1 引言

泵是耗能大戶。據(jù)專家估計(jì), 約占世界總能耗的20%。在石油和化工工業(yè)中更分別高達(dá)59%和26%。因此，泵的節(jié)能是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)、潛力巨大、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著的大事。過去, 離心泵的調(diào)節(jié), 普遍采用閥門控制和啟閉旁通等方法, 能量損失很大。隨著變頻技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展, 變速調(diào)節(jié)不僅方便, 而且經(jīng)濟(jì)上也呈現(xiàn)合理。特別是能將特性曲線儲(chǔ)存起來, 并用變頻器按生產(chǎn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的新一代智能泵的出現(xiàn), 將離心泵的調(diào)節(jié)帶入了現(xiàn)代化的模式。許多企業(yè)包括個(gè)人都在積極地、有深度地促進(jìn)著它的發(fā)展。離心泵是廣泛應(yīng)用于化工工業(yè)系統(tǒng)的一種通用流體機(jī)械, 它具有性能適應(yīng)范圍廣(包括流量、壓頭及對(duì)輸送介質(zhì)性質(zhì)的適應(yīng)性)、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、操作費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)。通常，所選離心泵的流量、壓頭可能會(huì)和管路中要求的不一致，或由于生產(chǎn)任務(wù)、工藝要求發(fā)生變化，此時(shí)都要求對(duì)泵進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)是改變離心泵的工作點(diǎn)。離心泵的工作點(diǎn)是由泵的特性曲線和管路系統(tǒng)特性曲線共同決定的，因此，改變?nèi)魏我粋€(gè)的特性曲線都可以達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。

目前，作為離心泵節(jié)能的措施，提高離心泵本身的性能無疑是必要的，要改善機(jī)械設(shè)備的效率、提高其可靠性和擴(kuò)大其高效率等方面已作了巨大的努力，不能期望在性能上有大的突破。但是，在離心泵的運(yùn)行方面，卻存在著較大的節(jié)能潛力。離心泵的流量調(diào)節(jié)方式主要有調(diào)節(jié)閥控制、變頻調(diào)速控制以及泵的并、串聯(lián)調(diào)節(jié)等。由于各種調(diào)節(jié)方式的原理不同，除有自己的優(yōu)缺點(diǎn)外，造成的能量損耗也不一樣，為了尋求比較佳、能耗比較小、比較節(jié)能的流量調(diào)節(jié)方式，必須全面地了解離心泵的流量調(diào)節(jié)方式與能耗之間的關(guān)系。選擇比較能節(jié)能的控制模式。

2 離心泵調(diào)節(jié)方式

2.1 改變管路特性曲線

離心泵在機(jī)械制造時(shí), 按充分滿足額定性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用者在選用時(shí)考慮管路阻力、流量變化都留有余地, 結(jié)果采用了大容量設(shè)備, 運(yùn)行中用關(guān)小調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量。
使用比較簡(jiǎn)單的方法就是利用泵出口閥門的開度來控制, 其實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線的位置來改變泵的工作點(diǎn)。如圖1所示, 設(shè)離心泵的實(shí)際壓頭為ha, 管路損失為h1, 離心泵在泵特性曲線h和管路特性曲線r的交點(diǎn)(qn, ha)處運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)在, 為把流量調(diào)節(jié)q1, 關(guān)小出口閥，閥門損失為hv, 則管路曲線變陡, 變成r′, 工作點(diǎn)變?yōu)閎(q1,hb)。可見采用閥門調(diào)節(jié)流量方法簡(jiǎn)單, 流量可以連續(xù)變化, 但能量損失較大。

圖1 閥門調(diào)節(jié)曲線

2.2 改變離心泵特性曲線

根據(jù)比例定律和切割定律，改變泵的轉(zhuǎn)速、改變泵結(jié)構(gòu)(如切削葉輪外徑法等)兩種方法都能改變離心泵的特性曲線，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量(同時(shí)改變壓頭)的目的。但是對(duì)于已經(jīng)工作的泵，改變泵結(jié)構(gòu)的方法不太方便，并且由于改變了泵的結(jié)構(gòu)，降低了泵的通用性，盡管它在某些時(shí)候調(diào)節(jié)流量經(jīng)濟(jì)方便[1]，在生產(chǎn)中也很少采用。這里僅分析改變離心泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量的方法。從圖2中分析，當(dāng)改變泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量從qn下降到q1時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速(或電機(jī)轉(zhuǎn)速)從n下降到n'，泵特性曲線h'，工作點(diǎn)由a移到c。在轉(zhuǎn)速變化小于20%時(shí)，離心泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，即
q′=(n′/n)q; h′=(n′/n)2h; n′=(n′/n)3n
用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法，軸功率由na減少到nc，此調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)效果明顯、快捷、安全可靠，可以延長(zhǎng)泵使用壽命，節(jié)約電能，另外降低轉(zhuǎn)速運(yùn)行還能有效的降低離心泵的汽蝕余量npshr，使泵遠(yuǎn)離汽蝕區(qū)，減小離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。
2.3 泵的串、并連調(diào)節(jié)方式
當(dāng)單臺(tái)離心泵不能滿足輸送任務(wù)時(shí)，可以采用離心泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作。用兩臺(tái)相同型號(hào)的離心泵并聯(lián)，雖然壓頭變化不大，但加大了總的輸送流量，并聯(lián)泵的總效率與單臺(tái)泵的效率相同;離心泵串聯(lián)時(shí)總的壓頭增大，流量變化不大，串聯(lián)泵的總效率與單臺(tái)泵效率相同。

3 不同調(diào)節(jié)方式下泵的能耗分析

在對(duì)不同調(diào)節(jié)方式下的能耗分析時(shí), 僅針對(duì)目前廣泛采用的閥門調(diào)節(jié)和泵變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)方式加以分析。由于離心泵的并、串聯(lián)操作目的在于提高壓頭或流量, 在化工領(lǐng)域運(yùn)用不多, 其能耗可以結(jié)合圖2進(jìn)行分析, 方法基本相同。

圖2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能曲線圖

3.1 閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)的功耗
離心泵運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸入泵軸的功率n為:
n＝vqh／η
式中: n—軸功率，w;
h—泵的有效壓頭，m;
q—泵的實(shí)際流量，m3/s;
v—流體比重，kg/m3;
η—泵的效率。
當(dāng)用閥門調(diào)節(jié)流量從qn到q1，在工作點(diǎn)b消耗的軸功率為:
nb＝vq1h1／η
式中: vqnhv—實(shí)際有用功率，w;
vq1(h1-hv)—閥門上損耗得功率，w;
vq1h1(1/η-1)—離心泵損失的功率，w。

3.2 變速調(diào)節(jié)流量時(shí)的功耗
在進(jìn)行變速分析時(shí)因要用到離心泵的比例定律, 根據(jù)其應(yīng)用條件, 以下分析均指離心泵的變速范圍在±20%內(nèi), 且離心泵本身效率的變化不大[3]。用電動(dòng)機(jī)變速調(diào)節(jié)流量到流量q1時(shí), 在工作點(diǎn)c泵消耗的軸功率為:
nc＝vq1hc／η
同樣經(jīng)變換可得:
nc＝vq1hc＋vq1hc(1/η-1)
式中: vq1hc—實(shí)際有用功率，w;
vq1hc(1/η-1)—離心泵損失的功率，w。
用變頻調(diào)速法同出口閥調(diào)節(jié)法比較，可節(jié)省功率為:
δn=vq1(hb-hc)

4 結(jié)束語

對(duì)于目前離心泵通用的出口閥門調(diào)節(jié)和泵變頻調(diào)節(jié)兩種主要流量調(diào)節(jié)方式，泵變頻調(diào)速節(jié)約的能耗比出口閥門調(diào)節(jié)大得多，這點(diǎn)可以從兩者的功耗分析和功耗對(duì)比分析看出。通過離心泵的流量與揚(yáng)程的關(guān)系圖，可以更為直觀的反映出兩種調(diào)節(jié)方式下的能耗關(guān)系。通過泵變速調(diào)節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。當(dāng)流量減小越大時(shí)，變速調(diào)節(jié)的節(jié)能效果也越大，即閥門調(diào)節(jié)損耗功率越大，但是，泵變速過大時(shí)又會(huì)造成泵效率降低，超出泵比例定律范圍，因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該從多方面考慮，在二者之間綜合出比較佳的流量調(diào)節(jié)方法。