离心泵并联运行实验研究及经济性分析
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【摘 要】 本文通过分析泵的并联运行现状及其调节方式，进行了离心泵性能实验和离心泵并联及工况调节实验，研究了分析离心泵并联运行的特点。通过建立离心泵性能曲线及其管路特性曲线，确定了离心泵并联运行时各种性能曲线的关系及不同调节方式下的运行工况点。实验研究表明，在75%负荷时非共用管路调节比共用管路调节耗功量相对减少3%；而在50%负荷时通过单泵运行更加经济；另外，方案二的研究表明，在85%负荷以上时，通过共用管路调节流量更为经济。
【关键词】 离心泵 并联运行 管路调节 经济性分析
1 离心泵的性能实验
水泵设计参数：流量20m3/h，扬程30.8m，转速2900 r/min，许吸上真空高度7.2m，轴功率2.6Kw。
电动机参数：功率4.0kW，联轴器传动机械效率tm=98%；其中：h0+h2-h1=0.385m。对于1#实验台，H0=0.151m；2#实验台，H0=0.159m，离心式水泵的叶轮直径为162mm，进、出口管路内径均为50mm。除手持式转速表与三角堰水位参数外，所有参数均已送入计算机。待测参数如下：
实验待测参数：水泵转矩M，水泵入口压强，水泵出口压强，涡轮流量计流量q，三角堰水位H。
实验原理：通过改变离心泵出口节流阀开度的方法来调节水泵流量，使水泵运行于不同的工况点。相对于共用管路，并联运行时各泵所产生的扬程均相等，总流量为并联各泵的流量之和。与一台泵单独运行时相比，并联运行时的总扬程和总流量均有所增加。实验步骤：为了能准确地绘制出离心式水泵的性能曲线，应测出若干个工况点，每两个工况点之间流量差值尽量保持一致；每调节一次阀门，同时记录有关仪器、仪表的读数，并将实验数据记录在中；各工况点测完后，即出口节流阀“完全关闭”后，停止水泵运转。
2 实验数据处理
绘制未进行调节时的并联泵的性能曲线根据原始数据记录表中的数据，由扬程计算公式可以计算出各个工况点下的扬程，将扬程的计算结果换算成额定转速n0=2900r/min下的性能参数，由此，可以根据表中的流量-扬程的关系绘制出泵Ⅰ与Ⅱ的流量-扬程曲线图。代入数据，可求得值，然后将各个工况点的流量，可求出泵Ⅰ在不同流量时的阻力hw1，将泵Ⅰ在不同流量下的扬程值减除对应的阻力值，就可作出泵Ⅰ在包含非共用段下的扬程流量曲线。
同理可画出泵Ⅱ在包含非共用段下的扬程流量曲线。在泵的并联情况下，扬程不变，流量相加，我们做出泵的并联曲线图。已知，在两台泵并联运行时，阀门全开未进行调节时，同样由公式计算出在全负荷运行下扬程，qv，max由计算得出为40.83m3/h。这样我们可以计算出在满负荷流量下的值0.009。计算取不同的流量值，代入即计算出不同流量对应的Hc值，从而可作出此负荷下的管路特性曲线。这样可以找到泵100%流量时的工作点。
（1）共用管路调节。对于共用管路调节在75%负荷时，此时流量为30.6m3/h。由计算得出泵Ⅰ和泵Ⅱ流量分别为14.689m3/h和15.85m3/h。在进行共用管路调节时，调节的总出口阀门的流量，在非共用段的管路沿程阻力几乎不变，所以认为在进行共用管路调节时，非共用段的管路沿程阻力不发生变化，变的是并联泵的管路特性曲线。画出两台泵并联时的并联曲线。其次根据在为进行调节的曲线图上找出离心泵并联曲线上75%总流量时的工况点，根据，计算出在75%流量下的值0.03166。然后取几个流量点，计算出对应的Hc，由此可以做出管路特性曲线。对于共用管路调节50%负荷时，此时流量为20.57m3/h，在进行共用管路调节时，调节的总出口阀门的流量，在非共用段的管路沿程阻力几乎不变，所以认为在进行共用管路调节时，非共用段的管路沿程阻力不发生变化，变的是并联泵的管路特性曲线。首先可以画出两台泵并联时的并联曲线。其次根据在为进行调节的曲线图上找出离心泵并联曲线上50%总流量时的工况点，根据，计算出在50%流量下的值为0.0635。然后取几个流量点，计算出对应的Hc，由此可以做出管路特性曲线。
（2）非共用管路调节。对于非共用管路调节75%负荷时，此次实验，我们仅调节泵Ⅰ的出口阀门，使总流量为全负荷运行时的75%。此时，泵Ⅱ和全负荷运行时相同，而泵Ⅰ及其所在的管路发生了变化，但并联运行的泵的扬程曲线几乎不变。首先可以做出两台泵的原始性能曲线和泵Ⅱ包含非共用段阻力时候的泵的性能曲线及其管路特性曲线。而对于泵Ⅰ，由数据计算出此时流量为13.24m3/h，阻力为18.89m。由计算出此时为0.1077。然后将各个工况点的流量代入式，可求出泵Ⅰ在不同流量时的阻力hw1，将泵Ⅰ在不同流量下的扬程值减除对应的阻力值，就可作出泵Ⅰ在包含非共用段下的扬程流量曲线。对于非共用管路调节50%负荷时，此次实验，我们完全关闭泵Ⅰ的出口阀门，这样总流量即为为全负荷运行时的50%。此时，泵Ⅱ和全负荷运行时相同，我们可以画出两泵的原始性能曲线，和泵Ⅱ包含非共用段阻力时的性能曲线。而管路特性曲线则变为泵Ⅱ的管路特性曲线。由此，可以绘制出在不同负荷，不同调节方式下的泵的性能曲线和管路特性曲线。
3 数据结果处理分析
方案一：计算出泵Ⅰ和Ⅱ在不同流量下的效率和轴功率，计算出数据，根据对应的流量和效率、轴功率之间的关系，绘制出η-qv、Pe-qv曲线图。
（1）对于共用路调节时：75%负荷：泵Ⅰ：从图上读出流量14.8m3/h、扬程31.5m、效率值64%，此次实验用的流体为水，密度为103kg/m3，计算得出泵Ⅰ耗功为1.9829kW；泵Ⅱ：从图表上读出流量16m3/h、扬程30.5m、效率值62%，代入可求出泵Ⅱ耗功为2.1426kW，总功耗4.1255kW，从而可求出75%流量时共用管路调节两泵耗功的总量为4.1255kW。
（2）对于非共用管路调节时：75%负荷，计算如下：泵Ⅰ：从图表上读出流量8m3/h、扬程32m、效率值47%，代入可求出泵Ⅰ耗功为1.4827kW；泵Ⅱ：从图表上读出流量22.5m3/h、扬程25.5m、效率值62%，代入可求出泵2耗功为2.5191kW；总功耗4.0018kW。从而可求出75%流量时非共用管路调节两泵耗功的总量为4.0018kW。 （3）对于共用管路调节时：50%流量，计算如下：泵Ⅰ：从图表上读出流量8.5m3/h、扬程32.5m、效率值48%，代入公式，可求出泵Ⅰ耗功为1.5667kW；泵Ⅱ：从图表上读出流量11.2m3/h、扬程32m、效率值53%，代入公式可求出泵2耗功为1.8408kW；将两泵耗功相加从而可求出50%流量时，总功耗3.4075kW。
（4）对于非共用管路调节时，50%流量计算如下：
泵Ⅰ：由于单开泵Ⅱ，泵Ⅰ流量为0，耗功为0。
泵Ⅱ：从图表上读出流量20.3m3/h、扬程18m、效率值63%，代入公式可求出泵Ⅱ耗功为1.5788kW。
（5）耗功量比较：在75%负荷时，通过共用管路调节时系统所消耗的能量为4.1255kW，而通过非共用管路调节时系统所消耗的能量为4.0018kW，此时，两种调节方式的所消耗能量0.1237Kw，相对功耗3%，所以在75%负荷时，通过非共用管路调节消耗的轴功率比较少，此时通过非共用管路调节比较经济。在50%负荷时，通过共用管路调节时系统所需要的能量为3.4075kW，通过非共用管路调节时候，对于相同性能泵并联运行时候，单台泵已经能完全满足其需求，而无需启用两台泵并联运行，所以单台泵运行比较经济。
方案二：从所做出的两台泵并联运行时的实验数据，可以计算出在不同流量下的轴功率，在对应的流量下计算出泵Ⅰ和泵Ⅱ的折算后的轴功率之和，绘制出再共用管路调节和非共用管路调节下对应的流量-轴功率曲线图，由图可以看出在75%负荷时，非共用管路调节时所消耗的轴功率为4.1kW而共用管路调节时所消耗的轴功率4.252kW，此时两种调节方式所消耗能量的比较：绝对功耗0.152kW，相对功耗3.5%由以上比较可以得知，在75%负荷时，通过非共用管路调节消耗能量少，比较经济；而从图上可以看出在85%负荷的时候，两条曲线有个交点，此时，通过共用管路调节和非共用管路调节所消耗的轴功率相同；在大于85%负荷时，通过共用管路调节比通过非共用管路调节系统要消耗的能量少。由此可以得之，如果需要的负荷量大于85%负荷，通过公用管路调节比较经济，而当需要的负荷量小于85%负荷而小于50%负荷时通过进行非共用管路调节比较经济，当系统需要的负荷量小于50%负荷时，此时，一台泵可以满足需求量，无需启用两台泵并联运行。
4 两台泵并联运行经济性分析
通过以上两种方案的处理结果及其他们之间的比较可知，在75%负荷时，由方案一可以得知，非共用管路调节的耗功比共用管路的耗功量少3%，在这个流量点时，采用非共用调节比共用调节更加经济，在由方案二可以得知，非共用管路调节的耗功量比共用管路调节的耗功量少3.5%，同样在这个流量点采用非共用调节比共用调节更加经济；在50%负荷时，由方案一分析，单台泵已经能够满足系统需求流量，而且比两台泵并联运行时采用共用管路调节和非共用管路调节任何一种运行状况耗功都要少，所以在50%负荷工况点采用单泵运行更经济，由方案二分析，此时单泵运行所消耗的轴功率同样小于共用管路调节时所消耗的轴功率；因此可以得知，对于两台泵运行经济性分析采用上述两种方案分析结果一致，此次处理方案是合理的。
另外，由方案二分析可以得知，对于两台离心泵的并联运行，当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量85%以上时，通过共用管路调节比通过非共用管路调节系统所消耗的轴功率要少，也就是说，在这种情况下，我们可以采用共用管路调节管路系统，此时最经济；而当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量85%以下，在系统所能提供的负荷量50%以上时，采用非共用管路调节管路系统，此时消耗的轴功率较少，也就是说，在这种情况下，我们可以采用非共用管路调节管路系统，此时最经济；当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量50%及其以下时，单台泵运行足以提供所需求的负荷量，如果同时采用两台泵的并联运行，其中一台泵关闭，而另一台泵运行，此时关闭的一台泵虽然不提供流体，但是泵的运转仍然需要能量来维持，此时不够经济，因此，当需求量在50%及其以下时，不需要进行泵的并联运行来提供负荷，只需要单台泵的运行比较经济，此时经济性最高。
5 结语
离心泵机组采用并联形式时，并联的数量不宜过多，最好选取两台即可，一般不应超过四台，否则不利于提高泵的效率；离心泵机组并联使用时，可能只有一台离心泵发挥作用，而其它的离心泵则不参加供液，白白消耗了能源。
在本文中，采用相同性能的两台泵并联运行进行研究，采用了共用管路调节和非共用管路调节的两种方式进行研究，通过两种方案分析比较了并联运行的泵在50%和75%负荷时的经济性。由以上方案结果分析得知，在75%负荷时，非共用管路调节比较经济；在50%负荷时，使用单泵调节即可满足系统需求。综上分析结果，对于两台离心泵的并联运行，当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量85%以上时，我们可以采用共用管路调节管路系统，此时最经济；当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量85%以下，50%以上时，我们可以采用非共用管路调节管路系统，此时最经济；当需求的负荷量在系统所能提供的负荷量50%及其以下时，只需要单台泵的运行比较经济，此时经济性最高。
本课题通过计算比较了相同性能泵并联运行时不同调节方式时及其所带负荷变化时的经济性。本文的研究对大多数给水泵站及其供水系统的运行方式的经济性运行具有参考意义。
（编者注：原始实验数据，图纸及其计算过程予以保留，如若需要参考请向作者索取）
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