扩大离心泵的使用范围，而且没有附加能量损失，经济性能较佳，但是，并不是所有的离心泵都能进行叶轮切割，因为切割叶轮会存在以下几点问题：、切割叶轮是不可逆过程，切割后无法再恢复其原有特性，因此，使用范围受到一定限制。、切割叶轮不能任意切割，切割量需要经过严格的计算，切割量太大，可能会影响离心泵的效率。、用切割叶轮的方法来调节流量，流量变化不是一个连续过程，不能作为实时调节使用。2.3变级调节变级调节就是用抽取出多级离心泵的部分叶轮数目的方式来达到改变流量的调节方法，其实质上也是通过改变离心泵的性能曲线位置来改变流量。如图3所示，多级泵的多个叶轮的流量一扬程曲线叠加成工作曲线QH，此时离心泵的能耗为由0 Q.MH.所围成的面积，当抽取一个叶轮后，泵性能曲线下移到QH i，工作点从M变为M1，流量和扬程均相应减小，离心泵的能耗变为由0QiM,H,所围成的面积，同样也减小了。图4变速调节的节能示意图QQ1Q。noH，QH1HoQhQHH150-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备HQ;Q。图3变级调节的节能示意图变级调节可以节能，但也不是连续调节过程，不能适应实时调节，只能适应工况相对固定的情况，使用范围受限，而且，第一级叶轮不能抽取，否则会产生汽蚀危害。另外，抽取叶轮后，还需要重做叶轮的动平衡和轴向推力的平衡试验。2.4变速调节变速调节就是利用变频器带动离心泵转速改变来实现调节流量的方法，其实质上是通过转速变化来改变离心泵的性能曲线，达到调节流量的目的。当离心泵的转速从no减小到n,时，其性能曲线会向左下方移动，因为管路特性曲线未变，所以工作点从M转至转移至M1，流量和扬程相应都发生变化，离心泵的能耗也从由0 Q.MHi所围成的面积变化到由0 QiM,H,所围成的面积，相应减少，功率大大降低，如图4所示。根据比例定律 5 可知：Qi/Qo=n/no(4)H,/Ho(n/no)2(5)H,/Ho=(n/no)3(6)式中:no、n i 一分别为离心泵的不同转速；Qo、Q1一一不同转速下对应的离心泵流量；Ho、Hi 一一不同转速下对应的离心泵扬程；No、N i 一一不同转速下对应的离心泵功率。由上式可知，离心泵流量与转速按一次方成正比变化，离心泵扬程与转速按二次方比例变化，离心泵的功率与转速按三次方比例变化，可见，离心泵轴功率的变化是非常大的。采用变速调节方法调节流量，操作方便，方法简单，可以实现自动调节和连续调节，也是可逆的调节，不会引起附加能量损失，节能效果突出，经济性较好。但是，依据比例定律，离心泵的转速变化不能超过原来的2 0%5，否则泵效率不能认为近似相等，因此，不能无限制调速。另外，变速调节投资较大，维护成本较高，也限制了一些应用范围。3优化节能措施上述四种离心泵流量调节方式都有节能的效果，只不过应用范围有所不同。变径调节和变级调节都只能在固定工况下调节，无法实现实时调节；节流调节和变速调节则可实现生产过程中的实时连续调节。那么，在节流调节和变速调节这两种方法中，哪一种节能措施比较好呢？3.1方案对比从图5中可以看到，M点为阀门全开时的工作点。采用节流调节，当阀门关小时，管路特性曲线上移，工作点转移至M2，流量由Q减小到Q1，此时的能耗是面积0 QiM,H2；若采用变速调节，转速从nO减小到n1，离心泵性能曲线下移，保持流量为Qi，能耗则是面积0 QiMiHi，显然，该面积小于0QiM,H2，也就是说，变速调节方案的节能效果远远优于节能节流的方案。HIQhQHMQhHMH。HnoMn10Q，Q。Q图5节流调节和变速调节的节能效果比较151第9 期方清华几种离心泵流量调节方式的节能分析3.2实测节能效果前述比较了两种实时调节方式的节能效果，在实际操作过程中，也进行了相关的验证。运行在管路系统中的某离心泵，阀门全开时，其运行参数见表1，分别使用节流调节和变速调节的方法，调节流量至同一个数值，调节后离心泵的运行参数也见表1所示。表1离心泵实时调节测试结果流量扬程有效功率轴功率节能率Q/(m3h)H/mNe/wN/w&/%阀门全开13.8216.596251302节流调节11.1818.4956312255.91变速调节11.1810.7832868447.47离心泵的功率由下式计算：N-Ne/n=p gQH/n(7)式中：N一一离心泵输入功率（轴功率）；N。一一离心泵有效功率；P一一离心泵输送液体的密度；Q一一离心泵的流量；H一一离心泵的扬程；n一一离心泵的效率。节能率由下式计算：&=1-N,/No(8)式中：&一一一节能率；No、N i 一一调节前后离心泵的轴功率。从表1中可知，节流调节有节能效果，但节能率不高，部分能量消耗在扬程的提升上，这和之前的分析吻合，变速调节的节能率较高，在调整到同样的流量下，其节能率可达到节流调节的8 倍之多。4结语离心泵在运转过程中，避免不了要依据实际生产状况进行流量调节，调节的方法包括节流调节、变径调节、变级调节和变速调节等，从节能的角度看，这些方法都可以节能降耗，不过，变径调节和变级调节适合固定工况的调节，节流调节和变速调节则更适合于生产实际中的实时连续调节，其中，变速调节的节能效果比节流调节更好，值得推广应用。总之，离心泵运行时的节能方法有很多，需要结合实际生产状况的要求，综合考虑各种影响因素，进行成本和效益对比，采用最合理的方式，使离心泵在最优的工况下运行，以达到节能增效的目的。参考文献1李振权，化工装置离心泵节能措施适用性研究 ，化肥设计，2 0 2 0（3）：2 5-302杨涛，离心泵的应用和节能技术改造 1，化工管理，2022（4)：114-1163石树明，离心泵的几种节能途径探析 J，石油石化节能，2 0 13（3）：2 6-2 94方清华，单台离心泵工况调节方式分析 ，石油和化工设备，2 0 14（3）：52-545陈敏恒，丛德滋，齐鸣斋，等，化工原理（上册）M，化学工业出版社，北京，2 0 19收稿日期：2 0 2 3-0 4-12 修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5