供水泵選型及調(diào)節(jié)方式
2017-12-16 16:30:04
在能源供應(yīng)緊張的今天，工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，正確地進(jìn)行泵站設(shè)計(jì)，使水泵能經(jīng)常高效運(yùn)行，將具有重大經(jīng)濟(jì)(jīng jì)意義。
水泵把水從水源中取出送至用戶或凈水廠;把凈化的水送至供水管網(wǎng);在長距離輸水中將水加壓;在分壓供水系統(tǒng)中增加管網(wǎng)的壓力;在用水高峰季節(jié)調(diào)節(jié)管網(wǎng)供水量;在工業(yè)循環(huán)供水系統(tǒng)中提升冷卻水和補(bǔ)充新鮮水等。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時(shí)，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。按照功能劃分，水泵在供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中構(gòu)成取水泵站(一級泵站)、配水泵站(二級泵站)、加壓泵站、調(diào)節(jié)泵站、循環(huán)泵站等。可以說水泵站是供水系統(tǒng)中的樞紐，水泵是這樞紐中的心臟。對于水泵的選型、在系統(tǒng)中的運(yùn)行情況與節(jié)約能源、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。
2 選泵方法
供水泵的選型是根據(jù)所需流量、揚(yáng)程及其變化規(guī)律，同時(shí)考慮水泵常常供水時(shí)能高效運(yùn)行確定。
一級泵站、加壓泵站是按最高日平均時(shí)用水量設(shè)計(jì)，滿足最高日供水量與揚(yáng)程來確定泵型及臺數(shù)。二級泵站按供水區(qū)逐時(shí)用水量變化設(shè)計(jì)，滿足最高日最高時(shí)供水量與揚(yáng)程來確定泵型及臺數(shù)。
2.1 取水泵的選擇
在一級泵站選泵的揚(yáng)程中，對水源取用設(shè)計(jì)低水位。實(shí)際上水源出現(xiàn)低水位的機(jī)率小，大多數(shù)時(shí)間是高于這個(gè)低水位的，造成選泵揚(yáng)程高于大多數(shù)時(shí)間所需要的揚(yáng)程。在水位變幅大的水源中，這一因素的影響(influence)更大。對選泵所用的最高日水量來說，在一年之中最高日水量出現(xiàn)的天數(shù)往往只占百分之幾。大多數(shù)時(shí)間低于選泵所用的最高日水量。輸水管中的水頭損失是隨水量的變化成平方關(guān)系變化。顯然，在大多數(shù)時(shí)間里，系統(tǒng)上所需揚(yáng)程和水量皆小于選泵時(shí)的揚(yáng)程和水量。
2.2 供水泵的選擇(xuanze)
二級泵站供水管網(wǎng)的用水量不是一個(gè)固定(fixed)值。是逐年、逐月、逐日、逐時(shí)地變化著的。管網(wǎng)的水頭損失也是隨水量的變化成平方關(guān)系變化，管網(wǎng)所需的水壓也隨水量的變化而變化。選泵中的揚(yáng)程和水量采取以點(diǎn)兼面、以大兼小的取值方法，不僅增加了初期設(shè)備(shèbèi)費(fèi)，也因?yàn)樗瞄L時(shí)間的低效率運(yùn)行造成能量浪費(fèi)，在經(jīng)濟(jì)(jīng jì)上是不允許的。
對于復(fù)雜的管路，當(dāng)不能準(zhǔn)確地求出管路特性曲線時(shí)，是無法選擇(xuanze)合適的泵型的。選泵參數(shù)不當(dāng)，泵不可能高效運(yùn)行。
2.3 水泵的配置
一般離心泵(Centrifugal pump)的效率為80%左右，選型時(shí)往往考慮設(shè)備在使用中挖潛，選泵參數(shù)留有裕量，造成投產(chǎn)初期水泵低效率運(yùn)行。即使初期使用小泵運(yùn)行，也存在效率低的問題(Emerson)。
對于揚(yáng)程、水量變化較大的工況，若使水泵在大多數(shù)時(shí)間高效運(yùn)行，實(shí)際是做不到的。
鑒于上述各種情況(Condition)，選泵時(shí)，在滿足最大工況的前提下，在用水量和所需水壓變化較大的情況下，可選用多臺性能不同的水泵組合運(yùn)行，但臺數(shù)多、型號多、管理麻煩。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。也可考慮多臺同型號水泵并聯(lián)運(yùn)行與單臺水泵獨(dú)立運(yùn)行相結(jié)合的方式方法，選泵時(shí)應(yīng)選擇(xuanze)在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)每臺水泵的工況點(diǎn)接近最高效區(qū)的左邊界，水泵在單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，工況點(diǎn)向右移動，仍可處在高效區(qū)運(yùn)行，這樣選擇的結(jié)果，可促使水泵在整個(gè)工況變化范圍內(nèi)的運(yùn)行效率都較高。這種方式，同樣也因臺數(shù)多，管理麻煩。因此，在水泵供水系統(tǒng)中，采用其他多種節(jié)能措施是非常必要的。
3 水泵適應(yīng)流量、揚(yáng)程變化的調(diào)節(jié)方式
按照最大工況選泵，與實(shí)際運(yùn)行工況相差較大，降低水泵效率。為此，運(yùn)行中根據(jù)工況中流量與揚(yáng)程的變化進(jìn)行水泵運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)，常用的調(diào)節(jié)方式有下列幾種。
3.1 流量調(diào)節(jié)
3.1.1 減少閥門的開啟度
這是生產(chǎn)中常采用的調(diào)流方式方法。當(dāng)水泵的工作揚(yáng)程高于管路所需要的水壓時(shí)，為滿足管路的要求，減小水泵出水閥門的開啟度，使閥門增加的水頭損失恰好等于某供水量時(shí)水泵揚(yáng)程與管路所需壓力之差，改變管路的特性來符合相應(yīng)供水量時(shí)水泵的揚(yáng)程。該調(diào)節(jié)方法使大量的電能損失在最大化減少閥門開啟度而產(chǎn)生的阻尼上，使工況在水泵的特性曲線上向左移動，降低了系統(tǒng)(system)運(yùn)行效率，多耗了電能。
3.1.2 多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行
如前所述，在用水量變化較大的供水系統(tǒng)(system)中，設(shè)置多臺同型號或多臺不同型號的泵并聯(lián)工作，通過調(diào)節(jié)水泵的臺數(shù)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以適應(yīng)管網(wǎng)對水量變化的要求。這種運(yùn)行方式，臺數(shù)不能太多，這不僅因臺數(shù)太多帶來管理麻煩，降低運(yùn)行效率，而且會增加水泵的開停次數(shù)，縮短設(shè)備的使用壽命，這種方式不能連續(xù)調(diào)節(jié)流量變化，也不能用來調(diào)節(jié)時(shí)變化。
3.2 水泵特性調(diào)節(jié)
3.2.1 調(diào)節(jié)水泵葉片的安裝角度
在安設(shè)軸流泵(Axial flow pump)或混流泵時(shí)，可利用這種泵的葉片可調(diào)性，使其工作參數(shù)隨葉片安裝角而變化，從而改變水泵的特性。水泵葉片的安裝角度增大，流量增大，水泵的效率也增高。但泵站的綜合效率不一定高，要經(jīng)過計(jì)算確定。其調(diào)節(jié)方式方法有全調(diào)節(jié)和半調(diào)節(jié)兩種，全調(diào)節(jié)在水泵運(yùn)行中利用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。半調(diào)節(jié)是在水泵停止運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行葉片安裝角度的調(diào)節(jié)。
3.2.2 車削葉輪直徑或更換不同直徑的葉輪
改變?nèi)~輪直徑可改變水泵的性能。根據(jù)流量的變化，計(jì)算出水泵高效運(yùn)行時(shí)滿足工況要求的葉輪直徑，如果工況長期穩(wěn)定，只車削一次即可。如果工況是隨著季節(jié)的變化而變化的，可配備不同直徑的葉輪，進(jìn)行更換。這種方式受葉輪直徑變化范圍(fàn wéi)的限制。用這種方式代替調(diào)節(jié)閥(使用材料：鑄鐵、鑄鋼、不銹鋼等)門開啟度的流量調(diào)節(jié)方式，可節(jié)省能耗，但只適用于變化不太大的工況。
3.2.3 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速
利用改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速或改變電動機(jī)和水泵的速比可改變水泵的特性，使之適應(yīng)供水系統(tǒng)工況變化幅度較大的情況。實(shí)踐證明(zhèng míng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法具有良好的節(jié)能效果，可簡化和便于泵房設(shè)備(shèbèi)的調(diào)度，易于實(shí)現(xiàn)自動控制。
4 水泵的調(diào)速特性及節(jié)能原理
上述各種調(diào)節(jié)方式中，用調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，是降低能耗的最好方式。原因是在改變水泵的轉(zhuǎn)速時(shí)且轉(zhuǎn)速變化在±20%范圍(fàn wéi)內(nèi)，保持泵體內(nèi)部的流動狀態(tài)相似的話，那么泵體內(nèi)的水流速度與轉(zhuǎn)速成正比，流量與轉(zhuǎn)速比成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速比的平方成正比。軸功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）與轉(zhuǎn)速比的立方成正比。
Q=Q0(n/n0)
(1)
H=H0(n/n0)2
(2)
N=N0(n/n0)3
(3)
式中：n0為額定轉(zhuǎn)速，Q0為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的流量，H0為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程，N0為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的軸功率，為調(diào)速后的轉(zhuǎn)速，Q為n轉(zhuǎn)速時(shí)的流量，H為n轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程，N為n轉(zhuǎn)速時(shí)的軸功率。
由式
(1)、式
(2)換算后可以得到下式
H = (H0/Q022)Q2
式中 H是水泵運(yùn)行中任何一工況點(diǎn)的揚(yáng)程
Q是水泵運(yùn)行中任何一工況點(diǎn)的流量
當(dāng)在最佳工況點(diǎn)時(shí)，H0/Q0是特定條件為H0、Q0時(shí)的特定常數(shù)。指額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程與流量之比。
由式
(4)可以看出，它是以座標(biāo)原點(diǎn)為頂點(diǎn)的拋物線方程，在這條拋物線上的各點(diǎn)工況相似，可稱為相似工況拋物線，在轉(zhuǎn)速變化為±20%的范圍(fàn wéi)內(nèi)，泵的效率可基本不變，也叫高效率拋物線。
凈揚(yáng)程不變的單泵調(diào)速節(jié)能原理。Q-H曲線為單泵額定轉(zhuǎn)速為n0時(shí)的特性曲線，Q'-H'曲線為單泵轉(zhuǎn)速為n時(shí)的特性曲線，Q-Σh曲線為管路特性曲線，A點(diǎn)是水泵選泵的工況點(diǎn)，A點(diǎn)對應(yīng)著Q
A、H
A、ηA，是選泵的主要參數(shù)。由管路特性曲線Q-∑h決定水泵實(shí)際運(yùn)行中的工況點(diǎn)必定在水泵特性曲線的最佳工況點(diǎn)0左右移動。若管網(wǎng)要求滿足A’點(diǎn)的工況，對應(yīng)的參數(shù)是QA'、HA'、ηA"；由圖2見到ηA"≤ηA，效率降低了。根據(jù)式
(4)及QA'、HA'二參數(shù)，可以繪制出相似工況拋物線OB，交Q-H曲線于B點(diǎn)，又得到QBHBηB三參數(shù)，根據(jù)相似工況下水泵的流量與轉(zhuǎn)速比成正或揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速比的平方成正比得到在A’運(yùn)行時(shí)，計(jì)算出水泵的轉(zhuǎn)速n，=(QA'/QB)n0，水泵在n轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，就可以得到滿足工況QA'、HA'運(yùn)行時(shí)的效率ηA'。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。ηA'>ηA"。這就是改變轉(zhuǎn)速后，還能高效運(yùn)行的原理。
Q-H曲線為額定轉(zhuǎn)速n0時(shí)的水泵特性曲線，Q'-H'曲線為轉(zhuǎn)速n時(shí)的水泵特性曲線，Q-∑h曲線為管路在凈揚(yáng)程為h時(shí)的特性曲線，Q'-∑h'曲線為管路在凈揚(yáng)程為h’時(shí)的特性曲線，A點(diǎn)是水泵運(yùn)行的最佳工況點(diǎn)，A點(diǎn)對應(yīng)著Q
A、H
A、ηA三參數(shù)，是選泵的主要參數(shù);實(shí)際上水泵運(yùn)行中常常出現(xiàn)的凈揚(yáng)程小于h，為h'；在h'時(shí)的水泵工況點(diǎn)為B，水泵的運(yùn)行效率由ηA降到ηB，此時(shí)增加了能耗。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動機(jī)的 機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括 水、油、酸堿液、 乳化液、懸乳液和 液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。若把水泵的轉(zhuǎn)速由n0調(diào)節(jié)到n時(shí)，根據(jù)上述調(diào)速后水泵的特性變化公式，可以算出Q'-∑h'管路特性曲線上的任何一點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，得到調(diào)速后的水泵特性曲線，Q'-H'；該曲線與Q'-∑h'曲線交點(diǎn)A'；即滿足管路工況要求，又使調(diào)速后的水泵運(yùn)行在高效點(diǎn)ηA’上。ηA'=ηA>ηB。
從以上兩個(gè)原理圖可以看出，水泵調(diào)速之后，可以得到對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下的新的最佳工況。不調(diào)速時(shí)，只有一個(gè)最佳工況點(diǎn)，調(diào)速后得到一條最佳工況線，不調(diào)速時(shí)有一條水泵運(yùn)行最佳工況段，調(diào)速后得到一個(gè)牛角形的最佳工況面(一般調(diào)速范圍≯60%為宜)。這樣，水泵運(yùn)行適應(yīng)工況的范圍擴(kuò)大了，水泵容易在最佳工況區(qū)運(yùn)行，最大化減少能耗。
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