基于柴油机水泵高效区间的阻力调节方法分析

尹国华 胡守琦 王芳 蒋立坤 姜珊

摘要：在现代水泵环保节能、高效率运行要求下，柴油机水泵运行过程中，为确保水泵的高效运行，需要给出水泵的高效区间。等阻力调节方法在柴油机水泵高校区间调节中，是一个常用调节方法，本次在对水泵调节方式进行分析基础上，探讨柴油机水泵高效区间的等阻力调节方法，对其应用效果展开分析。

Abstract： Under the requirement of environmental protection and efficient operation of modern water pump， the efficient operation of diesel water pump is necessary to ensure the efficient operation of water pump. Equiresistance adjustment method is a commonly used adjustment method in the college interval adjustment of diesel water pump. On the basis of the analysis of water pump adjustment mode， the equivalent resistance adjustment method of diesel water pump is discussed and its application effect is analyzed.

关键词： 柴油机;水泵高效区间;等阻力调节方法

Key words： diesel engine;water pump high efficiency range;equal resistance control method

中图分类号：U464.138+.1                                文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0063-03

0  引言

在当前水泵运行过程中，为提升水泵运行效率，以起到提高经济效益的作用，都开始针对降低水泵以及风机电耗作为研究重点。通过对水泵运行中电耗的降低，不但有助于提升泵本身效率，也能够合理选择水泵调节方式[1]。水泵調节是在水泵运行过程中，部分调节情况下会受到两台以上泵的协调以及管理系统等的影响，导致水泵的运转工况点和最优工况并不相符，也可以为了确保水泵运行是在高校区间，而针对水泵特性曲线实施调节，以能够提升水泵运转经济性。还有一部分情况下，为能够实现对水泵一定流量要求的满足，还需要调节管路阻力曲线。想要实现针对水泵运转工况点的改变，最为重要的方法是针对泵的特性曲线及其管路阻力曲线交点进行移动[2-3]。从这一点可以看出，水泵运行中的调节方法主要为调节泵的特性曲线及其管路阻力曲线。其中结合循环水泵的实际工作情况，存在有两种调节方式，分别为等阻力特性区间以及恒压差限转速区间。本次重点针对等阻力调节方法在柴油机水泵高效区间中的应用展开分析。

1  水泵的调节方式

1.1 改变管路特性曲线

管路特性曲线公式为H=HST+kQ2，如果已经确定泵站，因为通常HST为常数，因此在对管路特性曲线改变过程中，即为针对管路系统阻力系数k实施改变。是在针对水泵实施节流调节方式的应用下，将阀门或挡板安置在泵的出口管路上，通过对阀门或挡板开度的控制，可以实现对管路阻力系数的改变，进而也就能够改变管路局部阻力损失，即可以引发出现泵的工作点位置变化。其中改变管路特性曲线图见图1。

从图1中可以看出，这一调节方式即为节流调节法。图中曲线P为水泵特性曲线、K1为阀门全开情况下管路阻力曲线、H1为工作点相应扬程、Q1为流量;K2为在阀门开度较小情况下的管路阻力曲线，H2为相应扬程、Q2为流量。在此过程中没有出现改变的是HST，通过图1能够发现阻力大小会直接影响到流量，如果将阀门关小，也就会加大管路局部阻力，进而导致管路特性曲线陡度增加，促进水泵的工作点改变，降低水泵流量，也就会从一开始的Q1降低到Q2。从这一点可以看出，在此方法的应用下，可以实现对流量的调整，但是存在有额外能量损失，经济性不佳，实际应用中的优点主要为操作简单、安全性高等，且初期投资比较低等，因此在之前离心式泵调节中的应用较为广泛[4]。由于容易导致出现水泵能量额外损失，进而导致影响到供水效率，经济性较低，尤其是在功率较大水泵机组中存在更大的能量损耗。所以当前这一调节方法的应用并不多，人们更加注重对经济而可靠调节方法的研究和应用。

1.2 改变水泵特性曲线

改变水泵特性曲线，即为在将其升高或降低过程中，也能够引起水泵特性曲线以及管路特性曲线交点的改变，进而也就可以实现增大或减小水泵流量。通常，是引导水泵工况点依照管路特性曲线进行改变，并将其控制在固定范围内，流量和相应转速相对应，非常便于对其实施控制。其中在离心泵中这一方法的应用主要有以下方式：

①变径调节。也被称为是切削叶轮外径法，对泵架构实施改变，切削处理好水泵叶轮后，运行过程中的相关参数关系即为切削律。通过切削律，也就是在车床上将水泵叶轮外径进行切削，缩小尺寸后安装进行运行，实现对水泵特性曲线的改变。在这一方法应用中操作简单，基本可以实现对工艺要求的满足，存在有较高的能量利用率，然而实际运行过程中成本比较高，尤其是已经处于工作状态的泵，想要对泵结构实施改变难度较大，且就算是对泵结构实施了改变，也会对其通用性产生不良影响，因此导致就算是这一方法在流量调节中具有经济便利性，但是应用并不广泛。在针对水泵转速调节后，可以实现对水泵运行工况的调节，确保水泵运行时在高效区间;

②变速调节。针对同一台叶片泵，如果运行过程中转速出现改变，也就会导致相应的流量、扬程、功率以及转速出现改变。以上存在的关系为比例律，即为水泵相似律特殊形式之一。通过对水泵变速的调节，也就可以在比例律的应用下，通过对水泵转速的改变，也就能够引发水泵特性曲线出现变化，以此实现对水泵工作点的调节。这一方法在应用中，不但具有非常显著的节能效果，也具有较高安全可靠性，能够对水泵使用寿命起到延长作用，减少电能消耗。与之同时通过对水泵运行转速的降低，也有助于对其离心泵汽蚀余量NPSHr起到降低作用，降低离心泵发生汽蚀风险。在当前属于是理想的调节方式，在降低或提高水泵转速过程中，即可以实现对水泵使用范围的扩大。一般情况下，水泵转速主要方法为可调速电机及传动机构的应用，在应用中原理比较复杂，也需要较大投资，也不会对流量具有较大调节作用，对于转速的降低最大也只能够降低到额定转速的30-50%，且也不可以任意提升转速。对其原因分析，主要是一旦提高转速，可能会导致出现电机超载，另外也可能会加大水泵零件的应力，严重可能会导致出现零件损害。总体上来看，这一方法在应用中具有显著的调节效果，便于操作，安全性高，能够对水泵使用寿命起到延长作用，节省电能，对于离心泵发生汽蚀风险具有降低作用，与之同时也需要通过变频技术实现对泵的原动机转速实施改变，相对来讲具有较高投资，原理也较为复杂，不能够实现对流量的大范围调节;

③边角调节。如果轴流泵中存在有活动式叶片以及调节机构，在针对前置导叶叶片安装角的改变，即可以实现对水泵性能曲线的改变，与之同时如果改变叶片安装角度，也会改变叶片对水的升力作用，进而实现对其工作性能的改变，即可以实现工况调节。在针对水泵工作点实施改变过程中，也能够确保水泵运行是处于最优工况下。在针对变角调节过程中，能够有效保障水泵和电机的高效率运行。水泵运行过程中，会依照叶片安装角变化、齿轮油泵扬程、功率等因素的改变出现变化，然而并不会影响到效率最高点，对于轴流泵性能调节非常有利。轴流泵以及斜流泵在对叶片角进行调节过程中，可以实现对其扬程的改变。

2  等阻力调节方法在柴油机水泵高效区间中的应用

2.1 等阻力特性区间调节方法

系统运行过程中，通常是依照额定工况选择水泵类型，一次保障额定工况下水泵运行是处于高效区间，但是在实际运行过程中，因为受到变频调节作用的影响，工作点始终在不断移动，也导致水泵运行处于低效率工况。针对末端调节中，通常采用的方法是在电动调节阀的应用下，针对水流量实施调节，进而实现与其负荷变化的匹配，想要實现对电动调节阀调节性能的有效保障，一般需要在各个支路上串联安装压差控制阀，在此应用过程中不但能够对电动调节阀两端恒定压差工作条件起到保障作用，也可以防范其他末端调节影响到当前支路流量。在此应用中可以实现对水系统调节问题的有效解决，但是实际应用中压差控制阀对于资用压头的消耗比较大，另外也会提高循环泵的扬程，因此会导致出现输配系统较大能耗。其中在水泵运行中可以发现高效区间存在有相应的闭式管路特征区间，在本次研究中将这一区间假设为[Stmin，Simax]，详情见图2。

在系统运行过程中，S1为设计状态下管路特性曲线上的阻力特性，n1为变频水泵转速，G1为管路流量以及1为工作状态点。如果在空调运行过程中，末端负荷降低，也就会降低电动调节阀开度，进入到设备中的流量也会降低，在此情况下管网阻力数也就提升到S2，依照水泵G-H运行曲线变化流量也会转变为G2，相应的水泵工作状态点即为2。在这一情况下，针对控制系统实施检测中发现，和高效区间存在偏离情况下，需要对其水泵转速进行降低，减少流量，进而也会加大相关末端电动调节阀开度，只有在此情况下才可以实现对相应负荷需求的满足。在运行过程中，系统运行的最佳状态即为确保管网阻力特性数回到S1，但是管路流量保持在G2，也就是出现图2中的3状态。这一调节方式，即为闭式水系统运行中的一个最佳节能方式，可以确保相关工况点始终保持在同一效率曲线上，实现对相似工况的满足。但是，系统实际运行调节中无法做到像理论一样精确，无法确保可以彻底恢复到之前的阻力特性，仅能够保障可以进入到设定区间，具体为图2中阴影区间，即可以判定系统运行是处于高效区间，即为水泵高效区间的等阻力调节方法。

2.2 等阻力调节方法系统建构

其中等阻力调节方法应用下的区域功能系统拓扑结构及控制系统详情见图3。在系统控制功能实现中采用的方法是集散式调节方案，具体来讲也就是各自自主控制热冷源以及不同末端能源站。其中在系统主循环泵中采用的调节方法即为等阻力调节阀，基于依照末端能源站阀位信号和提前设定的系统阻力区间，对其实现变频调节。另外在系统不同末端能源站控制中，方案为串级调节方案。在这一方法应用中，控制器能够及时应对干扰反应，最为重要的是对于干扰的克服速度非常快，对于系统滞后存在的问题可以迅速有效克服，进而实现对其控制精度的改善，由此提升系统的控制质量。系统运行过程中的控制原理即为：结合室外气温以及相关历史数据，即可以实现对气候补偿器的换热器二次侧供水温度的预定，依照已经制定的预设值和设计换热器二次侧温度，由此实现对主调节器一次测压差设定值的计算，也能够将其发送到副调节器，在此情况下也就可以结合预定值以及实际一次侧供回水压差，实现对电动调节阀开度的调节，由此可以有效保障管网输送冷热量和用户用能需求的匹配。

在水泵高效区间等阻力调节法的应用下，可以将其作为是能源输配系统的控制方案，在调节过程中，电动调节阀阀位始终保持在恒定设定值上下，所以针对系统中的各末端能源站不必再安装自力式压差阀，也有助于降低循环泵的扬程，在实际应用中可以起到良好的节能效果。

2.3 循环水泵调节方法

在系统初步调试过程中，主要是针对不同支路静压平衡阀实施调节，以此实现对管路长度不一所致出现阻力差异问题的应对，确保各末端电动调节阀始终保持在90-95%开度，也能够实现对设计流量的满足。在系统运行过程中，如果系统需求流量和系统正常工作最小流量相比偏小，也就需要实现对水泵压差上下限和最小转速的限定，如果在系统运行过程中确保是在恒压差区间内，具体即为图4中的阴影部分;如果在系统运行过程中，需求流量和最小流量相比偏大情况下，结合水泵梁端压差和系统流量也就可以实现对管网阻力数的计算，若这一数值和设定区间存在一定偏离，会对循环水泵转速起到降低作用，因为受到系统总流量降低的影响，不同末端电动调节阀开度也会随之开发，进而也就会降低系统阻力，通过多次以上调节能够保障系统阻力恢复到设定区间，即为完成了整个调节过程。如果计算过程中，发现获得的系统阻力是在设定区间内，即表示末端出风温度没有达到设定要求，可以判定在这一阶段中系统总流量非常小，相应的对策即为对循环水泵转速进行加大，针对以上过程实施循环，直到可以实现对末端负荷要求的满足。在调节过程中，所出现的电动调节阀、系统流量以及循环水泵变频调节的改变是循序渐进的，且整体保持平衡，因此能够得到稳定的管网水力工况，具有良好的应用效果。

3  结语

在本次研究中，所得结论主要为：

第一，探讨了水泵的调节方式，即为可以针对水泵调节过程中，确保水泵运行处于高效区间。目前存在的调节方式主要为针对泵的性能曲线和管路阻力曲线实施改变，改变水泵的工况点，不但可以实现对水泵工艺要求的满足，也有助于实现水泵的高效率运行。

第二，等阻力调节法在水泵高效区间中的应用，在针对电动调节阀的应用下，也就可以实现对末端控制要求的满足，进而实现对系统总阻力的降低，降低循环水泵养成，另外也可以确保水泵运行始终处于高效区间，进而取得良好的节能效果。

第三，在整个控制过程中，等阻力区间调节法属于是渐进式调节，即为需要提前设定合理的控制采样周期，有助于取得良好的水力稳定性。

第四，基于本质分析，等阻力区间调节法即为变压差控制方法之一，调节过程中需要反复计算和设定阻力数，对于控制效果，流量、阀门以及压差等相关参数均可以对其产生影响。和传统定压差控制方法相比，等阻力区间调节法也必须要长期在实践中应用，以能够对其实际应用效果展开分析，充分认识到其整体应用价值。

参考文献：

[1]赵陈儒，薄涵亮.水泵变频调节及旁路调节对系统流量的影响[J].原子能科学技术，2012，46（z2）：863-866.

[2]胡思科，宋丽静，高慧芬.大型机组滑压运行时锅炉给水泵的调节特性分析[J].流体机械，2011，39（9）：11-15，25.

[3]宋仁委，李圣君，吕云辰.精细调节与系统节能的探索研究[J].氮肥与合成气，2021，49（1）：11-12，22.

[4]葛凤华，于秋生，胡自成.管网特性对水泵变流量运行能耗的影响[J].排灌机械工程学报，2011，29（3）：266-271.