基于图解法的泵旁路调节原理及优化

江文豪,岳建华,韦红旗

(1.东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;2.北京国华电力技术研究中心有限公司,北京 100069）

基于图解法的泵旁路调节原理及优化

江文豪1,岳建华2,韦红旗1

(1.东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;2.北京国华电力技术研究中心有限公司,北京 100069）

因外界负荷的变化,泵经常在变工况下运行,所以,需要对泵的流量进行调节。旁路调节作为流量调节的一种方式,主要用于泵的小流量保护以及母管压力受限系统的运行调节等。现采用图解分析的方式,介绍了泵旁路调节的原理和方法,提出了两种调节方案;针对水泵的旁路系统,分别考虑“小流量保护”及“母管压力限制”两种因素,对旁路调节的不同方案进行了研究比较,得到最优运行方案,并结合电厂运行实例进行了分析。

泵;旁路调节;流量;图解;原理分析;优化;方案

1 概 述

泵是输送液体或使液体增压的机械,广泛应用于国民经济的各个方面。城市供水排水、农业灌溉、工业设备用水都要用到泵。因外界负荷的不断变化,致使泵常在变工况下运行。由于泵在小流量运行时很不稳定,可能产生汽化,尤其是对于输送热流体的泵(如锅炉给水泵）,在小流量工况下,容易产生汽蚀,危及整个系统的安全运行,采用旁路调节可以防止汽蚀的发生。由于材料的原因,母管所能承受的压力有限,当母管内压力超过上限时,可能会发生爆管现象,可通过旁路调节来避免爆管情况的发生;对于具有下降功率与流量关系曲线的泵(如旋涡泵和轴流泵）,在低流量时功耗反而大,采用旁路调节可以减小功耗,提高经济性。旋涡泵不能采用出口阀门而只能通过旁路调节来调节流量;往复泵也可以通过改变旁路阀门的开度,以增减泵出口回流到进口处的流量,调节进入管路系统的流量。

因此,掌握旁路调节的原理和方法,有助于实现泵的安全与经济运行。现采用图解的方式讲述旁路调节的基本原理,并通过对比不同的方案来确定泵的最优运行方案,经济性,该方法形象直观,也简单实用。

2 旁路调节原理

2.1 旁路调节基本原理

旁路调节的系统图如图1所示,水泵将吸水池A中的水通过吸入管1吸入,并经过管路2输送至水箱B,管路2上安装有调节阀门Vb。在泵出口处设一旁路分流管3,与吸水池相连,分流管上装有阀门Vr。

图1 泵旁路调节系统示意图

用图解法解释旁路调节,需预先把管路1看成泵的组成部分,将泵本身与管路1合并成1台假想的泵,称为“当量泵”(如果管路1很短,流动阻力系数很低,可以不作这样处理）,处理方法如下:

假如泵本身性能曲线为图2中的 H～qv、Psh～qv、η～qv,管路1的阻力特性曲线为图2中的Hc1～qv(Hc1只包括管路1的沿程阻力与局部阻力）,则“当量泵”的扬程性能曲线为图2中的 Hq～qv,轴功率性能曲线仍为Psh～qv,而效率曲线将发生变化(如果有具体的坐标数值,就可以根据泵效率的定义计算得出）。

得到当量泵的扬程性能曲线H 1～qv后,再依据此曲线进行旁路调节,其基本示意图如图2所示。假设用户所需流量为qvx,阀门Vb与V r同时调节,一定的Vb度对应着一定的Vr开度,使得管路2的流量达到qvx。Vb与Vr对应关系的确定过程如下:由Vb开度对应的管路2特性曲线Hc2～qv和用户

图2 旁路调节基本示意图

流量qvx得到管路2的工作点X点(见图2）,过X点引水平线,与泵的扬程性能曲线相交得到泵的工作点A点,然后按等扬程下流量分配原则(此时流过旁路的流量为qva-qvx）得到旁路工作点B,从而可得此时旁路阀门Vr的开度,即阀门流量特性曲线Hc3～qv对应的开度(不同阀门的流量特性曲线不同,此处为示意图）。

2.2 小流量保护下的旁路调节

对于有最小流量限制的系统,旁路调节原理图如图3所示。图3中 H1～qv为泵的扬程性能曲线;Psh～qv为其轴功率性能曲线;HstBA表示吸入液面A至排出液面B的静压头;qv min p为泵的稳定工作最小流量;曲线1为阀门Vb全开时管路2的特性曲线,它与H 1～qv的交点为M,对应的流量就是管路2中的最大流量qv max2。

图3 小流量保护旁路调节原理图

当管路2中所需流量介于qv min p～qv max 2之间时,调整阀门Vb开度即可。如果旁路不投用又要保证泵稳定、可靠运行,阀门Vb的开度应介于曲线1和曲线2对应的开度之间。

当管路2中所需流量小于qv m in p(假设为qv x）时,应开启旁路,有两种调节方案:

方案1:阀门Vb仍保持曲线2对应的开度,则管路2的工作点为点 A,过点 A引水平线,与扬程性能曲线相交得到泵的工作点D,由流量分配可得此时旁路的流量为qvd-qvx,从而得到旁路工作点为点C,故应将旁路阀门Vr应开启到图中曲线a对应的开度。此时将管路2和旁路3合并看成一条管路的特性曲线(为图3中的2+a曲线）,泵的工作点为图3中的D点,泵的流量为qvd,管路2的流量为qv x,旁路3的流量为qvc(即qvd-qvx）,泵的轴功率为Psh d。

本文针对FJSP提出一种有效的改进邻域结构混合算法。在同机器移动工序方面，对无效移动进行了精简，对有效移动进行了扩展，提高了邻域结构的精准性和有效性。同时，给出了邻域结构中，针对同机器移动工序和跨机器移动工序的快速近似评价方法，为进一步研究FJSP新的邻域结构以及结合问题领域知识的搜索方法提供了借鉴。在未来的研究中，所提出的邻域结构可以融合其他智能算法，用于求解基础型FJSP，以及各种类型的FJSP扩展型问题，从而进一步提升算法的求解性能。

方案2:在方案1的基础上继续关小阀门Vb,由于泵的出口能头提高,导致泵的流量减小,要使管路2中流量仍为qvx,应相应关小旁路阀门Vr。阀门Vb与Vr有多种组合可以实现用户流量需求。Vb最小只能关小到图3中曲线3对应的开度,此时Vr应关到图3中曲线b对应的开度。如果再关小Vb,则管路2的工作点位于E点左方,故管路2流量达不到qv x,而且泵的流量将小于最小流量qv m in p(管路2和旁路3的流量总和达不到qv m in p）。这时泵的工作点为N点(即泵的稳定工作最小流量点）,泵的流量为qvminp,管路2的流量为qvx,旁路3的流量为qv f(即qv min p-qvx）,泵的轴功率为Pshn。

因此,要满足用户流量qvx的要求,阀门Vb只能在曲线2和曲线3对应的开度之间进行调整;与此对应,旁路阀门泵Vr在曲线a和曲线b对应的开度之间进行调整。

如果没有最小流量限制,也不开启旁路,而只采用出口节流调节,则管路2中所需流量为qvx时,泵的工作点为图中X点,轴功率为 Psh x。可见,同样满足管路2中流量为qvx的要求,旁路调节与节流调节相比,两者轴功率的差值 ΔP为:对于上述假设①,ΔP=Pshd-Pshx;对于上述假设②中极限情况,ΔP=Pshn-Pshx;对于其他情况,ΔP 介于 Psh d-Pshx和Pshn-Pshx之间。因此,旁路调节存在一个最优方案,不同情况下该系统的经济性不同,这需要结合泵的轴功率等性能参数来综合考虑。

2.3 母管承压受限系统的旁路调节

由于材料的限制,供水母管所能承受的压力有限。当母管内压力超过上限时可能会发生爆管现象,应避免这种情况发生。

假设泵出口母管C处(见图1）最高工作压力为p max(Pa）,则“当量泵”的最高扬程为:

式中vc为流体在出口母管C处的流速,zA、zC分别为吸水面、出口母管最低点的标高(m）;pA为吸入液面的静压(Pa）。

对于母管承压受限的系统,旁路调节原理图如图4所示。

图4 母管高压受限系统的旁路调节原理图

由于和前面小流量保护旁路调节原理基本相同,这里不再详细说明,只给出一些结果:

(2）母管最高工作压力设定的越低,则必须开启旁路时的用户流量就越大,即图4中的qvn越大。

(3）如果用户所需流量小于qvn(如图4中qvx）,则必须投用旁路,此时有两种方案:

方案1:管路2中的阀门Vb保持图中曲线2对应的开度,阀门Vr开至曲线a对应的开度。

方案2:阀门Vb与Vr同时关小。极限情况为Vb关小到图4中曲线3对应的开度(再关小,会使母管超压,或使用户流量达不到qv x）,而旁路阀门V r相应地开到图4中曲线b对应的开度。这时母管压力正好是其最高工作压力,泵的工作点为图4中的N点,泵的流量为qvn,轴功率为Pshn。

3 旁路调节的经济性分析

根据上述分析以及泵的基本运行原理可以得出,与节流调节相比:

(1）在满足系统流量的条件下,对于轴功率是随流量增大而逐渐上升的泵(如大多数离心泵）,旁路调节经济性低于节流调节,应当尽量不开旁路,或开小旁路。

(2）对于轴功率随流量增大而逐渐降低的泵(如大多数轴流泵）,旁路调节经济性优于节流调节,应尽量开启旁路并开大旁路。

(3）对于轴功率随流量变化不大的泵(如一些混流泵）,旁路开大、开小对轴功率影响很小,因此在主要用途所需流量减小时,可以在泵出口管路上将水流引作它用,从而减小这部分系统中泵的功率消耗。

4 实例分析

现以某电厂水源地取水系统为例,对水泵的旁路调节进行分析。该电厂的水源地取水系统如图5所示。

图5 某电厂水源地取水系统示意图

图中2、3两点的标高大致相等,2点处引出一些用水管路,这些水量相对较小,对水压也没有太高要求,取水系统的主要用途是向水箱B供水,水箱B的水位通过图5中的阀门Vb来控制。

供水主管路是水泥预制管,有最高压力限制,同时供水管路要翻越山坡,为防止供水管最高处出现负压、漏入空气,母管压力也不能过低。

该水泵为离心式水泵,图6中的 H～qv及Psh～qv为其扬程及轴功率性能曲线,曲线1为供水母管的管路特性曲线。将水泵与系统图中水源 A至旁路入口点1之间的管路合并成“当量泵”,得到该“当量泵”的扬程性能曲线H1～qv。

由图6可见,供水系统最大流量工作点为图中“当量泵性能曲线”与“母管特性曲线”的交点M,对应流量为2680m3/h,母管压头为42.1m(压力为0.4138MPa）。而最小流量工作点为图6中“当量泵性能曲线”与“母管高压限制线”交点B,对应的流量为2435m3/h,母管压头为43.7m(压力为0.428 6MPa）。即母管供水量在2435～2680m3/h范围内可以不开启旁路。当母管流量小于2 435m3/h时,必须开启旁路,调节过程如图6所示,此时有两种调节方案(假设所需给水流量为1600m3/h）:

方案1:阀门Vb开度仍然保持曲线2对应开度,将旁路阀门Vr打开并逐渐开至曲线a对应开度,此时旁路流量为1660m3/h,最终给水流量为1 600m3/h,泵的工作点为A,流量为3260m3/h,轴功率为336.1 kW;

方案2:在方案1的基础上将Vb关小,与此同时将Vr也关小。每个Vb开度均对应一个Vr开度,使主给水流量为1600m3/h。Vb最小可关至曲线3对应开度,此时旁路关小至曲线b对应开度,旁路流量为835m3/h。此时泵的工作点为图6中的B点,泵的流量即为最小工作流量2 435m3/h,轴功率为319.1 kW,比方案1节省17kW的轴功率。

可见,对于离心式水泵,方案2比方案1更节能。且用户所需流量越小,则方案1中的水泵工作点对应流量越大,水泵耗功越大,而方案2中的水泵工作点可始终保持为点B,因此,流量越小则节能空间越大。

由此可知,旁路调节存在最优方案,掌握旁路调节的原理有助于实现泵的经济运行。方案1是运行人员习惯的调节方式,但不是最经济的。对于离心泵,旁路调节时应当采用方案2,在满足主给水流量的前提下,尽量将出口阀门和旁路阀门关小,使水泵的工作点接近最小流量工作点(或使母管压力始终维持在高压限制值上）,这样才能使水泵功耗最小。而轴流泵则相反,采用方案1的经济性要好于方案2。

5 结束语

采用形象直观的图解分析方式从管路并联角度出发,介绍了旁路调节的原理和方法,提出了两种调节方案;分别考虑了“小流量保护”及“母管压力限制”两种因素,对旁路调节的不同方案进行了研究比较,最终得到优化运行方案。通过某电厂供水系统实例,定量分析了旁路调节优化运行方式的经济性。该方法简单实用,结合泵的性能曲线,能很快得出旁路调节的最优方案,在工程上有较大的应用价值。

[1]Igor J.Karassik.泵手册[M].北京:中国石化出版社,2003.268-358.

[2]陈乃祥,吴玉林.离心泵[M].北京:机械工业出版社,2003.80-81.

[3]沙毅,闻建龙.泵与风机[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005.151-152.

The Principle and Optim ization of BypassControl for Pump based on Graphic Method

JIANGW enhao1,YUE Jianhua2,W EIHongqi1
(1.School of Energy&Environment,Southeast University,Nan jing,210096,China;2.Beijing Guohua Electric Power Technology Research Center Co.,Ltd.,Beijing,100069,China）

Due to the change of ex ternal load,pump often runs in different working conditions.The flow of pump shall then be ad justed.As a w ay of regu lating the flow of pump,bypass control ismainly used for protecting the pump w ith small-flow and regulating the system whose main-pipeline p ressure is lim ited.In this article,the theory and approach of bypass control has been elaborated through graphicmode and tw o solutions been proposed.Besides,in allusion to twofac tors that include small-flow p rotection and main-pipeline p ressure lim itation,different schemes of pass control have been studied in combination with a plant examp le,and an optimized scheme has finally been obtained.

pump;bypass control;flow;graphic method;principal analysis;optim ization;scheme

TH3

A

1672-0210(2010）01-0026-04

2010-01-11

2010-03-01

江文豪(1986-）,男,江西贵溪人,硕士研究生,主要从事研究方向为流体机械的性能分析及优化运行。