泵与风机的运行与调节

第六章泵与风机的运行与调节主要内容（一）管网特性及泵与风机运行（二）泵与风机的联合运行（三）泵与风机运行工况的控制调节（四）泵与风机的叶片切割和加长（五）泵与风机运行中的几个问题（一）管网特性及泵与风机运行1、管网特性曲线及其影响因素2、泵与风机的稳定运行1、管网特性及其影响因素所谓管网特性，就是管网中的流量Q与所需要消耗的压头HC之间的关系。管网特性主要与哪些因素相关？首先，A-1：2-B：根据水泵的管网特性方程讨论其影响因素，如P111,图5-1示，列伯努利方程:P+匕=P+匕+H+HPg2gpg2ggw.gP+匕=P+匕+H+HPg2gpg2gjw.j式中Hwg与Hw.为进、出管阻损。两式相减，并整理后可以得到该水泵管网所需要消耗压头的表达式:H=P-土（P-P+CpgpgpgpgV2V2V2V2H+H)+(H+H+—B+1-A-2)gjw.gw.j2g2g2g2gP_PH=p-L+H)+(eV2iV2a:+义字卜兄)=H+(a-淄勺=H-@s.tH=H+中Q2（以l+二）式中，管网阻力特性系数：中=d2gF2管路的静扬程：Hst为抛物线的截距，Hst与流量Q无关，第二项9与流量Q呈平方关系，说明管网特性曲线为二次抛物线，则其管网特性曲线如P112,图5-2中上方的二次曲线。同理可得风机管网特性曲线。类似前述Eq的形式（推导略）：P=（P-P+P）+（ZP+^^）=P+（£*）Q2=P+中Q2CBAtw2s.t2F2st显然，对于风机管网来说，由于空气密度较小，管网特性曲线方程的第一项中，pt的值很小，可近似忽略不计，说明风机管网特性曲线的截距比水泵小得多，而对于那些从大气吸入和排至大气等情况来说，式中第一项（pB—pA）也近似为零，P=（P-P+P）w0stBAt•••p/Q2则其管网特性曲线如P112，图5-2中下方过原点的二次曲线。显然，泵与风机的管网特性曲线（二次抛物线）形状的陡降程度将取决于管网特性系数中值的大小，管网特性系数中值越大，抛物线越陡。中值与管道长度1、沿程损失系数入、局部损失系数Z成正比，而与过流截面成反比。2、泵与风机的稳定运行工况分析如P113，图5-3所示，泵与风机特性曲线与管网特性曲线的交点为泵与风机的运行工况点M，当泵与风机在这个交点上达到稳定运行时，称为稳定运行工况点。相对应的流量为qvm、扬程为hm。泵与风机特性曲线的最高点K处对应的扬程为最大扬程，其右侧区域为稳定运行区域。（二）泵与风机的联合运行1、泵与风机的串联运行2、泵与风机的并联运行3、泵与风机的串联与并联运行的比较1、泵与风机的串联运行采用两台（或以上）设备，分别安装在同一条管路上，就称为串联运行。在什么情况下，系统要采用串联运行？1）系统所要求的扬程（压力）较大。2）由于大扬程（高压力）泵与风机叶轮直径过大、宽度过小、设备的功率大，工艺难度大、成本较高等。3）满足系统技术改造时设备增加，而使管网阻力增大。4）为了适应一些阻力变化范围较大、变化频率较快的系统的可靠与高效运行。串联运行有以下两种形式：（1）相同型号泵与风机的串联运行（2）不同型号泵与风机的串联运行（1）相同型号泵与风机的串联运行串联运行曲线如P117，图5-8所示：HM=2Hb；HMi=2HBi；——串联运行前后工况比较如P116，图5-8所示：扬程：Hc<Hm；Hm<2hc；流量：同理--（2）不同型号泵与风机的串联运行：参见P117，图5-9所示。2、泵与风机的并联运行采用两台（或以上）设备，分别安装在各自的管路上向同一个系统供水或排水，就称为并联运行。在什么情况下，系统要采用并联运行？1）系统所要求的流量较大。2）由于流量泵与风机叶轮过流宽度、设备功率过大、成本较高等。3）满足系统技术改造时设备增加，而使流量增大。4）为了适应一些流量变化范围较大、变化频率较快的系统的可靠与高效运行。并联运行运行有以下两种形式：（1）相同型号泵与风机的并联运行（2）不同型号泵与风机的并联运行（1）相同型号泵与风机的并联运行并联运行曲线：如P114，图5-6所示：Qm=2Qb；QMi=2QB.；——并联运行前后工况比较：如P114，图5-6所示：Qc<QM；QM<2Qc；扬程：同理（2）不同型号泵与风机的串联运行：参见P115，图5-7所示。3、泵与风机的串联与并联运行的比较，参见P117，图5-10所示，讨论一下问题：1）串联运行的特点？2）并联运行的特点？3）两者各自适用于那种场合？（三）泵与风机运行工况的调节1、旁路分流调节方式2、节流调节方式3、入口导流调节方式4、变速调节方式5、动叶调节方式6、泵的进口水位调节方式1、旁路分流调节方式1）旁路分流调节的管路布置实例2）旁路分流调节的水力特性分析3）旁路分流调节的特点及其应用1）旁路分流调节的管路布置与应用实例如图所示，在氧化转炉煤气冷却给水系统中，氧化转炉产生的蒸汽量随炼钢工艺过程变化而周期性波动，汽包补水须随之周期性变化，当转炉停止吹炼、汽包无需补水、系统给水量为零时，为避免电机频繁启动或水泵的闷车，并保证高压泵的安全运行，可在水泵出口管路设置这种供回水分流旁路来维持一个小流流量旁路回流。1.水箱2.给水泵3,锅炉电动阀5,供回水分流阀2）旁路分流调节的水力特性分析如图示旁路阀门关闭，分流流量qf=0时，主管阻力特性曲线为里Z，主管用户的流量为QZ。当旁路阀门开启（见红色阻力曲线中F）,则分流流量为qf,这时的并联管网阻力特性曲线为VZF，主管用户流量为:Qz'=Qzf—Qf显然，Qzf>Qz>Qz'当旁路阀逐步关闭，Z'与ZF同时趋近Z，旁路阻力曲线9F逐步变陡。3）旁路分流调节的特点与应用范围对于用户来说，最大的好处是，采用这种旁路分流的简单调节方法，就实现了在流量减小的同时，系统压力（扬程）也能够同时随之降低。尤其是当系统频繁地需要维持零流量工况时，可避免使电机频繁启动或出现水泵闷车的现象，从而有效地保护了电机和水泵设备。但这种调节方法的缺点是旁路分流的这部分流量的耗功成为了无用功。2、节流调节方式1）出口节流调节方式2）入口节流调节方式3）出口节流与入口节流两种方式的比较4）入口节流调节方式的应用1）出口节流调节方式当关小出口调节阀的开度时，管网阻力曲线由9M调节为9A运行工作点由M-A，流量由Qm-Qa，扬程由Hm-Ha。如P118，图5-11中可以看到，如果不增加管网阻力而相对于流量QB=Qa，所需要的扬程仅为hb，可见采用这种出口节流调节方式减小流量后产生的附加节流损失为：h=HA-HB相应的功率损耗为：N=pgQVAAh/nA2）入口节流调节方式当关小入口调节阀（或挡板）的开度时，管网阻力曲线由pM调节为^B，同时由于流体进入叶轮前流动状态发生了变化，泵或风机特性曲线也由Q—H-Q1—H1，因此使运行工作点由M-B，流量由Qm-QB，扬程由Hm-Hb。如P119，图5-12中可以看到，如果不增加管网阻力而相对于流量Qb=Qa，所需扬程仅为ha，可见采用这种入口节流调节方式减小流量后产生的附加节流损失为：hBA=HB—HA相应的功率损耗为：NBA=P心hBA/nB3）出口节流与入口节流两种调节方式的比较当关小出口调节阀开度时，管网阻力曲线由pM调节为pc，运行工作点由M-C,流量由qm-qc，扬程由Hm-Hc。如P119，图5-12中中可看到，如不增加管网阻力而相对于流量Qc=Qa，所需要的扬程仅为ha，可见如采用出口节流调节方式减小流量所产生附加节流损失为：hcA=HC—HA相应的功率损耗为：Nca=PgQVA^hCA/nc显然，△Nca>^Nba即入口节流比出口节流方式节能。4）入口节流调节方式的应用由于入口节流方式比出口节流方式节能，所以说应该是一种比较好的调节方式，但这种方式的局限性在于入口调节过程中，可能会使进口速度过大、进口压力过低。对水泵来说会增加其发生汽蚀的可能性，因此水泵系统很少使用入口调节方式。3、入口导流调节方式1）入口导流调节及其应用2）入口导流调节方式的节能特性分析1）入口导流调节及其应用虽然入口调节方式比出口调节方式节能，但这种方式的局限性是对水泵来说会增加发生汽蚀可能性，因此大多用于风机系统的工况调节，最常见是应用各种进风口导流器。参见P119图5-13：（a）轴向导流器：（b）简易导流器：（c）径向导流器：2）入口导流调节的节能特性分析风机进风口导流器是通过叶轮入口处产生预旋，改变了进口速度匕的方向和大小，成为非轴向入流，即V1u#0,使理论全压p发生变化，其能量方程式为：P广p（U2V2-uV「由于风机进口导流器调节过程中，管阻特性并不受影响，所以其节能效果比入口节流调节方式更好。4、主轴转速调节方式1）主轴转速的调节方法2）转速调节方式的节能特性分析1）主轴转速的调节方法皮带轮调节变速箱调节汽轮机调节直流电机调节多速电机调节变频调节2）转速调节方式节能特性比较分析（1）与旁路分流调节方式的比较分析（2）与出口节流调节方式的比较分析（3）与入口节流调节方式的比较分析（4）与入口导流调节方式的比较分析（1）与旁路分流调节方式的比较分析如左图所示，采用转速调节将水泵的工况从Z点调节至Z'点，相应流量下降为QZ'、扬程下降为HZ'，而如右图所示采用旁路分流实现同样的工况调节，却带来了分流流量Qf所附加无用功率损失。主轴转速调节方式旁路分流调节方式（2）与出口节流调节方式的比较分析主轴转速调节方式旁路分流调节方式如图所示，采用转速调节将水泵工况从B点调节至C点，相应流量下降为QC、扬程下降为HC，而采用出口节流实现同样的工况调节，却带来了出口节流阻损ahac=ha-hc所产生的附加扬程，这部分功率损失是采用转速调节方式所没有的。

与入口节流调节方式的比较分析如图所示，采用转速调节将水泵工况从M点调节至A点，相应流量下降为QA、扬程下降为Ha，而采用入口节流来实现同样的工况调节，却带来了由于入口节流的阻力损失：△hba=hb—ha所产生的附加扬程，这部分功率损失是采用转速调节方式所没有的。主轴转速调节方式入口节流调节方式主轴转速调节方式入口节流调节方式与入口导流调节方式的比较分析如左图所示，采用转速调节将水泵工况从M点调节至B点，相应流量下降为QB、扬程下降为Hb，而若采用右图所示的入口导流实现同样的工况调节，并不会产生像前述旁路调节的分流流量或在进出口管路上节流调节的附加扬程。那么，入口导流调节与主轴转速调节方式的运行经济性，哪一种更加好一些呢？入口导流调节方式主轴转速调节方式入口导流调节与主轴转速调节方式比较流动损失的比较：入口导流调节方式nz<nr，.•.△hfz<Ahfr进口冲击损失的比较：主轴转速调节不影响进口流动，入口导流调节改变入口流动速度，会使进口的流体运动方向与叶片进口安装角不一致，产生较大的冲击损失。相似性的比较：主轴转速调节不影响相似性，入口导流调节改变了运动相似条件。运行效果的比较：入口导流调节方式在噪声、振动、气蚀（对泵）和效率等性能方面均比变速调节方法差。5、特殊条件下常用的调节方式（1）改变叶片安装角调节方式（2）改变进口水位调节方式（1）改变叶片安装角调节方式（也称动叶调节方式）问题的提出和调节方案的确定动叶调节方式的运行特性分析问题的提出和调节方案的确定随着工业技术的不断发展，大容量锅炉的应用越来越广泛。锅炉配套泵与风机的特点是流量大，流量调节范围很宽，而其扬程（或压力）并不高。同时却要求在调节流量的过程中，其扬程（压力）得变化不宜过大，需要能够维持在一个比较稳定的范围之内。显然，使用轴流式叶轮的泵与风机能够满足流量大，扬程（压力）低的要求。但是，要在扬程（或压力）基本保持不变的条件下，能够进行大范围的流量调节，而由于容量较大，又必须比较节能的方法，应该是怎样的呢？轴流泵动叶调节特性通过对P123，图5-22“改变轴流泵的叶片安装角方式”的实际调节特性分析，可以看到其运行效率基本保持在，不同安装角条件下的高效（额定）工况点：70%〜90%左右。尤其是它能够满足锅炉配套泵与风机流量大，流量调节范围宽（1700/600=2.8倍），扬程不高（3m左右），却要求流量调节过程中，其扬程变化不宜过大（3.5/2.5=1.4倍）的特殊调节要求。（2）改变进口水位调节方式（也称汽蚀调节方式）问题的提出和调节方案的选用汽蚀调节方式的基本原理汽蚀调节方式的运行特性分析汽蚀调节方式所需注意的问题问题的提出和调节方案的确定电站运行过程中，因汽轮机负荷变化，凝结热水井水位频繁升降，水位高时要求凝结泵流量调大，反之要求流量调小，否则水井一旦被排空，机组将无法正常运行。采用哪种调节方式最好？在这种工况条件下，虽然我们也可以采用前面巳介绍过的一些调节方法，实现流量的自动调节，但其自动调节与控制系统的设备投资较大、操作管理与运行经济性等均不够理想。实践证明，只要我们能够合理设计凝结水泵的水力与汽蚀特性，尽量降低管网阻力，则无须增加其它过多的自动调节与控制设备，就完全可以利用水井中的水位变化，来实现系统的全自动流量调节。汽蚀调节方式的基本原理如P120，图5-16所示，水泵吸入口与水面之间的倒灌高度Hg越大，水泵入口压力越高，发生汽蚀的可能性越小。反之，发生汽蚀的可能性则越大，也就是说当水井中水位下降到一定程度时，水泵发生汽蚀，流量下降，水位越低则汽蚀越严重，流量则越小，这就达到了根据水位变化自样动调节流量的目的。汽蚀调节方式的运行特性分析如P120，图5-17所示，设水位高度Hg=HA时，为水泵在额定工况下，不发生汽蚀的最小高度，此时水泵的运行工作点为A。当汽轮机负荷减小......，水位下降，水泵开始发生汽蚀，水泵扬程降低AH，流量相应减小至QA1，如果汽轮机负荷不再减小，则此时水泵维持在A1点上运行。如汽轮机负荷继续减小，则工况点A1-A2-A3......。反之，水泵的工况点逐步恢复至A点。汽蚀调节方式所需注意问题利用水井中的水位变化，来实现系统全自动流量调节，固然能够在减少投资的前提下达到比较好的节能效果，但是必须注意水泵经常在汽蚀状态下运行所存在的风险。采用汽蚀调节方式时，须注意处理好那些问题才能正确合理使用好这种调节方式呢？（I）凝结泵特性曲线与管网特性曲线要配合得当泵出口压力不宜过分大于管路所需克服的阻力，同时要求水泵与管网特性曲线应尽量平坦，从而在调节同样的流量值时，使水泵的汽蚀程度尽可能低。（II）必须采用抗汽蚀性能好的材料由于凝结泵的流量调节过程中，水泵往往需要处于汽蚀状态下运行，为了尽可能地提高泵的使用寿命，必须采用抗汽蚀性能好的材料制作水泵叶轮。（III）必要时设置一个部分凝结水的再循环管路为防止热水井排空或水位过低使汽蚀太严重，可在水泵出口管路设置一个再循环管路，将一部份凝结水送回热水井。（四）泵与风机叶轮叶片的切割或加长1、叶轮叶片切割或加长的目的2、泵与风机叶轮的近似相似3、泵与风机叶轮的切割（或加长）定律4、泵与风机叶轮叶片切割量的控制5、切割或加长后的性能与效率变化6、叶轮叶片切割或加长的应用条件1、叶轮叶片切割或加长的目的由于泵与风机对流体的做功能力，主要时取决于泵与风机叶轮尺寸的大小（叶片长短），因此当我们所设计或所能购置到的泵或风机的额定（设计）流量巳能够基本满足系统使用工况的要求，而其扬程（压力）却偏高或偏低时，为了减小重新研制或购置成本，加快工程进度，往往可采用将叶轮叶片的外径在适当小的尺寸范围内进行切割或加长的方法，使其接近或达到实际使用工况的扬程（压力），同时满足节能运行的要求。2、泵与风机叶轮的近似相似几何相似是两个叶轮之间相似的条件之一，所以叶轮经过切割或加长后，与原来的叶轮之间应该巳经

不再相似。但是，由于这里所定义的泵与风机的切割与加长是要求控制在一个适当小的尺寸范围内的，经大量工程实践证明，只要将叶轮外径切割或加长的尺寸控制在所规定的范围之内，就能够使切割或加长后的叶片出口角3。的变化误差，小于所允许的工程误差之内，从而使叶轮内部流动满足近似的相似状态。2a3、叶轮的切割（或加长）定律（1）低比转速泵与风机的切割与加长（2）中、高比转速泵与风机的切割与加长（3）切割抛物线与切割定律的关系（4）切割抛物线、等效抛物线及阻力曲线的区别低比转速泵与风机的切割与加长对于如P127,图5-27所示的低比转速泵与风机的叶轮来说，外径适当变化，其出口宽度变化很小，甚至可认为没有变化，即：b技b.'（参见图中切割后的红线所示）。设转速不变，（1）切割前后流量比:切割前后扬程比:‘.-22低比转速泵与风机的切割与加长对于如P127,图5-27所示的低比转速泵与风机的叶轮来说，外径适当变化，其出口宽度变化很小，甚至可认为没有变化，即：b技b.'（参见图中切割后的红线所示）。设转速不变，（1）切割前后流量比:切割前后扬程比:‘.-22~叶轮外径d2-d2，，贝1kDD]2kH，2Q冗D'b'V'—V—222mQv^DbV^H'u'V切割前后功率比:—2—2m-HUVmN'_Pg(Q'、(V)()—NPgQvH以上各式称为低比转速泵与风机的切割定律。（1）中、高比转速泵与风机的切割与加长对于如P127，图5-27所示，中、高比转速泵与风机的叶轮来说，外径适当变化时，其出口宽度随之相应变化，由于b2与d2成反比，即：b2'/b2=d2/d2'（参见图中切割后的红线所示）。设转速不变，叶轮外径D2—D2'，贝切割前后流量比:而切割前后流量比:而2也—4”mD2同理，切割前后扬程比:同理，切割前后功率比：E—-―2NkD2J同理，以上各式称为中、低比转速泵与风机切割定律。（3）切割定律与切割抛物线的关系现将中高比转速叶轮切割定律的流量计算式与扬程计算公式联立，并消去得到:Q'2H（3）切割定律与切割抛物线的关系现将中高比转速叶轮切割定律的流量计算式与扬程计算公式联立，并消去得到:Q'2H——―nQ2Hkd2JQV—K'上式称为“切割抛物线”，K'称为比例常数，表示了泵与风机的叶轮叶片切割或加长前后流量与扬程之间的关系。（4）切割抛物线、等效抛物线（或称相似抛物线）与管网阻力特性曲线（抛物线）的区别特别需要强调的是，虽然“切割抛物线”与相似原理中介绍的“等效抛物线”（或称相似抛物线）的方程形式相同，但两者之间的物理意义是有根本性区别的。切割抛物线一一反映切割（或加长）前后，对应工况点的流量和扬程之间的关系。只有“切割抛物线”上的对应工况点才满足切割定律。等效抛物线一一反映减速（或加速）前后，相似工况点的流量和扬程之间的关系。只有“等效抛物线”（或称相似抛物线）上的相似工况点才满足相似定律。参见相似理论一章中有关“泵与风机的通用特性”。管网阻力曲线（抛物线）一一反映管网在不同流量下所需要消耗的能量头。参见本章有关“管网特性”4、泵与风机叶轮叶片切割量的控制前面曾经说过，泵与风机的切割与