泵与风机的运行

例题例题2为防止泵内汽蚀，在运行中为什么必须规定泵的最大流量和最小流量?为防止泵在运行中发生汽蚀，有的泵(如锅炉给水泵)还必须规定其最小流量值。这是因为泵的流量过小，偏离设计工况点很远，泵内流动格产生脱流和回流现象，泵内流动损失增大，泵的效率急剧下降，从而导致泵内水温升高，相应的汽化压力升高，有效汽蚀余量(NPSH)，减小，使(NPSH)a＜(NPSH)r。泵与风机的运行

什么是泵装置与风机装置?什么是泵系统与风机系统?包括泵(风机)、管路及其附件和吸入容器、排出容器在内的检送系统，称为泵(风机)装置。泵(风机)装置再加上原动机和调速设备这一整体，定义为泵(风机)系统。影响泵与风机运行工况点变化的一些因素泵与风机的运行工况是为了满足用户的某种需要而确定的。在泵与风机的运行过程中或在不同的使用场合，如果由于某种原因而导致运行工况点发生变化，则，或者不能满足用户的要求，或者降低运行的经济性，有时甚至会使电机过载，泵内发生气蚀等。因此，为了正确地确定泵于风机的运行工况点，提高其运行的经济性和安全性，了解影响运行工况点的一些因素是十分必要的。泵与风机的运行工况点是由泵与风机本身的性能曲线和管路系统性能曲线的交点决定的。因此，讨论影响泵与风机运行工况点的一些因素就是要讨论影响泵与风机的性能曲线或管路性能曲线的一些因素。1．吸入空间或压出空间的压强或高度变化时运行工况点的变化当泵与风机的吸入空间或压出空间的压强或高度发生变化时，并不影响泵与风机本身的性能曲线。但是，由管路性能方程式（1-76）知，此时静扬程Hst将发生变化，结果管路性能曲线向上或向下平移而导致工况点生变化，如图1-55（a）、（b）所示。图中M点为原来的运行工况点，M′为变化后的运行工况点。应注意的是：当吸水池水面或水面压力下降时，相应的有效汽蚀余量值将减小，有导致系内汽蚀的可能。当排水池水面或水面压力下降较大时，将使流量也有较大的增加，达将导致相应必须汽蚀余量的增加，也存在泵内汽蚀的可能性。对离心式泵来说，流量的增加还会引起相应轴功率的增加，苦轴功率增加过多，还有导致电动机过载的可能性。2．流体密度变化时运行工况点的变化当泵与风机所输送流体的密度变化时，对泵与风机运行工况点的影响有所不同。对泵言，密度的变化不影响泵本身的性能曲线H－qV，但却影响到管路系统扬程中的静扬程。例如，当密度减小时，静扬程将增加，管路性能曲线上移，从而会导致运行工况点的变化，如图1-56所示。对风机而言，密度的变化会影响风机本身的性能曲线p－qV，同时由式（1-79）知，也会使其管路性能曲线的斜率ϕ′发生变化。当密度减小时，运行工况点的变化如图1-57所示。3.流体含固体杂质时运行工况点的变化当流体含有固体杂质时，会使流体的密度和浓度增加，流体密度的变化对泵与风机运行工况点的影响前面已经讨论过。浓度的影响与固体杂质颗粒的大小有关，颗粒大时，产生颗粒间碰撞以及颗粒与管壁、流道间的碰撞与摩擦，导致流动阻力增加。当输送的流体杂质颗粒很小且分布均匀时，流动阻力损失则相对较小。泵与风机输送的流体含有固体杂质时运行工况点的变化如图1-58所示。管路特性曲线

【例1-3】某电厂循环水泵的H-qV、η-qV曲线，如图1-59中的实线所示。试根据下列已知条件绘制循环水管道系统的性能曲线，并求出循环水泵向管道系统输水时所需的轴功率。已知：管道的直径d=600mm，管长l=250m，局部阻力的等值长度le=350m，管道的沿程阻力系数λ=0.03，水泵房进水池水面至循环水管出口水池水面的位置高差Hz=24m（设输送流体的密度ρ=998.23kg/m3，进水池水面压强和循环水管出口水池水面压强均为大气压）。不同性能泵串联运行两种不同陡度的管路性能曲线Hc1-qV、Hc2-qV，其串联后相应的联合运行工况点分别为M1、M2。由图4-1（c）可以看出，在qV<qVM2的各点（如M1点），两泵均能正常工作。当qV>qVM2时，两泵的总扬程小于泵Ⅱ的扬程，若泵Ⅰ作为串联运行的第一级，则泵Ⅰ变为泵Ⅱ吸入侧的阻力（负扬程），使泵Ⅱ吸入条件变坏，有可能成为泵Ⅱ汽蚀的原因；若泵Ⅰ为串联运行的第二级，则泵Ⅰ又变为泵Ⅱ压水侧的阻力。因此，在上述两泵串联的系统中，如果管路要求的流量qV大于qVM2是不合理的。一般说来，串联运行要比单机运行的效果差，且随着串联台数的增加愈加严重。因此串联运行的台数不宜过多，最好不要超过两台。同时，为了保证串联泵运行时都在高效区工作，在选择设备时，应使各泵最佳工况点的流量相等或接近。在启动时，首先必须把两台泵（离心泵）的出口阀门都关闭，启动第一台，然后开启第一台泵的出口阀门；在第二台泵出口阀门关闭的情况下再启动第二台。此外，由于后一台泵需要承受前一台泵的升压，故选择泵时，还应考虑到后一台泵的结构强度问题。另一方面，由于几台风机串联运行的操作可靠性差，故风机一般不采用串联运行方式。泵与风机的并联运行如何做曲线与一台泵单独运行时相比，并联运行时的总流量并非成倍增加，而扬程却要升高一些。这是由于并联后通过共同管段的流量增大，管路阻力也增大，这就需要每台泵都提高它的扬程来克服这个增加的阻力损失，相应地每台泵的流量就要减小。另一方面，管路性能曲线及泵性能曲线的不同陡度对泵并联后的运行效果影响也极大：管路性能曲线越陡，并联后的总流量与两台泵单独运行时流量的之差值愈小；同样，泵的性能曲线越平坦，则并联后的总流量愈小于两台泵单独运行时流量的二倍。因此，为达到并联后增加流量的目的，并联运行方式宜适用于管路性能曲线较平坦而泵性能曲线较陡的场合。单泵的工作点对于经常处于并联运行的泵，为了提高其运行的经济性，应按B点选择泵，以保证并联运行时每台泵都在高效区工作。从运行安全可靠性考虑，为保证在低负荷情况下只用一台泵运行时不发生汽蚀，应按C点的流量决定泵的几何安装高度或倒灌高度；而为保证泵运行时驱动电机不致过载，对于离心泵，应按C点选择驱动电机的配套功率；对于轴流泵，则应按B点选择驱动电机的配套功率。当非共用管段的阻力损失不可忽略时，为了使泵在并联运行与单台运行时有相同的管路性能曲线，可把非共用段EO、FO分别作为泵Ⅰ及Ⅱ的组成部分。此时，将相应泵的性能曲线分别减去其对应流量下非共用段EO、FO的阻力损失hwEO、hwFO，即可得出包括非共用管段在内的泵的性能曲线Ⅰ′、Ⅱ′。由Ⅰ′、Ⅱ′可作出并联后的性能曲线Ⅲ，即（H-qV)b。则曲线Ⅲ与管路性能曲线Hc-qV（只含共用管段阻力损失）的交点M，即为两台不同性能的泵并联后的联合运行工况点；自M点作纵坐标的垂线，分别交曲线Ⅰ′、Ⅱ′于M1′、M2′两点，M1′和M2′即分别为并联后包括非共用管段在内的泵Ⅰ及Ⅱ的运行工况点；自M1′、M2′两点向上作垂线分别交曲线Ⅰ及Ⅱ于M1和M2两点，则M1和M2即分别为并联后泵Ⅰ及Ⅱ的实际运行工况点。：从并联数量来看，台数愈多并联后所能增加的流量越少，即每台泵输送的流量减少，故并联台数过多并不经济。串联与一台泵单独运行时相比，串联运行时的总扬程并非成倍增加，而流量却要增加一些。这是因为泵串联后扬程的增加大于管路阻力的增加，致使富裕的扬程促使流量的增加；而流量的增加又使阻力增大，从而抑制了总扬程的升高。另一方面，管路性能曲线及泵性能曲线的不同陡度对泵串联后的运行效果影响极大：管路性能曲线越平坦，串联后的总扬程愈小于两台泵单独运行时扬程的二倍；同样，泵的性能曲线越陡，则串联后的总扬程与两台泵单独运行时扬程的之差值愈小。因此，为达到串联后增加扬程的目的，串联运行方式宜适用于管路性能曲线较陡而泵性能曲线较平坦的场合。对于经常处于串联运行的泵，为了提高泵的运行经济性和安全性，应按B点选择泵，并由B点的流量决定泵的几何安装高度或倒灌高度，以保证串联运行时每台泵都在高效区工作及不发生汽蚀。而为保证泵运行时驱动电机不致过载，对于离心泵，应按B点选择驱动电机的配套功率；对于轴流泵，则应按C点选择驱动电机的配套功率。泵与风机的运行工况调节泵与风机运行时，其运行工况点需要随着主机负荷的变化而改变。这种实现泵与风机运行工况点改变的过程称为运行工况调节。由于运行工况点是由泵与风机的性能曲线和管路性能曲线的交点所确定的，因此，只要设法改变这两条曲线之一的形状或位置，则均可改变其运行工况点，从而达到调节的目的。叶片式泵与风机的运行工况调节方式可分为非变速调节和变速调节两大类。进口节流调节利用装在进口管路上的节流部件来调节风机流量的调节方式称为进口端节流调节。实践证明，当风机采用进口端节流调节时，不仅改变了管路性能曲线，同时也改变了风机的性能曲线p-qV。因为进口管路上的阀门或挡板离风机的进口较近，节流时形成管路断面上流体速度的变化和压强的降低，从而影响到风机内流体的速度场，使性能曲线发生相应的变化。原运行工况点为M，流量为qVM。当关小进口阀门时，风机的性能曲线由Ⅰ移到Ⅱ，管路的性能曲线由1变为2。则运行工况点即是风机的性能曲线Ⅱ与管路的性能曲线2的交点B，此时流量为qVB，进口节流损失为Δh1。如果在满足同一流量qVB下，将调节方式改为出口端节流调节，则运行工况点为C，这时出口节流损失为Δh2。由图可以看出，Δh1<Δh2，故进口端节调节比出口端节流调节要经济些若泵采用进口端节调节，由于会使泵的吸入管路阻力增加而导致泵进口压强的降低，有引起泵汽蚀的危险，故进口端节流调节仅在风机上使用。入口导流器调节气流预旋速度分量C1u愈大且与u1为同方向（即正预旋），则风机的理论全压pT就愈小，因此使性能曲线向下移，从而使运行工况点往小流量区移动，流量减小增大入口导叶的安装角时，性能曲线p-qV下降的另一个不可忽略的因素是：入口导叶对气流速度C1有一定的节流作用，并使C1的方向改变，导致风机内部局部阻力损失和冲击损失增加，结果使p-qV下降。当入口导叶的安装角由0°变为15°及30°时，流量由qV1变到qV2、及qV3，功率由Psh1变为Psh2及Psh3。把入口导叶的不同安装角下的各轴功率值用曲线连接起来，即得到入口导叶调节时的轴功率与流量的关系曲线Psh′-qV，而入口导叶安装角为0°时的Psh-qV曲线与Psh′-qV曲线在各流量下轴功率的差值Psh-Psh′（图中用纵剖面线表示），即为与出口端节流调节比较，入口导叶调节在各流量下所能节省的功率。由于入口导叶调节具有构造简单及装置尺寸小、运行可靠和维护管理简便、初投资低等优点，故离心式风机目前普遍采用这种调节方式。此外，当调节量较小时，入口导叶调节的节电效果并不比变速调节差，但随着调节量的增加，它的节流效应逐渐增强，调节效率不断降低。根据这一特点，对调节范围大的离心式风机，可采用入口导叶和双速电机的联合调节方式，以使得在整个调节范围内都具有较高的调节经济性。因此，目前火力发电厂大型机组的离心式送、引风机已较普遍地采用了这种联合调节方式。轴流式和混流式风机的入口静叶调节风机的入口设有安装角可调的入口静叶（亦称入口导叶），这种通过改变入口静叶安装角来实现在运行中流量调节的调节方式称为入口静叶调节。轴流式和混流式风机入口静叶的构造和调节原理均与离心式风机的轴向导流器相似，风机采用入口静叶调节时的调节性能曲线。与离心式风机的轴向导流器调节性能相比较，子午加速轴流风机及轴流风机的入口静叶调节既可作正预旋（减小流量）的调节，又可作一定程度的负预旋（增加流量）的调节（即使入口静叶安装角θ＞0°）。在选择风机时，可把100%机组额定负荷流量工况点（MCR点）选在最高效率点，而把考虑安全流量的最大流量点（TB点，即与设计参数相应对的点）选择在最高效率点的大流量侧（负预旋调节）。因此，它比只能作正预旋调节的离心风机入口导流调节具有更高的运行经济.动叶调节机构压力油从油压装置出来，通过分配阀送到伺服油缸，操纵叶片的开闭（1）调节缸2，可沿风机轴中心线移动，并随风机叶轮一起回转，它推动各个动叶根部下面的曲柄，以调整动叶安装角；（2）活塞1，置于调节缸内，也随风机叶轮一起回转，但轴向位置固定；（3）位移指示杆7，表示调节缸的所在位置；（4）液压伺服机构8，固定在回转着的活塞柱上，用防磨轴承支承以保持同一轴线，它是固定的控制装置与回转部件之间的转换装置。动叶调节的适用场合轴流式、混流式泵与风机的动叶调节是泵与风机非变速调节中调节效率最高的调节方式，但与其他非变速调节方式相比，初投资较高，维护量大。经技术经济分析与比较知，该方式宜适用于容量大、调节范围宽的场合。因此，目前火力发电厂越来越多的大型机组的送、引风机和循环水泵均采用了轴流式、混流式的动叶调节方式。此外，采用动叶调节对大型泵与风机的启动、停机也是有利的。变速调节由比例定律不难推知：当装置静能头为零时，管路性能曲线与相似抛物线重合。即变速调节前、后的运行工况点A0和A1为相似工况点。图4-13中，n0、n1分别为变速调节前、后的转速。若n1=n0/2，由比例定律的可得：qV1=qV0/2，H1=H0/4，Psh1=Psh0/8由此可见，通过变速调节来减少流量，可以大大降低泵与风机功率消耗，是一种节能潜力很大的调节方式。上述节能效果的分析，实际上只是分析了在理想情况下最大可能的节能潜力。而实际的节能效果还要受到装置静能头不为零及变速调节设备本身的能量消耗等因素的制约。因此，变速调节的实际节能效果要小于理想情况下最大可能的节能效果。应该指出，变速调节的实际节能效果尽管受到上述诸多因素的制约，但与非变速调节比较，变速调节的主要优点是大大减少了附加的节流损失，在很大变工况范围内能够使泵与风机保持较高的运行效率。因此，现代高参数、大容量电站机组的泵与风机常采用变速调节方式，以提高机组的运行经济性；但由于变速传动装置或可变速原动机投资昂贵，故一般小型机组很少采用。液力耦合器（3）液力偶合器在泵与风机调速节能中的应用叶片式泵与风机由于采用液力偶合器的变速调节比节流调节具有显著的节能效果。因此，目前在国内已广泛应用调速型液力偶合器作为泵与风机的调速装置，尤其在火力发电厂、矿山、钢铁厂、炼油厂等企业应用得最为广泛。液力偶合器的优点

①无级调速：在输入转速不变的情况下，可以输出连续、无级变化的转速。②工作平稳：可以平稳的启动、加速、减速、停止。③空载启动：电动机能空载或轻载启动，故可选用最经济的电动机及电控设备，降低启动电流，节约电能。④隔离振动：液力偶合器的泵轮与涡轮之间没有机械联系、转矩通过工作液体传递，是柔性连接。当主动轴有周期性振动（如扭振）时，不会传到从动轴上，具有良好的隔振效果，能减缓冲击负荷，延长电动机及泵与风机的机械寿命。⑤过载保护：由于液力偶合器是柔性传动，其泵轮与涡轮之间有转速差，故当从动轴阻力矩突然增加时，转差就增大，甚至制动，而原动机仍能继续运转，而不致烧毁；泵与风机也可受到保护。⑥无机械磨损：因泵轮和涡轮间无直接的机械接触，故工作可靠，能长期无检修运行，寿命长。⑦便于控制：液力偶合器是无级调速，故便于实现自动控制，适宜各伺服系统控制。⑧节能：与阀门节流调调节相比较，节能效果显著。液力偶合器的缺点

在电动机额定转速较低的场合，从式M=λρgnB2D5可以看出，在要求同样的转矩而采用较小的转速nB时，液力偶合器的工作腔直径将加大，即液力偶合器的尺寸和重量将相应增加，这不但增加了造价，而且还会使液力偶合器调速的延迟时间增加，不适应处理紧急事故的要求；对于大功率的液力偶合器，除本体外还要有一套诸如供油泵、冷却器、油箱等辅助设备与管路系统，使设备复杂化；在运转中随着负载的变化，转速比也相应变化，因此不可能有精确的转速比，液力偶合器一旦产生故障，泵与风机也不能继续工作。采用交流电动机的变速调节变极调速的主要优点①调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不同转速时的性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一些，不存在其他因变速而引起的能量损失；②调速控制设备简单，仅用转换开关或接触器；③初投资低，特别是中小型变极电动机价格和定速电动机相差不很大；④可靠性较高，除轴承外，不需要特别维修。变极调速的主要缺点有级调速，不能进行连续调速。此外，变极电动机在变速时电力必须瞬间中断，不能进行热态变换，因此在变速时电动机有电流冲击现象发生。高电压的电动机若需频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善提高。变极调速一般需和其它调节方式相配合，常用于流量调节范围较宽的场合。如变极调速可与节流调节、入口导流器调节、液力偶合器等调节方式相结合进行联合调节。目前国内外的200MW火电机组的锅炉离心式送引风机，多数均采用入口导流器调节和变极调速的联合调节方式，以提高风机的运行效率。实践表明，火力发电厂的冷却水循环泵，包括定速离心泵和未采用动叶调节的混流泵、轴流泵，采用变极调速后，可以在不降低安全可靠性的前提下，获得显著的节能效果。变频调速有如下优点①调速效率高，属于高效调速方式。这是由于在频率变化后，电动机仍在同步转速附近运行，基本上保持额定转差。只是在变频装置系统中会产生变流损失，以及由于高次谐波的影响，电动机的损耗增加，从而效率有所下降。②调速范围宽，一般可达20∶1（50~2.5Hz），并在整个调速范围内均具有高的调速效率。所以变频调速适用于调速范围宽，且经常处于低负荷状态下运行的场合。③当采用自动控制时，能作高精度运行，把转速波动率控制在0.5%~1%左右。④变频装置万一发生故障，可以退出运行，改由电网直接供电，泵与风机仍可继续保持运转。⑤能兼作启动设备，即通过变频电源将电动机启动到某一转速，再断开变频电源，电动机可直接接到工频电源使泵与风机加速到全速。在变频电源向工频电源切换时，一般有00%~500%的冲击电流产生，电网电压瞬时下降，电动机受到机械冲击。为了防止这种现象的产生，可在电动机和工频电源之间并联一个启动电抗器，以便在启动时抑制冲击电流的产生。若原动机为同步电动机，则需进行“同步切换”。变频调速缺点①从目前看，变频器的初投资太高，是应用于泵与风机调速节能中的主要障碍。②因变频器输出的电流或电压的波形为非正弦波而产生的高次谐波，对电动机及电源会产生种种不良影响。但若采用多重化技术的电流型变频器，则这个问题可以得到大大的改善。小汽轮机直接驱动的变速调节

随着大容量火电机组的发展，驱动锅炉高压给水泵的功率也随之增加，为了提高火力发电厂的经济性，对于大容量机组给水泵的原动机的选择，目前国内、外一般认为单机容量在250~300MW以上机组的给水泵以采用小汽轮机直接驱动变速调节为佳。因为现代给水泵单机容量的增大，已使小汽轮机效率几乎与主机相等，在这种情况下，采用小汽轮机直接驱动锅炉高压给水泵进行变速调节已成为最佳的调节方案。特点（1）增大了单元机组输出电量，大约为发电量3%~4%，即降低了厂用电量。（2）不需要升速齿轮和液力偶合器，故不存在设