给排水工程仪表与控制教学课件(44p)

1、给排水工程仪表与控制执行设备abc主要的执行设备有各种泵，如离心泵，往复式计量泵；各种阀门，如调节阀，电磁阀等电磁阀起对管路的通断控制作用，相当于管路开关调节阀起流量的调节作用，改变调节阀的开启度就可以改变通过的液体流量执行设备Part 1往复泵及其调节离心泵及其调节Part 2其他执行设备Part 4调节阀基本特性Part 3往复泵及其调节4321往复泵的结构和工作原理往复泵的基本特性往复泵的工程计算计量泵与隔膜泵往复泵的结构和工作原理往复泵的结构如右图所示，主要部件包括：泵缸、活塞，活塞杆及吸入阀、排出阀。其中吸入阀与排出阀均为单向阀。高压往复泵往复泵的结构和工作原理工作原理活塞由电动的曲

2、柄连杆机构带动，把曲柄的旋转运动变为活塞的往复运动;或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动当活塞从左向右运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭；吸出阀由于受池内液压的作用而打开，池内液体被吸入缸内当活塞从右往左运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液往复泵的结构和工作原理213往复泵是依据活塞的往复运动直接以压力能的形式向液体提供能量；单动泵，活塞往复运动一次，吸、排液交替进行各一次，输送 液体不连续；双动泵，活塞两侧都装有阀室，活塞的每一次行程都在吸 液和向管路排液，银耳供液连续；为了耐高压，活塞与连杆往往用柱塞代替。说明：Click here to ad

3、d your title123456自吸能力强额定排出压力与泵的尺寸和转速无关往复泵的基本特性7流量不均匀对液体污染度不很敏感结构较复杂，易损件较多转速不宜太快理论流量与工作压力无关，只取决于转速、泵缸尺寸及作用数往复泵的主要特点是：效率高而且高效区宽。能达到很高压，压力变化几乎不影响流量，因而能提供恒定的流量。具有自吸能力，可输送液、气混合物，特殊设计的还能输送泥浆、混凝土等。流量和压力有较大的脉动，特别是单作用泵，由于活塞运动的加速度和液体排出的间断性，脉动更大。通常需要在排出管路上（有时还在吸入管路上）设置空气室使流量比较均匀。采用双作用泵和多缸泵还可显著地改善流量的不均匀性。速度低，尺

4、寸大，结构较离心泵复杂，需要有专门的泵阀，制造成本和安装费用都较高。 活塞泵主要用于给水，手动活塞泵是一种应用较广的家庭生活水泵。柱塞泵用于提供高压液源，如水压机的高压水供给，它和活塞泵都可作为石油矿场的钻井泥浆泵、抽油泵。隔膜泵特别适合于输送有剧毒、放射性、腐蚀性的液体、贵重液体和含有磨砾性固体的液体。隔膜泵和柱塞泵还可当作计量泵使用。往复泵的工程计算往复泵的工程计算1、往复泵流量1.1 理论平均流量 在曲柄连杆机构的往复泵中，当曲柄以不变的角速度旋转时，活塞是作变速运动，所以往复泵的流量也是随时间而变化。但是，对于使用者来说，往往要知道在一定时间内往复泵所输送液体的体积。因此，就需要研究往

5、复泵的理论平均流量。 活塞在一个往复行程中所排出液体的体积在理论上应该等于活塞在一个行程中所扫过的体积。因此，理论平均流量QT为：1.2 实际平均流量Q为：2、往复泵压头往复泵的工程计算往复泵的工程计算 因为是靠挤压作用压出液体，往复泵的压头理论上可以任意高。但实际由于构造材料的强度有限，泵内的部件有泄漏，故往复泵的压头仍有一限度。而且压头过大，也会使电机或传动机构负载过大而损坏。 往复泵理论流量是由单位时间内活塞扫过的体积决定，而与管路的特性无关。而往复泵提供的压头则只是与管路的情况有关，与泵的情况无关，管路的阻力大，则排出阀在较高的压力下才能开启，供液压力必然增大；反之，压头减小。这种压头

6、与泵无关，只取决于管路情况的特性称为称为正位移特性。3、往复泵的操作要点 往复泵的效率一般都在70%以上，它适用于所需压头较高的液体输送。往复泵可以输送黏度很大的液体，但不宜直接用来输送腐蚀性的液体和有固体颗粒的悬浮液，因泵内阀门，活塞受腐蚀或被颗粒磨损、卡住，都会导致严重的泄露。 1）由于往复泵是靠贮池液面上的大气压来吸入液体，因而安装高度有一定限制 2）往复泵有自吸作用，启动前无需灌泵。 3）一般出口不设阀，即使有出口阀，也不能在其关闭时启动。 往复泵的工程计算往复泵的工程计算3、往复泵的流量调节 a、用旁路阀调节流量。 b、改变电机转速或行程。这两种方式都易于实现自动控制，而且在被调参数

7、与输出之间具有良好的线性关系：往复泵的工程计算往复泵的工程计算往复泵的工程计算往复泵的工程计算若采用变频调速的方式进行转速调节，在电源频率与电机转速之间存在如下关系：往复泵的工程计算计量泵与隔膜泵1.计量泵 计量泵，也称定量泵或比例泵 ，是一种可以满足各种严格的工艺流程需要，流量可以在0-100%范围内无级调节，用来输送液体（特别是腐蚀性液体）一种特殊容积泵。 计量泵是流体输送机械的一种,其突出特点是可以保持与排出压力无关的恒定流量。使用计量泵可以同时完成输送、计量和调节的功能,从而简化生产工艺流程。使用多台计量泵,可以将几种介质按准确比例输入工艺流程中进行混合。工作原理： 电机经联轴器带动蜗

8、杆并通过蜗轮减速使主轴和偏心轮作回转运动，由偏心轮带动弓型连杆的滑动调节座内作往复运动。当柱塞向后死点移时，泵腔内逐渐形成真空，吸入阀打开，吸入液体；当柱塞向前死点移动时，此时吸入阀关闭，排出阀打开，液体在柱塞向进一步运动时排出。在泵的往复顺还工作形成连续有压力、定量的排放液体。其特点有：该泵性能优越，其中隔膜式计量泵绝对不泄露，安全性能高，计量输送精确，流量可以从零到最大定额值范围能任意调节，压力可从常压到最大允许范围内任意选择。调节直观清晰，工作平稳、无噪声、体积小、重量轻、维护方便，可并联使用。该泵品种多、性能全、适用输送-30度到450度，粘度为0-800mm/s，最高排出压力可达64

9、Mpa，流量范围在0.1-20000L/h，计量精度在1%以内。根据工艺要求该泵可以手动调节和变频调节流量，亦可实现遥控和计算机自动控制。适用范围： 适用于高压、低压、强（弱）腐蚀性且计量精确度高的场合；计量泵与隔膜泵2.隔膜泵计量泵与隔膜泵 隔膜泵又称控制泵，是执行器的主要类型，通过接受调制单元输出的控制信号。隔膜泵借助动力操作去改变流体流量。 隔膜泵其有四种材质：塑料、铝合金、铸铁、不锈钢。电动隔膜泵其有四种材质：塑料、铝合金、铸铁、不锈钢。 隔膜泵根据不同液体介质分别采用丁腈橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶、聚偏氟乙烯、聚四六乙烯。以满足需要。安置在各种特殊场合，用来抽送各种常规泵不能抽吸的介质。

10、工作原理 隔膜泵是容积泵中较为特殊的一种形式。它是依靠一个隔膜片的来回鼓动而改变工作室容积来吸入和排出液体的。其特点有：1、无轴封、无泄漏、流道宽敞,所以输送含颗粒，高粘度粘度可达1万厘泊，易挥发和腐蚀性介质时，不会造成环境污染和危害人身安全。2、无旋转部件，通过性能好，允许通过最大颗粒直径达10毫米。液体无剪切流动，泵自身部件磨损小。对输送物损伤小，可输送污泥和生命体如小鱼苗之类。3、不需灌引水，自吸能力强，吸程高达7米，长时间干呼吸，对泵不损坏。一旦超负荷，泵便会自动停机，负荷恢复正常时，能自动启动运行，具有自我保护功能电动泵无此功能。4、气动泵扬程达50米，电动泵达30米，出口压力最大可

11、达0.6兆帕。电动泵无此功能，进口需装调节阀控制。5、气动泵可以浸没在介质中工作，无电源通过，安全可靠电动泵无此性能。6、气动泵不需电源，更适合易燃、易爆场合的介质输送。离心泵及其调节4221离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度离心泵的变频调速规律离心泵的变频调速规律分析最一般的非恒压非恒流工况，水泵特性曲线随转速变化，而管路特性曲线则固定不变，工况点沿管路特性曲线变动，如图1 。管路特性曲线可用下式表示：离心泵的变频调速规律离心泵的变频调速规律水泵特性曲线与管路特性曲线的交点，即水泵工况点，联立（1）（2）得：H0+sgQ2 =Hbi-sQ2 （3）可以证明，水泵在变速条件下工作摩阻s不

12、变，Hbi是转速n的函数。任取两种转速n1和n2，可近似的表达为：Hb1/Hb2=(n1/n2)2 （4）取Hb1=Hb，对应于n1=n0；在任一转速n2=n下，有：Hb2=Hb（n/n0）2 （5）将（5）代入（3），有：Q2=1/(sg+s)【Hb（n/n0）2-H0】 （6）离心泵的变频调速规律离心泵的变频调速规律式中 Hb、n0水泵在额定转速下的相应参数。对（6）进行规范化处理，令a=（H0/Hb）1/2,b=（H0/sg+s）1/2，有:n2/a2-Q2/b2=1 （7）以变频方式调速是，频率与转速有下列关系:n=kf （8）式中 k与电机极数和转差率有关的系数； f电源频率。于是（

13、7）可以改写为：f2/（a/k）2-Q2/b2=1 （9）离心泵的变频调速规律离心泵的变频调速规律式（7）（8）表达的是离心泵在变速运行条件下，流量与转速或电源频率的基本关系，即离心泵的变频调速规律。式中a、b、k是与水泵、管路及电机特性有关的系数。流量与转速或频率之间遵循双曲线函数关系，定义域为n0，f0，Q0，。离心泵降速运行有一个降速极限n1=a，可称n1为压力调速极限。水泵转速低于n1后，会因泵出口压力过低而无流量输出。因此不考虑效率因素下，水泵可调速范围为n1n0之间。存在对应的频率极限f1，有效变频范围为f1f0。实测结果可以证实上述理论规律。并且在有管路阀门开启度越小，即管路特性

14、曲线越陡时，频率极限值越高离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度1、离心投药泵的调节精度问题水处理投药工艺往往对投药设备的调节精度有一定的要求。一旦选定一个要求的投药量精度指标(可以用药剂单耗的最小可调量乙q表示,以mg/L为单位),对投药设备的调节精度要求,亦即其可调节的最小药液流量幅度就确定了: Q=1000Qa/(24c)q （10）式中 Q药液流量精度,(L/h); q一一投药量单耗精度,(mg/L);Qa相应水处理系统产水量,(m3/d);C药液浓度,(%);一一药液密度,（kg/m3)。离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度另一方面，受变频调速设备的输出精度响,离心投药泵实际能

15、达到的流量调节精度是有限的。希望该调节精度等于或略高于实际需要的精度,亦即能达到的流量最小调节量Q值等于或略小于式(10)的要求值。这一要求对于往复式计量投药泵而言并不困难,该种泵的工作特性为全量程线性可调,调频范围为0一50Hz;对于离心投药泵却有一定难度,因为其工作特性是非线性的,且可用调频范围通常只有几个赫兹。离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度2、提高调节精度的措施从离心投药泵的变频调速规律出发,可对其调节精度进行分析。对式(9)进行微分：Q=（kb2/af/QQf） （11）此即为离心投药泵变频调速精度方程,表明其流量调节精度与变频器输出精度f有关,与比值f/Q有关,还与参数k、

16、a、b有关。前一个因素取决于变频器的性能,而后两个因素则是由水泵及管路的特性及其联合工作状况决定的。变频调速器的调节精度是有限的,而且要求精度越高,变频器价格也越高。现行主流型变频调速器的模拟输出精度多为最大输出频率的士0.20.5%。最大频率为50Hz,则调节输出精度f=0.1025Hz。在此限制条件下,合理选择离心投药泵的工作条件,提高调节精度则是一条经济可行的途径。离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度由式(9)有:f/Q=1/(f/Q)=1/(kb/a)2-b2/f21/2 （12）将式(12)及k、a、b的表达式皆代入式(11)并整理有:Q=Hb/(sg+s)f/Hb-H0（f0/

17、f）21/2 （13）式(13)表明,在投药泵、投药系统及变频器已定的条件下(f、Hb、H0、f0、s均为定数),提高投药泵的调节精度,即降低投药量最小变幅Q的可行措施有两条:加大管路阻抗sg及提高工作频率f0。实用中实现这一目的的一个简洁办法就是控制投药管路上阀门的开启度。减小开启度既增大了管路阻抗sg又提高了工作电源频率,图2的几条不同开启度下水泵的工作曲线说明了这一问题。离心投药泵的功率较小,因此虽然关小阀门提高工作频率加大了能耗,但这并不构成太大的问题,然而由此获得的投药量高精度调节效果所带来的技术经济意义却是重要的。离心泵的变频调速规律离心泵的变频调节精度3、离心泵投药的适用性及其最

18、佳工况综合上述因素,离心投药泵的最佳工况应该是:选择适宜的阀门开启度,使之在要求的QminQmax之间连续可调,并达到规定的调节精度。应注意的一种情况是与泵配套的控制设备的输入输出精度(如A/D、D/A转换器)应与系统的精度要求相协调。另一种情况是:关阀门使工作电源频率已接近极限(f0=50Hz),调节精度仍达不到要求,这时需采取一些补充措施来提高精度,如可适当调小变频器的输出频率范围,稀释降低药剂的有效成份浓度以加大流量等。但这些措施都是有限的,特别是药剂的稀释必须以不降低药剂性能为前提。对药液流量调节精度的要求是同药剂单耗及处理水量规模有关的(式(10),平均药剂单耗q(mg/L)越大,在

19、相对精度(q/q)不变的条件下,绝对精度要求q值就可越大,对投药泵的调节精度要求就可放宽;处理水量越大,在同样的单耗精度要求乃q条件下,要求药液流量的最小变幅Q值越大,对投药泵的调节精度要求也可放宽。调节阀的基本特性4321调节阀的工作原理调节阀的流量特性调节阀的可调比与流通能力调节阀的调节精度离心泵的变频调速规律调节阀的工作原理 调节阀又名控制阀，在工业自动化过程控制领域中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力、温度、液位等工艺参数的最终控制元件。按阀体与流通介质的关系可将调节阀分为直通式和隔膜式. 直通式：阀芯与流通介质直接接触隔膜式：通过耐腐蚀隔膜与流通介

20、质相接触（适用于输送含腐蚀性级悬浮颗粒的液体）按控制信号的种类可分为气动和电动调节阀 从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。离心泵的变频调速规律调节阀的工作原理对不可压缩的流体，由伯努利方程可推导出调节阀的流量方程式为：式中：流体流经阀的流量，m3/s；1、2进口端和出口端的压力，MPa；阀所连接管道的截面面积，m2；阀的公称通径，mm；流体的密度，kg/m3；阀的阻力系数。可见当A一定，(P1-P2)不变时，则流量仅随阻力系数变化。阻力系数主要与流通面积(即阀的开度)有关，也与流体的性质和流动状态有关。调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的，即改变阀门开度，也

21、就改变了阻力系数，从而达到调节流量的目的。阀开得越大，将越小，则通过的流量将越大。离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指流过调节阀的流体相对流量与调节阀相对开度之间的关系，即式中：Q/Qmax相对流量，即调节阀在某一开度的流量与最大流量之比；l/L 相对开度，即调节阀某一开度的行程与全开时行程之比。一般说来，改变调节阀的阀芯与阀座之间的节流面积，便可控制流量。但实际上由于各种因素的影响，在节流面积变化的同时，还会引起阀前后压差的变化，从而使流量也发生变化。为了便于分析，先假定阀前后压差固定，然后再引申到实际情况。因此，流量特性有理想流量特性和工作流量特性之分。离心泵的变频调速

22、规律调节阀的流量特性1、调节阀的理想流量特性 调节阀在阀前后压差不变的情况下的流量特性为调节阀的理想流量特性。调节阀的理想流量特性仅由阀芯的形状所决定，典型的理想流量特性有直线流量特性(a)、等百分比又称对数流量特性（b）和快开流量特性(c)和抛物线特性，如图1)直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变化所引起的流量变化是常数。由此可见，直线流量特性调节阀在行程变化相同的条件下所引起的相对流量变化也相同，但相对流量变化的相对值不同。即流量小时，相对流量变化的相对离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性值大；而流量大时，相对流量变化的相对值小。也就是说，阀在小开

23、度时控制作用太强，不易控制，易使系统产生振荡；而在大开度时，控制作用太弱，不够灵敏，控制难于及时。(2)等百分比(对数)流量特性等百分比流量特性是指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即该点单位相对行程变化的百分数与相对流量变化的百分数相等，故称为等百分比流量特性。等百分比流量特性的相对开度与相对流量成对数关系，故又称之为对数流量特性。这种调节阀的放大系数是随行程的增大而递增，即在开度小时，相对流量变化小，工作缓和平稳，易于控制；而开度大时，相对流量变化大，工作灵敏度高，这样有利于控制系统的工作稳定。离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性(3)快开流量特性调节阀在开度

24、较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，故称为快开流量特性。快开流量特性的阀芯是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。(4)抛物线特性抛物线特性是指调节阀的相对流量与相对开度的二次方根成正比。抛物线特性介于直线特性和等百分比特性之间，改善了直线特性在小开度时调节性能差的缺点.2、工作流量特性在实际使用时，调节阀总是与具有阻力的表冷器、换热器、管道等相连接，即使能保持供、回水压差不变，也不能始终保持调节阀前后的压差恒定。因此，虽然在同一相对开度下，通过调节阀的实际流量将与理想特性时所对应的流量不同。所谓调节阀的工作流量特性就是指调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下，它的

25、相对流量与相对开度之间的关系。离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性1)串联管道时调节阀的工作流量特性直通调节阀与管道和设备串联的系统及其压差变化情况如图57所示。调节阀安装在串联管道系统中，串联管道系统的阻力与通过管道的介质流量成平方关系。当系统总压差为一定时，调节阀一旦动作，随着流量的增大，串联设备和管道的阻力亦增大，这就使调节阀上压差减小，结果引起流量特性的改变，理想流量特性就变为工作流量特性。假设在无其他串联设备阻力的条件下，阀全开时的流量为Qmax，在有串联设备阻力的条件下，阀全开的流量为Q100，两者关系可用下式表示：离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性式中Pv为阀全开时，阀上的压差

26、与系统总压差之比值，称为阀权度，也称为阀门能力或压差比，即式中：P1调节阀全开时阀上的压力降；P 包括调节阀在内的全部管路系统总的压力降。显然，随着串联阻力的增大，S值减小，则Q100会减小，这时阀的实际流量特性偏离理想流量特性也就愈严重。以Q100作参比值，不同Pv值下的工作流量特性如图58所示。由图58可以看出，当S=1时，理想流量特性与工作流量特性一致；随着S的值降低，Q100逐渐减小，所以实际可调比R(R=QmaxQmin)是调节阀所能控制的最大与最小畸变，也会逐渐减小；随着S值的减小，特性曲线发生畸变，直线特性阀趋于快开特性，而等百分比特性阀趋于直线特性阀，这就使得调节阀在小开度时控

27、制不稳定，大开度时控制迟缓，会严重影响控制系统的调节质量。因此，在实际使用时，对S值要加以限制，一般希望不低于0.30.5。离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性离心泵的变频调速规律调节阀的流量特性(2)并联管道时调节阀的工作流量特性调节阀一般都装有旁路，以便于手动操作和维护，当负荷提高或调节阀选小了时，可以打开一些旁路阀，此时调节阀的理想特性就改变为工作特性。若以X代表管道并联时调节阀全开流量Q1与总管最大流量Qmax 之比，即 可以得到压差为一定而X值不同时的工作流量特性，如图59所示。当X=1，即旁路阀关闭时，调节阀的工作特性同理想特性一致；随着X的减小，系统的可调比将大大下降。同时，在实

28、际应用中总有串联管道阻力的影响，调节阀上压差还会随流量的增加而降低，使可调比更为下降。一般认为X值不应低于0.5，最好不低于0.8。离心泵的变频调速规律调节阀的可调比与流通能力1、调节阀的可调比调节阀的可调比就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。可调比也称可调范围，若以R来表示，则要注意最小流量Qmin和泄漏量的含义不同。最小流量是指可调流量的下限值，它一般为最大流量Qmax的2-4，而泄漏量是阀全关时泄漏的量，它仅为最大流量的0.1-0.01。2、调节阀的流通能力调节阀流通能力是衡量阀门流量控制的能力。其定义为：当调节阀全开、阀两端压差为105Pa、流体重度为=1gcm3时，每小时流经

29、调节阀的流量数，以m3h计，计算公式：离心泵的变频调速规律调节阀的可调比与流通能力式中：Q系统的设计流量（m/h)设计流量Q值的选择：可调节最大流量Qmax 工艺所需要的最大流量Qmax可调节最小流量Qmin工艺所需要的最小流量QminQ=Qmax-Qmin通常情况下，都用正常流量Q正常或者工艺所需最大流量Qmax作为计算C值的流量当调节阀上游压力源是一个恒压源时，选择Qmax作为计算C值依据，当调节阀上游压力源是一个变压源时，选择Q正常作为计算C值的依据。压差值P的选择：一般来说，从调节作用考虑，应使压差占整个系统中总阻力损失的比值越大越好，这样可使流量特性少发生畸变；从经济上考虑，则应使压差尽可能小，这样选择较小扬程的泵，以减少动能损失。离心泵的变频调速规律调节阀的调节精度为保证系统的正常工作，调节阀的调节精度应与系统其它部分的精度相协调，一般来说不应低于调节阀输入控制信号的精度。在水处理系统中，往往受水质、水量等多种因素的影响而导致投药量变化较大，投药系统必须按最大投药量设计，而实际运行时多数时间的投药量则远远低于设计投药量，因此调节阀必处于小开度状态下运行，系统的调节精度将进一步下降。另外，投药系统在设计时经常要留有较富裕的水头，在使用时