离心泵与风机

第3章离心泵的运行工况及其分析

离心泵的运行工况及其分析

在实际运行中，泵的瞬时出水量Q、扬程H、轴功率N及效率η等在Q-H、Q-N、Q-η曲线上的具体位置，称为该泵装置的瞬时工况点，它表示了该泵在此瞬间的实际工作能力。影响工况点的因素： 1）泵本身的型号； 2）泵的实际转速； 3）输、配水管路系统的布置以及水池、水塔的水位值及其变动等边界条件。水泵工况点的调节方法

这些调节方法基本上可归结为二条，即：1）改变输、配水管路系统的性能进行调节；2）改变泵本身的特性进行调节。实际运行中，可根据系统的具体情况选用合适的调节方法，并可同时采用数种调节方式以使水泵运行在所需要的或最佳的状态。阀门节流调节转速调节串/并联台数调节变叶轮大小调节3.1离心泵管道系统特性曲线

水流经过管道时，一定存在管道水头损失，其值用∑h表示，它是管道中沿程摩擦阻力和局部阻力产生的水头损失之和。对于一定的管道来说，可以表示为：

式中S代表长度、直径已定的管道的沿程摩阻与局部摩阻之和的系数，称为阻力系数。

上式可用一条抛物线（也即Q-∑h曲线来表示），此曲线一般称为管道水头损失特性曲线。曲线的曲率取决于管道的直径、长度、管壁粗糙度以及局部阻力附件的布置情况。水泵装置的管道系统特性曲线

为了确定水泵装置的工况点，我们利用Q-∑h曲线，并且将它与水泵工作的外界条件（如水泵的静扬程HST等）联系起来考虑，按水泵的扬程计算式H=HST+∑h可画出如图所示的曲线，我们称此曲线为水泵装置的管道系统特性曲线。

该曲线上任意一点K的一段纵坐标hK，表示水泵输送流量为QK、将水提升至HST高度时，管道中每单位重量液体所需消耗的能量值。水泵装置的管道系统特性曲线

水泵装置的静扬程HST，在实际工程中，可以是吸水池至压出水池水面间的垂直几何高差，也可能是吸水池与压水密闭水箱之间的表压差。

因此，管道水头损失特性曲线只表示在水泵装置管道系统中，当HST=0时，管道中水头损失与流量之间的关系曲线，此情况为管道系统特性曲线的一个特例。

3.2离心泵定速运行工况与调节

离心泵的工况点即其运行时所处的状态点，该状态点由离心泵在管路系统中所具有的一些特性参数（如转速、流量、扬程等）共同确定。3.2.1离心泵的定速运行工况

当离心泵的转速保持不变时，所对应的工况称为离心泵的定速运行工况

M点表示将水输送到高度为HST时，水泵所供给水的总比能与管道所要求的总比能相等的那个点，称它为该水泵装置的平衡工况点（也称工作点）。只要外界条件不发生变化，水泵装置将稳定地在这点工作，其出水量为QM，扬程为HM，该点即为该离心泵的定速工况点。

图3-3离心泵装置的工况3.2.2离心泵定速工况点的调节

在水泵的运行管理中，常需要人为地对水泵装置的工况点进行必要的改变和控制，我们称这种改变和控制为“调节”。

最常见的调节是用闸阀来节流，也就是改变水泵出水闸阀的开启度来进行调节。

利用闸阀的开启度可使水泵装置的工况点由零到极限工况点QA之间变化

图3-4离心泵工况点随水位变化

图3-5闸阀节流调节3.3离心泵并联及串联运行工况3.3.离心泵并联运行的适用场所1离心泵并联运行： 1）用户需要大流量而单台泵满足不了要求； 2）使用过程中流量要大幅度变化，且要求能进行

水泵台数调节时； 3）要求有水泵备用以满足不间断供水需要时； 4）尽管单台泵可满足流量要求，但多台泵并联的

效率高于单台泵时。

离心泵并联运行工况的图解法原理

把I号泵Q-H曲线上的1、1ˊ、1ˊˊ，分别与II号泵Q-H曲线上的2、2ˊ、2ˊˊ各点的流量相加，则得到I、II号泵并联后的流量3、3ˊ、3ˊˊ，然后连接3、3ˊ、3ˊˊ各点即得水泵并联后的总（Q-H）1+2曲线。

图3-6水泵并联Q—H曲线图3-7同型号、同水位、对称布置的两台水泵并联

一台泵单独工作时的流量，大于并联工作时每一台泵的流量，也即两台泵并联工作时，其流量不是单泵工作时的流量加倍。这种现象在多台泵并联时，就很明显，而且当管道系统特性趋向较陡时，就更为突出。如图3-8。

注意：图3-8五台同型号泵并联工作示意图不同型号的两台水泵在相同水位下的并联工作这种情况不同于上面所述的主要是：两台水泵的特性曲线不同，管道中水流的水力不对称。两台水泵并联后，每台泵工况点的扬程也不相等。

因此，欲绘制并联后的总Q-H曲线，就不能简单地使用等扬程下流量叠加的原理，而要先扣除造成两台泵扬程差异的因素，即将两台泵的扬程换算为平衡扬程后（亦可用图解法），才能采用等扬程下流量叠加的原理。

其具体方法是：在各台水泵的特性曲线上分别减去各自由吸水管口到并联交汇点这段管道的能量损失，得到两条新的水泵特性曲线即为扣除了阻力影响的水泵等效特性曲线，再在等效特性曲线上应用图解法即可。

3.3.2离心泵串联运行

离心泵串联

就是将第一台水泵的压水管作为第二台水泵的吸水管，水由第一台水泵压入第二台水泵，水以同一流量依次流过各台水泵。

水泵的串联主要应用在以下场合：

1）单台泵的扬程不能满足供水要求时；

2）对旧系统进行改造后，管路系统的阻力增大，使原有的水泵难以满足要求，而此时又要利用原有水泵时。

离心泵串联运行图解法

各台水泵串联工作时，其总Q-H曲线等于同一流量下扬程的叠加。

水泵串联运行，要注意参加串联工作的各台水泵的设计流量应是接近的，否则，就不能保证两台泵都在较高效率下运行，严重时可使小泵过载或者反而不如大泵单独运行。因为在水泵串联条件下，通过大泵的流量也必须通过小泵，这样，水泵就可能在很大的流量下强迫工作，轴功率增大，电动机可能过载。

另外，两台泵串联时，应考虑到后一台泵泵体的强度问题。

图3-9水泵串联工作3.4离心泵的调速运行工况

调速运行是指水泵在可调速的电机或其他变速装置的驱动下运行，通过改变转速来改变水泵装置的工况点。

对调速运行工况，将着眼于在管网用水量逐时变动的情况下，如何充分利用通过变速而形成的离心泵Q-H曲线的高效工作区。因此，调速运行大大地扩展了离心泵的有效工作范围，是水泵运行中十分合理的调节方式。

3.4.1相似定律

实际应用中，如果实际水泵与模型水泵的尺寸相差不大，且转数相差也不大时，可近似地认为三种局部效率都不随尺寸而变，则相似定律可写为：

（3-5）

3.4.2离心泵调速性能分析

此式表示同一台离心泵，当转速n变化时，其他性能参数将按上述比例关系而变，上面这三个式子为相似定律的一个特殊形式，称为比例律。它反映出转速改变时，水泵主要性能变化的规律。在后述的关于离心泵装置的变速调节工况就是应用比例定律来换算的。

应用：（1）已知水泵转速为n1时的（Q-H）1曲线，但所需工况点并不在该特性曲线上，而在坐标点A2处。则要知道水泵在A2点工作时，其转速n2应为多少；（2）已知水泵n1时的（Q-H）1曲线，试用比例律画出转速为n2时的（Q-H）2曲线。

图3-10比例律的应用图3-11转速改变时特性曲线变化3.4.3离心泵的调速途径及调速范围石油化工生产中的离心泵都是通过交流电机来带动运转的，交流电机调速方法多种多样，从调速的本质来看，不同调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法，有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用的电磁转差离合器，液力偶合器，油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速以及无换向器电动机调速等。3.4.3离心泵的调速途径及调速范围从能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电机，变频调速以及能将转差回收的调速方法（如串级调速等）。低效调速属有转差损耗，如转子串电阻，电磁离合器，液力偶合器。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如调速范围不大，能量损耗是很小的。3.4.3离心泵的调速途径及调速范围为了合理选择调速方案，必须对各种方法进行分析、比较，并结合泵与风机运行工况来决定。一般遵循下列原则进行：

①电动机及负载类型和容量大小。

②节电效果和收回设备投资成本时间。

③性能指标：调速范围、机械特性、效率、功率

因数、对电网的干扰等。

④易维修和使用单位维修能力，设备的可靠性。3.4.4离心泵调速的注意事项

1）水泵机组的转子与其他轴系一样，在配置一定的基础后，都有自己的固有频率。要防止出现共振。2）水泵的调速一般不轻易地调高转速（指高于额定转速）。3）调速装置价格昂贵，一般采用调速泵与定速泵并联工作的方式。4）调速后工况点的扬程如果等于调速泵的启动扬程，调速泵不起作用（即调速泵流量为零）。

5）一般地，调速后泵的转速应在额定转速的50%～65%以上。

3.4.5

离心泵变频节能原理与系统组成1.

离心泵变频节能原理

根据电机的特性，其转速n与其电源频率f之间存在如下关系：当电机的结构固定后，其p就是一个常数，s也可当作常数，因此电机的转速与其电源频率f成正比关系。也即改变电机的电源频率，即可改变其转速。这就是所谓的变频调速。1.

离心泵变频节能原理不难发现，通过改变离心泵电机的电源频率，可以改变离心泵的转速，而转速的改变则会引起离心泵功率以三次方的规律随之变化。也就是说，只要改变离心泵的供电电源频率，就能较大幅度地降低离心泵的功率消耗，这就是离心泵变频调速的节能原理。3.5离心泵吸水性能及其影响因素

3.5.1离心泵吸水管中的压力变化过程

3.5.2离心泵中的气穴和气蚀

气穴现象

“气蚀”效应

气蚀是气穴现象侵蚀材料的结果，很多时候将其统称为气蚀现象。 在气蚀开始时，表现在水泵外部的是轻微噪音、振动和水泵扬程、功率开始有些下降； 气蚀严重时，气穴区就会突然扩大，这时，气泡大量产生，使水泵中过流减小以致流量降低，并使水流状态遭到破坏、能量损失增大，水泵的H、N、η就将到达临界值而急剧下降，最后停止出水。气蚀严重时，水泵的叶轮会遭到严重破坏与毁损，此时需要分析并排除引起气蚀的原因并更换叶轮。

离心泵气蚀现象离心泵叶轮气蚀图例泵气蚀后的叶轮3.5.3离心泵的最大安装高度

水泵的安装高度HSS，是吸水池水面的测压管高度与泵轴的高差。由于泵通常是在一定流量下运行，其流速水头和管路水头损失都是定值，因此随着水泵安装高度HSS的增加，水泵吸入口的真空度也会增加。当吸入口真空度增加到某一最大值时，泵吸入口的压力接近液体的气化压力，就易在泵内引起气蚀效应。

水泵铭牌或样本中，对于各种水泵都给定了一个允许吸上真空高度HS，此HS即为水泵泵壳吸入口的测压孔处真空值HV的最大极限值。在实用中，水泵的HV超过样本规定的HS值（即HV＞HS）时，就意味着水泵将会遭受气蚀。由于制冷空调工程中应用水泵时，均设置为自灌式系统，即其安装高度是负值，叶轮常安装在吸水面以下，因此对其最大安装高度的确定并未加以过多的注意。对此类泵较常采用的是用“气蚀余量”来衡量它们的吸水性能。3.5.4气蚀余量NPSH

（NetPositiveSuctionHead）

使用中，也有用HSV表示的，还有用Δh表示的。

气蚀现象的原因

1）泵的几何安装高度过大，使泵进口处的真空度

过高。2）泵安装地点的大气压强过低，如安装在高海拔

地区。3）泵所输送的液体的温度过高。

离心泵的吸水过程，是建立在水泵吸入口能够形成必要真空值的基础上的。此真空值是个必须要严格控制的条件值，