离心泵工况调节详解

为某个特定系统选择泵时，保证工况点在泵的高效范围内是非常重要的。否则，泵的功率消耗将非常高。

然而，有时候选不到适应最优工况点的泵，因为系统的需求或系统特性曲线在不断地变化。因此，有必要调节泵的性能以满足需求的变化。

常见的泵性能调节方法有：

① 节流控制；

② 旁路控制；

③ 调速控制；

④ 叶轮切削。

根据对初期投资和泵运行成本的评估，选择合适的性能调节方法。除了叶轮切削之外，其他所有方法都可以在运行时连续的操作。通常情况下都为系统选择较大的泵，因此有必要限制其性能——首先是流速，有些时候也要限制最大扬程。

15.3.1 节流控制

为离心泵串联连接一个节流阀可以改变系统的特性，如图15.5所示。通过调整阀门的设置可以调节整个系统的阻力，进而达到所需的流量。系统特性曲线会变得更陡，与泵特性曲线的交点则会落在流量更低的点上。

节流阀会造成能量损失，因此连续使用节流阀进行控制会使效率降低。如果泵的特性曲线比较平缓，则可以使节流损失最小。因此节流控制主要用于径流泵的调节，因为径流泵的吸收功率随着流量的减小而降低。从控制系统的初期投资来看，采用节流阀进行控制有一定的优势，但是还应考虑整体经济状况，特别是装机功率高的情况。

对于混流泵和轴流泵来说，应注意吸入功率随着流量的降低而增加。此外，节流还可能使轴流泵进入不稳定的工作范围。这意味着运行不稳和噪音增加，两者都是高比转速泵的特点，所以在连续运行时应避免该工作区域。

图15.5 通过节流控制改变系统特性

15.3.2 旁路控制

旁通阀是与泵并联安装的调节阀，如图15.6所示。旁通阀使部分水流回流到吸水管线中，因此降低了扬程。安装旁通阀后，即使关断整个系统，泵还是会输送一定的流量。与节流阀类似，旁通阀在某些情况可以降低功率消耗。

图15.6 通过旁路控制改变系统特性

从整体来看，节流阀控制和旁通阀控制都不节能，应尽量避免。

15.3.3 调速控制

毫无疑问，在流量变化时，采用变频器的变速调节方法是效率最高的性能调节方法。该方法的优点在于这种调节直接减少输入系统的能量，而不是把多余的能量浪费掉。

当泵的转速改变后，相应的流量Q、扬程H和功率P都会产生变化。转速的改变可以用相似定律来解释。这些定律为流量与转速成正比；扬程与转速的平方成正比；泵电机所需的功率与转速的立方成正比。以下公式对这些定律进行了总结。

式中 n ——泵叶轮的转速（转/分）；

Q ——泵的体积流量（加仑/分或立方英尺/小时）；

H ——泵的扬程（磅/平方英寸或英尺）；(www.xing528.com)

P ——泵的功率（千瓦）。

采用这些比例率，可以根据某一转速下的特性，计算同一台泵不同转速下的特性。

即

由公式 15.3 可知，不同转速时扬程-流量特性曲线上的相应点或相似工况点都落在从原点出发的一条抛物线上。抛物线上的所有相似工况点都有相同的效率和比转速。所以这些抛物线又称为等效率曲线或等比转速曲线。

可以根据一台泵原转速时的特性曲线求出新转速时的特性曲线。方法是在原曲线上选几点，用相似定律来计算出新转速时的扬程和流量值。例如，在转速为n1的特性曲线上取三点A、B和C，见图15.7。可以求出这三点在新的转速n2时相应点A’、B’和C’的扬程和流量值。

图15.7 调速对离心泵工况点的影响

如果系统所需的性能发生变化，可以通过调节泵的转速来使泵在最优运行范围内工作。

15.3.4 叶轮切削

减小叶轮的直径是一个永久的变化，该方法可以在系统需求长期改变的情况下使用。叶轮切削后，如果更换电机降低能量消耗，则可以节能。可以通过相似定律来估计功率消耗、扬程和流量的变化，如图15.8所示。

图15.8 叶轮切削后的泵特性曲线

当转速恒定时，

式中 D1,D2——叶轮切削前后叶轮的直径（毫米）；

Q1,Q2——叶轮切削前后泵的体积流量（英尺3/小时）；

H1,H2——叶轮切削前后泵的扬程（英尺）；

P1,P2——叶轮切削前后泵的功率（千瓦）。

切削是指采用机器加工的方法减小叶轮的直径。切削量应控制在原叶轮最大直径的20%之内，因为过度的切削会导致叶轮与泵壳不匹配。随着叶轮直径的减小，叶轮与固定泵壳之间的间隙会增大，从而增加内部回流，造成水头损失，降低泵的效率，如图15.9所示。

切削可以降低叶轮尖端的转速，从而降低了提供给流体的能量，因此泵的流量和压力都会下降。如果当前的叶轮产生的扬程过高，则可以采用较小的或切削的叶轮来提高效率。在实践中，叶轮切削通常用来避免控制阀门所产生的节流损失，切削后不会影响系统的流量。

图15.9 一台配有9英寸叶轮的离心泵几次切削之后的特性曲线

15.3.5 调节方法对比

阀门的使用使节流控制和旁路控制产生一些水力损失，因此降低整个系统的效率。叶轮切削在20%以内时不会对泵的效率产生很大的影响，因此这种方法不会对系统的总效率产生负面影响。只要转速不会降低到额定转速的50%以下，调速控制对泵的效率影响都很小。

每个方法都有利有弊，为系统选择调节方法时应把权衡所有利弊。如果要尽量保持最高的效率，最好采用叶轮切削方法和调速方法来降低流量。如果要求泵在固定的调整后的工况点运行，叶轮切削则是最好的方法。但是，对于流量需求不断变化的系统，采用调速泵是最好的解决办法。