离心泵工况点预测模型研究

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离心泵作为化工生产中应用最为广泛的动力设备，具有结构简单、效率较高等优点。当生产任务发生变化时，离心泵的运行工况也将随之调整，为采用合适的运行调节方式，提高离心泵运行效率并满足生产需要，本文以离心泵的流量调节为目的，建立其运行工况预测模型。

1 离心泵特性曲线离心泵的主要性能有流量 、压头、效率、轴功率和气蚀余量等。离心泵性能问的关系通常使用特性曲线来表示 ，如图l所示，特性曲线-般包括三条 ：①H～Q(流量与扬程曲线)；②～ Q(流量与轴功率曲线)；③ r/-Q((流量与效率曲线)。

离心泵在-定转速下有-最高效率点，与之对应的Q、P 、H为最佳工况参数，离心泵的铭牌上会标出该性能参数，-般会给出3组工况参数，如表l所示，根据这些数据可以使用最小二乘拟合出条特性曲线，在高效率范围内有较高的拟合度 。

表1 100Y-60离心泵性能参数根据最小二乘拟合，得出对应的Q-H方程为：H62.99990.1667Q-1.6667：<1o- Q (1)2 管路特性曲线当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的流量和工作压头不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路的特性有关，即在输送液体时，管路和泵是相互制约的。

管路系统的阻力损失与流量的关系通常是-抛物线，曲线的原点在纵坐标上，随排出和吸入侧液面的压力差和几何高度差变化，该曲线的陡度决定于陡度系数K(包括设备、阀门、控制仪表、管件和管线等综合的阻力系数 )。这条反映管路系统所需总水头与管路流量关系的曲线即为管路特性曲线h～Q，如图2所示图1离心泵特性曲线 图2简单管路特性曲线泵输系统处在稳定工作状态时，泵提供的能量与管路所需的能量相等，泵排出的流量与管路输送的流量相等。即图2中两条曲线的交点为泵的工作点。

(1)通过实验测得，使用变频调速器改变电机的频率，相应地改变泵的转速，测出各转速下的流量及相应压力表、真空表及功率表的读数，算出泵的扬程H即为管路所需的压头，从而绘出管路的特性曲线。

(2)根据伯努利方程求得 ，在管路系统的储罐入口和输出出口处列伯努利式” ：H： 垒 pg 2g d 2g ，式中：H为输油系统所需的总水头，m；Az为排 出侧容器最高液面与吸入侧容器最低液面的几何高度差，m； 为排出侧、吸入侧容器液面上的绝对压力差，Pa；U u 为排 出侧、吸入侧管内的液体流速，m/s；P为管路内液体密度，kg/m ；l、le为管线长、局部阻力的当量长度，12"1；d为管线内径，m； 为水力摩阻系数。

水力摩阻系数 是雷诺数Re和管壁相对当量粗糙度 的函数，其中：-2ed d (3) 万 ，式中：/2为输油温度下原油的绝对粘度，Pa·S； 为排出侧管路中原油的体积流量，135 /s；e为管壁的绝对"-3量粗糙度 (我国原油管路设计中该值常染j.Imm).in。

表2 不同流态下水力摩阻计算临界雷诺数Re 、Re，：Re 59 .5，Re2-66-5- 76-5lgs(4)矿场原油输送管路最常见的流态是水力光滑区。储罐液面处的初始速度 为0，排出侧、吸入侧容器液面上的绝对压力差为0时，排出侧速度 U 4Q/trd ，推出相应的管路特性曲线方程为：蚺 0，3164(d n'd广 R-/t"d ㈤ l l (5)在管路状况及输送液体状况已知的情况下，式(5)中H是Q 的- 元函数，便可绘出相应的管路特性曲线。

3 模型建立离心泵的实际工作情况 (流量、压头 )是由离心泵特性曲线和管路特性曲线决定的。所以泵的流量调节基本可以分成改变离心泵特性曲线或管路特性曲线。改变管路特性曲线最常用的方法是阀门节流法，改变离心泵特性曲线的最常见的是调速调节法。

(1)阀门节流法≮流调节是通过管路上的调节阀来改变管路系统的阻力损失，从而改变管路特性曲线，实现离心泵运行工况的调节。需要减少系统流量时，关小出口调节阀，流量减少；此时，由于出口调节阀开度变小增加了管路系统的阻力损失，管路特性曲线变陡，泵的运行工况点上升。

调节阀的开度大小时，会改变阀门阻力系数 ，阀门阻力系数同时也与阀门的尺寸、结构有关。阀门阻力系数 目前还没有准确的计算式。其主要通过厂家的提供或通过实验方式获取，或用南曩：科 技 201 3年第4期 学 术 研 讨某些模拟软件进行模拟其阻力系数。闸阀阻力系数随相对开度变化的最佳数学模型 为：ab k f6)式中： 为闸阀阻力系数；k为闸阀的相对开度；a、b、c为待定系数。

以闸阀DN100为例 ，将实验数据代入式(6)，利用最小二乘法确定待定系数，得到数学表达式： 1.5875×0.715 ×k f7)通过阀门的水头损失 hm /(2g)，根据达西公式计算的沿程水头损失 ， /(2dg)，令 ，，再代入式(6)推导出该阀门在该工况下的当量长度计算式：ab k d/ (8)将式(8)代入到管路特性曲线方程(5)中，得到阀门控制下的管路特性曲线方程：蚺 i10.3164c /.t i d l 万 l万 ，根据不同的阀门选择相应的闸阀阻力系数a、b、c，调整阀门开度k，管路特性曲线Q-H便会发生变化。

(2)调速调节法。离心泵的调速调节方式不会引起额外水力损失，能改善没备的运行工况，节能效果明显，但投资较高。

改变泵的转速，实质上是改变泵的特性曲线。当泵的转速提高时，泵的特性曲线H-Q曲线会向上移，当泵的转速下降时，H-Q曲线会向下移。实际汁算中，当实际转速n 与规定转速n 的差值在20%～50%之间时，可以采用下列公式换算：H 、H -分别为泵在买际转速和规定转速下的扬程 ，in联立式(1)、(10)得出100Y～60离心泵改变转速下的Q-H方程 ：H.：62.9999(nt) O 1667Qln- 1.6667×10- QI2i/2 /21OOY-60的规定转速1 为2950r/min，再代入实际转速便可预测出Q-H曲线。调节后的泵特性曲线和管路特性曲线的交点即为新的工况点。

4 结语离心泵的调节方式很多，很基本原理都是根据改变泵特性曲线或管路特性曲线来实现的。通过理论结合实验数据，本文推出了离心泵工况点预测模型的2种算法，实际应用中，可根据调节方式选用相应算法进行工况点的预测，以满足生产任务，并达到高效节能的目的。