离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析

徐旺盛　管洁　陈洪岩

摘要：就现阶段而言，流体运送系统中主要包括了节流调节与离心泵变频调节两种流量控制方式，两种调节方式均在流量控制方面具有自身的优点和不足。文章选取离心泵变频控制对流量控制性能的影响作为研究对象，通过将其与节流调节的稳态时的压力变化进行对比，进而对离心泵变频控制对流量控制性能的影响做出了具体研究。

关键词：离心泵；变频控制；流量控制性能；流量调节；流体运送系统 文献标识码：A

中图分类号：TH311 文章编号：1009-2374（2015）05-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0374

目前过程控制领域中，流体运送系统中流量调节方法主要有节流调节和离心泵变频调速调节。所谓节流调节是指以调节阀门开度的方式对流体传输管路的特征曲线进行变更，从而通过改变流量来满足具体的工作要求。而离心泵变频调节则是在保持原有流体传输管路特征曲线不变的前提下，通过适当改变离心泵本身的转速来达到流量控制的目的。但随着国际范围内生产理水平的不断提高，对流体控制的要求也愈加严格，故本文将从离心泵变频调节对流量的控制方面出发，通过对比两种流量调控方法，进而说明了二者在过程流量控制方面均存在一定的局限性。20世纪80年代初发展起来的变频调速技术是在不改变管路特性曲线的基础上改变泵的转速以调节流量，避免了消耗在阀门上的能量，因此变频调节比节流调节更节能，但变频调节方式并不总是符合要求的。在通过改变转速来调节流量的过程中，扬程（压力）也会一同改变，甚至比流量改变得更快，因此可能会导致流体压力过低而无法满足工艺要求。

1 节流调节与变频调节各自在流量控制性能方面的特征

从节流调节与离心泵对变频调节对流量的控制及其传输管路的特征曲线可看出，传输管路中的流量从Q0变化到Q1时，在节流调节的作用下，控制希同的阀门开度逐渐减小，而传输管路的特征曲线则由R0转变为了R1。此时，离心泵的转速n0保持不变，其扬程则从H0上升至H1，而工况点的变化情况则为A→B，此过程中，离心泵的所耗功率的大小与OH1 Q1B（O为原点）正相关。

在保持阀门开度不变的前提下，改变流量传输管路的特征曲线，当离心泵的转速由n0变化为n1时，其扬程的变化情况为H0到H2，而工况点的变化情况则为A→C，而在此情况下，离心泵的功率则与OH2 Q1C成正比，上述两个封闭举行所形成的面积关系为SOH1 Q1B>SOH2 Q1C，因此，相较于节流调节，离心泵变频调节对流量的控制则耗能更少。对单纯的离心泵变频调节进行分析可知，当离心泵本身的转速变化低于20%时，则流量以及扬程和转速变化的比例关系为：和。对上式做出如下分析：当管路流量有Q0缩减为Q1时，其扬程则会由H0降至H2，而此时，若阀门未对管路内流量进行储存，则随着流量的持续降低则可能会造成因阀后压力过低而使其无法达到在后续的流体控制过程中系统对流体压力的要求。相较于变频调节，节流调节则可以通过利用阀门自身的储能作用进而在改变传输管路内流体流量的同时满足系统对流体压力的具体要求，但该种方法需要向阀门提供较大的功率，使得系统耗能过多。因此，下文则主要从两种调节方法处于稳态调节时的压力变化分析其对流量的控制性能。

2 节流调节与变频调节稳态时的压力变化分析

流体传送系统对流量进行控制的基本原理为通过对传输管路的整体流量进行反馈，进而使阀门开度的调节以及离心泵转速的调节可以发挥其对流量的控制作用。下文则分别从节流调节与变频调节对流量的控制趋于稳态时，阀门的前后压力进行比对分析。

2.1 节流调节

“1”为系统的吸液容器，“2”为阀前，“3”为阀后，“4”为末端容器。以节流调节方式对系统流量进行控制，具体过程如下：建立处于“2”与“1”之间的代表流体截面的伯努利方程，即+p1++Δp=+p2++Δpl。其中，u代表各个传输管路内的流体流速，z表示各个节流面的中心到基准面（吸液容器“1”）的垂直距离，Δp表示离心泵的提供压力，管路到截面之间流体传输的流量损失为Δpl。而Δp=a+bQ+cQ2，，其中a，b，c表示多项式的拟合系数，由此算得管路的压力损失Δpl=bl1-2Q2=（）（）2。由上式可计算出阀前“2”的压力p2=（c-bl-）Q2+bQ+a-（z4-z3）。同理，也可计算出阀后“3”到末端容器的节流压力p3，二者共同构成了以节流调节为主的流量以及系统阀前、阀后压力的稳态性模型。本文中假定离心泵的额定流量Q0=0.05m3/s，系统扬程H0=55m，离心泵转速n0=2950r/min，系统管路路径d=0.3m，进而得到节流调节与阀前、阀后压力的特征变化曲线。

2.2 离心泵变频调节

离心泵的扬程特征以曲线H=H0+bl1-4Q2=（）+bl1-4Q2进行变化。由此计算可得离心泵变频调节时的阀前（“2”）压力为：p2=（bl1-4-bl1-2-）+--（z2-z1）。此时，保持阀门开度不变，则阀前压力损失c=bcQ2，其中，bc=。同理，阀后压力p3的计算方法与此相同。p2和p3共同构成了离心变频调节流量控制处于稳态时的压力模型。保持阀门开度不变（最多允许变动范围15%），利用2.1中离心泵额定流量和扬程等拟定数据，可以描绘出变频调节与压力的变化曲线。假设工艺要求阀后压力不低于0.36MPa，而流量降至0.02m3/s及以下时，利用变频调节则会由于阀后压力不足而使得工艺流程无法正常进行，节流调节在较低流量要求时亦可满足工况对阀后压力的相关要求。

3 结语

总之，本文通过对节流调节与变频调节在流量控制性能方面的特征进行描述，进而从两种调节方法对流量的调节均处于稳态时，阀门压力是否满足工矿要求展开了深入研究，进而得出如下结论：利用离心泵变频调节方法对流量进行控制进而减少系统能耗需要一个压力临界值（本文为0.36MPa），而超过该临界值，则变频调节将因压力供给不足而无法达到工况的具体要求。因此，在未来应用离心泵变频调节对流量进行控制时，应准确掌握系统的阀门压力，科学运用该方法提高流量控制系统的运作效率。

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作者简介：徐旺盛（1985-），男，河南原阳人，兖州煤业股份有限公司北宿煤矿技术员，助理工程师，研究方向：煤矿机电设备的维护和管理。

（责任编辑：黄银芳）