矿井水泵并联运行流量增量的影响因素与相关问题的探讨

郑振荣



矿井水泵并联运行流量增量的影响因素与相关问题的探讨

郑振荣

福能集团漳平煤业公司文宾山煤矿

分析了水泵并联运行时水泵特性曲线与管路阻抗对流量增量的影响，以及并联可能出现的流量变化与超载问题，阐述了不同水泵并联运行时小水泵流量可能出现的变化趋势。

水泵并联 流量增量 水泵选择

在实际排水系统中，水泵并联运行是把多台水泵通过管路联结在一起共享管路资源，减少管路工程的投资，这样既可提高排水能力，又方便流量调节，因而在矿井中被广泛采用。在设计中应根据水泵特性和管路阻抗的影响综合考虑，选择合适的水泵，以免出现流量增量过小，达不到实际要求。对于一个确定的管路系统来说，如果对水泵选型不当，即使水泵型号相同，也有可能出现两台（或多台）并联运行与单台运行相比，流量增加却很少的情况。当选择两台大小不同的水泵并联时，小水泵输出的流量可能很小，且随装置需要，扬程曲线的变陡（即管路阻力损失变大），输出流量进一步减小，可能变为0或为负值。因此，选择相同水泵并联应考虑流量增量等影响因素，不同水泵并联应兼顾小水泵输出的流量（本文只分析两台水泵并联运行情况）。

1 相同性能的水泵并联中，水泵特性与管路阻抗对流量增量的影响

当型号相同的两台水泵并联运行时，如果两台水泵的扬程相等，并联水泵的流量—扬程曲线就是在同一扬程下流量相加，即横向叠加法。水泵的流量—扬程曲线Q～H与装置的需要扬程曲线Q～Hr的交点就是水泵在该装置运行中的工况点。

1.1 相同性能水泵并联运行时，水泵特性对流量增量的影响

如图1所示，曲线Ⅰ′为两台相同性能水泵Ⅰ（对应曲线Ⅰ）并联后的特性曲线，曲线Ⅱ′为两台相同性能水泵Ⅱ（对应曲线Ⅱ）并联后的特性曲线，从图可知水泵Ⅰ的特性曲线较陡，水泵Ⅱ的特性曲线较平稳。假如装置的需要扬程曲线Q～Hr正好通过水泵Ⅰ和水泵Ⅱ的特性曲线的交点M。从图中可知流量增量ΔQⅠ＞ΔQⅡ。这说明水泵的特性曲线越陡，流量增量越大，水泵并联运行的效果更好。反之，水泵的特性曲线越平稳，流量增量越小，水泵并联运行效果不好。

图1

图1中，Q～Hr为装置的需要扬程曲线；Hst为装置静扬程（上下水面的位置高差）。

1.2 装置的需要扬程（即管路阻抗）对流量增量的影响

如图2所示，曲线Ⅰ+Ⅱ为水泵Ⅰ及水泵Ⅱ两台并联时的特性曲线，Q～Hr1、Q～Hr2分别是二条装置的需要扬程曲线，Q～Hr1比Q～Hr2管路阻抗大，从图中可知流量增量ΔQⅡ＞ΔQⅠ，即管路阻抗越小，并联的流量增量越大；相反，管路阻抗越大，并联的流量增量越小。减小管路系统的阻抗，比如减少弯头数量，增大弯头角度，改用有底阀排水为无底阀排水等均可减少管路阻抗。装置的需要扬程曲线较平稳的排水系统中，管路阻抗小，较适合于水泵的并联运行。因此在排水系统，管路阻抗小比阻抗大的并联运行效果更好。

图2

2 启动水泵台数进行调节可能出现的流量变化与超载问题

对于两台及以上水泵并联运行，根据涌水量的多少，改变水泵开启的台数，涌水量大时多开，涌水量小时少开。但是，如果水泵的并联流量增量△Q过小，改变开启台数时有可能造成水泵电机的超载。如图3所示，并联运行工况为A，并联运行时的单机工况为B，单台运行时的工况为C。显然单台运行的流量QC大于并联运行时的单机流量QB。△Q=QA-QC越小，QC就越大。并且，并联工况是设计工况，并联运行时的单机工况B应在合理工作区即效率较高的区域，而单台运行工况C则往往偏离合理工作区，效率降低。△Q越小，C与B就相距越远，两工况的效率差也就越大。因此，△Q的过小，将使C工况的轴功率大大超出B工况，在单台运行时有可能发生超载现象。

图3

3 不同性能的两台水泵并联中，流量变化趋势分析

图4绘出了两台离心泵的并联装置，图中C点为两台出水管的并联点，A、B两点分别为泵Ⅰ和泵Ⅱ吸水管的进口端，D点为共用出水管的出口端。该图为两台性能不同水泵并联工作的布置及性能曲线图，图中的曲线Ⅰ、Ⅱ为两泵各自的Q～H曲线。

当不同性能的两台水泵并联运行时，由于两台水泵的型号不同，两台水泵的性能曲线也就不同。若管路布置不对称，并联节点前管路的水头损失不相等，两台水泵并联运行时每台水泵工作点的扬程也不相等。并联后流量—扬程曲线的绘制不能简单地直接采用横向叠加法，通过下面简要处理后即可采用横向叠加法。

图4

由于水泵的工作扬程应等于装置的需要扬程。通过管路ACD的水流需要泵Ⅰ提供的扬程为：

HrⅠ= Hst +SACQ2Ⅰ+SCDQ2

同理，通过管路BCD的水流需要泵Ⅱ提供的扬程为：

HrⅡ= Hst + SBCQ2Ⅱ+ SCDQ2

上面式中Hst为装置静扬程（上下水面的位置高差）。SAC、SBC、SCD分别为AC、BC、CD管路的阻力参数，把上式子改为：

HrⅠ′= HrⅠ- SACQ2Ⅰ=Hst+ SCDQ2

HrⅡ′= HrⅡ- SBCQ2Ⅱ=Hst+ SCDQ2

那么可以看出HrⅠ′= HrⅡ′= Hr′。这样处理相当于想象地把两泵放大，把水泵吸水管的进口看成泵的进口，把泵的出口延伸到并联点，也就是将并联点前的管路阻力损失当成泵内的水力损失，HrⅠ′和HrⅡ′即为两假想大泵在并联运行时的扬程。这样就可以运用装置性能曲线法，从水泵的性能曲线减去并联点前的管路阻力损失得到图4虚线Ⅰ′、Ⅱ′所示的假想大泵的Q-H曲线。由于两假想大泵具有相同的扬程，因此可以采用等扬程下的流量横加的方法（即横向叠加法）得到两泵联合运行时总Q-H′曲线，如图4中虚线Ⅰ′+Ⅱ′所示。接着再按Hr′=Hst+SCDQ2绘出装置需要扬程曲线，得到与虚线Ⅰ′+Ⅱ′的交点A，该点所对应的流量QA即为两泵并联运行时的总流量。过点A作横坐标的平行线与虚线Ⅰ′、Ⅱ′的交点A1′、A2′，再分别过A1′、A2′点作垂线与两泵的性能曲线分别交于A1、A2点，该两点即为每台泵并联运行时的工况点。

两台水泵并联运行时，各台水泵的工况点A1、A2分别位于每台水泵各自单独运行时的工况点B1、B2的左侧，由此可知：

QA1＜QB1，QA2＜QB2，即并联运行时各台水泵的流量小于各自单独运行时的流量,表明水泵并联运行时的总流量QA小于每台各自单独工作时的流量之和，即QA=（QA1+QA2）＜（QB1+QB2），其流量减小的程度随着并联台数的增多，管路阻力曲线陡度的增大而增大。

特别要注意的是，若当两台大小不同的泵并联时，小泵输出的流量很小，且随装置需要扬程曲线的变陡（即管路阻力损失变大）输出流量进一步减小，当装置需要扬程曲线与总流量～扬程曲线Ⅰ﹢Ⅱ的交点位于M点时（如图4），水泵的流量等于0；而当装置需要扬程曲线与总流量～扬程曲线Ⅰ﹢Ⅱ的交点位于M点的左侧时，水泵的流量为负值，此时两泵并联运行不但不能增加流量，反而会减小输出流量。为避免这种情况，应尽量选择性能相同的水泵并联。

对于并联运行的离心泵，有PA1＜PB1、PA2＜PB2，即并联运行时各台离心泵的功率小于每台泵各自单独运行时的功率，因此，要根据水泵单独工作时可能出现的最大功率来选配电动机，以免水泵单独运行时电动机过载。

4　水泵并联设计应注意的问题

（1）水泵并联应尽量采用相同水泵性能，以防止小水泵输出的流量很小或流量为0甚至变为负值。

（2）尽量不要采用性能曲线太平稳的水泵并联，同时注意要减小管路阻抗。

（3）如果水泵的并联流量增量过小，改变开启台数时有可能造成水泵电机的超载。

（4）水泵选型时不能只考虑并联工况，必须校核单台运行工况，流量是否能够满足调节要求，以及是否有超载的可能。

（5）水泵的选型设计中，应尽量使并联运行和单台运行，都能在高效率区内运行。

（6）并联水泵不宜太多，建议不超过5台，以避免水泵在高效率区外运行。

5 结束语

水泵并联设计应充分考虑水泵的性能曲线及管路特性曲线的综合影响。如果选型时不考虑水泵的特性曲线，将会引起并联后流量增量不大，不能通过并联使流量大幅度地提高，也不能通过运行台数的增减有效地调节流量。同时应尽可能减小管路系统的阻抗，因为管路性能曲线平稳比性能曲线陡的排水系统中水泵并联运行的效果更好。建议水泵并联设计中应尽量采用相同水泵性能。

[1] 刘竹溪,刘罗植.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[2] 刘家春,杨鹏志,刘军号,马艳丽.水泵运行原理与泵站管理[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3] 牟灵泉,李向东,楚广明,桑海龙.空调水系统多台水泵并联工作问题探讨[C].全国暖通空调制冷1998年学术年会论文集