離心泵變頻控制對流量控制性能的影響分析

徐旺盛　管潔　陳洪巖

摘要：就現(xiàn)階段而言，流體運送系統(tǒng)中主要包括了節(jié)流調(diào)節(jié)與離心泵變頻調(diào)節(jié)兩種流量控制方式，兩種調(diào)節(jié)方式均在流量控制方面具有自身的優(yōu)點和不足。文章選取離心泵變頻控制對流量控制性能的影響作為研究對象，通過將其與節(jié)流調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)時的壓力變化進行對比，進而對離心泵變頻控制對流量控制性能的影響做出了具體研究。

關(guān)鍵詞：離心泵；變頻控制；流量控制性能；流量調(diào)節(jié)；流體運送系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH311 文章編號：1009-2374（2015）05-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0374

目前過程控制領(lǐng)域中，流體運送系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)方法主要有節(jié)流調(diào)節(jié)和離心泵變頻調(diào)速調(diào)節(jié)。所謂節(jié)流調(diào)節(jié)是指以調(diào)節(jié)閥門開度的方式對流體傳輸管路的特征曲線進行變更，從而通過改變流量來滿足具體的工作要求。而離心泵變頻調(diào)節(jié)則是在保持原有流體傳輸管路特征曲線不變的前提下，通過適當改變離心泵本身的轉(zhuǎn)速來達到流量控制的目的。但隨著國際范圍內(nèi)生產(chǎn)理水平的不斷提高，對流體控制的要求也愈加嚴格，故本文將從離心泵變頻調(diào)節(jié)對流量的控制方面出發(fā)，通過對比兩種流量調(diào)控方法，進而說明了二者在過程流量控制方面均存在一定的局限性。20世紀80年代初發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)是在不改變管路特性曲線的基礎(chǔ)上改變泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)流量，避免了消耗在閥門上的能量，因此變頻調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)更節(jié)能，但變頻調(diào)節(jié)方式并不總是符合要求的。在通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量的過程中，揚程（壓力）也會一同改變，甚至比流量改變得更快，因此可能會導致流體壓力過低而無法滿足工藝要求。

1 節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)各自在流量控制性能方面的特征

從節(jié)流調(diào)節(jié)與離心泵對變頻調(diào)節(jié)對流量的控制及其傳輸管路的特征曲線可看出，傳輸管路中的流量從Q0變化到Q1時，在節(jié)流調(diào)節(jié)的作用下，控制希同的閥門開度逐漸減小，而傳輸管路的特征曲線則由R0轉(zhuǎn)變?yōu)榱薘1。此時，離心泵的轉(zhuǎn)速n0保持不變，其揚程則從H0上升至H1，而工況點的變化情況則為A→B，此過程中，離心泵的所耗功率的大小與OH1 Q1B（O為原點）正相關(guān)。

在保持閥門開度不變的前提下，改變流量傳輸管路的特征曲線，當離心泵的轉(zhuǎn)速由n0變化為n1時，其揚程的變化情況為H0到H2，而工況點的變化情況則為A→C，而在此情況下，離心泵的功率則與OH2 Q1C成正比，上述兩個封閉舉行所形成的面積關(guān)系為SOH1 Q1B>SOH2 Q1C，因此，相較于節(jié)流調(diào)節(jié)，離心泵變頻調(diào)節(jié)對流量的控制則耗能更少。對單純的離心泵變頻調(diào)節(jié)進行分析可知，當離心泵本身的轉(zhuǎn)速變化低于20%時，則流量以及揚程和轉(zhuǎn)速變化的比例關(guān)系為：和。對上式做出如下分析：當管路流量有Q0縮減為Q1時，其揚程則會由H0降至H2，而此時，若閥門未對管路內(nèi)流量進行儲存，則隨著流量的持續(xù)降低則可能會造成因閥后壓力過低而使其無法達到在后續(xù)的流體控制過程中系統(tǒng)對流體壓力的要求。相較于變頻調(diào)節(jié)，節(jié)流調(diào)節(jié)則可以通過利用閥門自身的儲能作用進而在改變傳輸管路內(nèi)流體流量的同時滿足系統(tǒng)對流體壓力的具體要求，但該種方法需要向閥門提供較大的功率，使得系統(tǒng)耗能過多。因此，下文則主要從兩種調(diào)節(jié)方法處于穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時的壓力變化分析其對流量的控制性能。

2 節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時的壓力變化分析

流體傳送系統(tǒng)對流量進行控制的基本原理為通過對傳輸管路的整體流量進行反饋，進而使閥門開度的調(diào)節(jié)以及離心泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以發(fā)揮其對流量的控制作用。下文則分別從節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)對流量的控制趨于穩(wěn)態(tài)時，閥門的前后壓力進行比對分析。

2.1 節(jié)流調(diào)節(jié)

“1”為系統(tǒng)的吸液容器，“2”為閥前，“3”為閥后，“4”為末端容器。以節(jié)流調(diào)節(jié)方式對系統(tǒng)流量進行控制，具體過程如下：建立處于“2”與“1”之間的代表流體截面的伯努利方程，即+p1++Δp=+p2++Δpl。其中，u代表各個傳輸管路內(nèi)的流體流速，z表示各個節(jié)流面的中心到基準面（吸液容器“1”）的垂直距離，Δp表示離心泵的提供壓力，管路到截面之間流體傳輸?shù)牧髁繐p失為Δpl。而Δp=a+bQ+cQ2，，其中a，b，c表示多項式的擬合系數(shù)，由此算得管路的壓力損失Δpl=bl1-2Q2=（）（）2。由上式可計算出閥前“2”的壓力p2=（c-bl-）Q2+bQ+a-（z4-z3）。同理，也可計算出閥后“3”到末端容器的節(jié)流壓力p3，二者共同構(gòu)成了以節(jié)流調(diào)節(jié)為主的流量以及系統(tǒng)閥前、閥后壓力的穩(wěn)態(tài)性模型。本文中假定離心泵的額定流量Q0=0.05m3/s，系統(tǒng)揚程H0=55m，離心泵轉(zhuǎn)速n0=2950r/min，系統(tǒng)管路路徑d=0.3m，進而得到節(jié)流調(diào)節(jié)與閥前、閥后壓力的特征變化曲線。

2.2 離心泵變頻調(diào)節(jié)

離心泵的揚程特征以曲線H=H0+bl1-4Q2=（）+bl1-4Q2進行變化。由此計算可得離心泵變頻調(diào)節(jié)時的閥前（“2”）壓力為：p2=（bl1-4-bl1-2-）+--（z2-z1）。此時，保持閥門開度不變，則閥前壓力損失c=bcQ2，其中，bc=。同理，閥后壓力p3的計算方法與此相同。p2和p3共同構(gòu)成了離心變頻調(diào)節(jié)流量控制處于穩(wěn)態(tài)時的壓力模型。保持閥門開度不變（最多允許變動范圍15%），利用2.1中離心泵額定流量和揚程等擬定數(shù)據(jù)，可以描繪出變頻調(diào)節(jié)與壓力的變化曲線。假設(shè)工藝要求閥后壓力不低于0.36MPa，而流量降至0.02m3/s及以下時，利用變頻調(diào)節(jié)則會由于閥后壓力不足而使得工藝流程無法正常進行，節(jié)流調(diào)節(jié)在較低流量要求時亦可滿足工況對閥后壓力的相關(guān)要求。

3 結(jié)語

總之，本文通過對節(jié)流調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)在流量控制性能方面的特征進行描述，進而從兩種調(diào)節(jié)方法對流量的調(diào)節(jié)均處于穩(wěn)態(tài)時，閥門壓力是否滿足工礦要求展開了深入研究，進而得出如下結(jié)論：利用離心泵變頻調(diào)節(jié)方法對流量進行控制進而減少系統(tǒng)能耗需要一個壓力臨界值（本文為0.36MPa），而超過該臨界值，則變頻調(diào)節(jié)將因壓力供給不足而無法達到工況的具體要求。因此，在未來應用離心泵變頻調(diào)節(jié)對流量進行控制時，應準確掌握系統(tǒng)的閥門壓力，科學運用該方法提高流量控制系統(tǒng)的運作效率。

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作者簡介：徐旺盛（1985-），男，河南原陽人，兗州煤業(yè)股份有限公司北宿煤礦技術(shù)員，助理工程師，研究方向：煤礦機電設(shè)備的維護和管理。

（責任編輯：黃銀芳）