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离心泵的变频调速与节能


                                                                                            离心泵的变频调速与节能
1 引言

泵是耗能大户。据专家估计, 约占世界总能耗的20%。在石油和化工工业中更分别高达59%和26%。因此,泵的节能是一项意义深远、潜力巨大、经济效益和社会效益十分显著的大事。过去, 离心泵的调节, 普遍采用阀门控制和启闭旁通等方法, 能量损失很大。随着变频技术工业应用的发展, 变速调节不仅方便, 而且经济上也呈现合理。特别是能将特性曲线储存起来, 并用变频器按生产要求进行调节的新一代智能泵的出现, 将离心泵的调节带入了现代化的模式。许多企业包括个人都在积极地、有深度地促进着它的发展。离心泵是广泛应用于化工工业系统的一种通用流体机械, 它具有性能适应范围广(包括流量、压头及对输送介质性质的适应性)、体积小、结构简单、操作容易、操作费用低等诸多优点。通常,所选离心泵的流量、压头可能会和管路中要求的不一致,或由于生产任务、工艺要求发生变化,此时都要求对泵进行流量调节,实质是改变离心泵的工作点。离心泵的工作点是由泵的特性曲线和管路系统特性曲线共同决定的,因此,改变任何一个的特性曲线都可以达到流量调节的目的。

目前,作为离心泵节能的措施,提高离心泵本身的性能无疑是必要的,要改善机械设备的效率、提高其可靠性和扩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,在离心泵的运行方面,却存在着较大的节能潜力。离心泵的流量调节方式主要有调节阀控制、变频调速控制以及泵的并、串联调节等。由于各种调节方式的原理不同,除有自己的优缺点外,造成的能量损耗也不一样,为了寻求*佳、能耗*小、*节能的流量调节方式,必须全面地了解离心泵的流量调节方式与能耗之间的关系。选择*能节能的控制模式。
2 离心泵调节方式

2.1 改变管路特性曲线

离心泵在机械制造时, 按充分满足额定性能进行设计,使用者在选用时考虑管路阻力、流量变化都留有余地, 结果采用了大容量设备, 运行中用关小调节阀来调节流量。
使用*简单的方法就是利用泵出口阀门的开度来控制, 其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工作点。如图1所示, 设离心泵的实际压头为ha, 管路损失为h1, 离心泵在泵特性曲线h和管路特性曲线r的交点(qn, ha)处运转。现在, 为把流量调节q1, 关小出口阀,阀门损失为hv, 则管路曲线变陡, 变成r′, 工作点变为b(q1,hb)。可见采用阀门调节流量方法简单, 流量可以连续变化, 但能量损失较大。
图1 阀门调节曲线
2.2 改变离心泵特性曲线

根据比例定律和切割定律,改变泵的转速、改变泵结构(如切削叶轮外径法等)两种方法都能改变离心泵的特性曲线,从而达到调节流量(同时改变压头)的目的。但是对于已经工作的泵,改变泵结构的方法不太方便,并且由于改变了泵的结构,降低了泵的通用性,尽管它在某些时候调节流量经济方便[1],在生产中也很少采用。这里仅分析改变离心泵的转速调节流量的方法。从图2中分析,当改变泵转速调节流量从qn下降到q1时,泵的转速(或电机转速)从n下降到n',泵特性曲线h',工作点由a移到c。在转速变化小于20%时,离心泵的流量与转速成正比,轴功率与转速的立方成正比,即
q′=(n′/n)q; h′=(n′/n)2h; n′=(n′/n)3n
用转速调节法,轴功率由na减少到nc,此调节方法调节效果明显、快捷、安全可靠,可以延长泵使用寿命,节约电能,另外降低转速运行还能有效的降低离心泵的汽蚀余量npshr,使泵远离汽蚀区,减小离心泵发生汽蚀的可能性。
2.3 泵的串、并连调节方式
当单台离心泵不能满足输送任务时,可以采用离心泵的并联或串联操作。用两台相同型号的离心泵并联,虽然压头变化不大,但加大了总的输送流量,并联泵的总效率与单台泵的效率相同;离心泵串联时总的压头增大,流量变化不大,串联泵的总效率与单台泵效率相同。
3 不同调节方式下泵的能耗分析

在对不同调节方式下的能耗分析时, 仅针对目前广泛采用的阀门调节和泵变转速调节两种调节方式加以分析。由于离心泵的并、串联操作目的在于提高压头或流量, 在化工领域运用不多, 其能耗可以结合图2进行分析, 方法基本相同。
图2 转速调节性能曲线图

3.1 阀门调节流量时的功耗
离心泵运行时,电动机输入泵轴的功率n为:
n=vqh/η
式中: n—轴功率,w;
h—泵的有效压头,m;
q—泵的实际流量,m3/s;
v—流体比重,kg/m3;
η—泵的效率。
当用阀门调节流量从qn到q1,在工作点b消耗的轴功率为:
nb=vq1h1/η
式中: vqnhv—实际有用功率,w;
vq1(h1-hv)—阀门上损耗得功率,w;
vq1h1(1/η-1)—离心泵损失的功率,w。

3.2 变速调节流量时的功耗
在进行变速分析时因要用到离心泵的比例定律, 根据其应用条件, 以下分析均指离心泵的变速范围在±20%内, 且离心泵本身效率的变化不大[3]。用电动机变速调节流量到流量q1时, 在工作点c泵消耗的轴功率为:
nc=vq1hc/η
同样经变换可得:
nc=vq1hc+vq1hc(1/η-1)
式中: vq1hc—实际有用功率,w;
vq1hc(1/η-1)—离心泵损失的功率,w。
用变频调速法同出口阀调节法比较,可节省功率为:
δn=vq1(hb-hc)
4 结束语

对于目前离心泵通用的出口阀门调节和泵变频调节两种主要流量调节方式,泵变频调速节约的能耗比出口阀门调节大得多,这点可以从两者的功耗分析和功耗对比分析看出。通过离心泵的流量与扬程的关系图,可以更为直观的反映出两种调节方式下的能耗关系。通过泵变速调节来减小流量还有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性。当流量减小越大时,变速调节的节能效果也越大,即阀门调节损耗功率越大,但是,泵变速过大时又会造成泵效率降低,超出泵比例定律范围,因此,在实际应用时应该从多方面考虑,在二者之间综合出*佳的流量调节方法。
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