基于柴油機(jī)水泵高效區(qū)間的阻力調(diào)節(jié)方法分析

尹國華 胡守琦 王芳 蔣立坤 姜珊

摘要：在現(xiàn)代水泵環(huán)保節(jié)能、高效率運行要求下，柴油機(jī)水泵運行過程中，為確保水泵的高效運行，需要給出水泵的高效區(qū)間。等阻力調(diào)節(jié)方法在柴油機(jī)水泵高校區(qū)間調(diào)節(jié)中，是一個常用調(diào)節(jié)方法，本次在對水泵調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，探討柴油機(jī)水泵高效區(qū)間的等阻力調(diào)節(jié)方法，對其應(yīng)用效果展開分析。

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.

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī);水泵高效區(qū)間;等阻力調(diào)節(jié)方法

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

中圖分類號：U464.138+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0063-03

0? 引言

在當(dāng)前水泵運行過程中，為提升水泵運行效率，以起到提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，都開始針對降低水泵以及風(fēng)機(jī)電耗作為研究重點。通過對水泵運行中電耗的降低，不但有助于提升泵本身效率，也能夠合理選擇水泵調(diào)節(jié)方式[1]。水泵調(diào)節(jié)是在水泵運行過程中，部分調(diào)節(jié)情況下會受到兩臺以上泵的協(xié)調(diào)以及管理系統(tǒng)等的影響，導(dǎo)致水泵的運轉(zhuǎn)工況點和最優(yōu)工況并不相符，也可以為了確保水泵運行是在高校區(qū)間，而針對水泵特性曲線實施調(diào)節(jié)，以能夠提升水泵運轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性。還有一部分情況下，為能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵一定流量要求的滿足，還需要調(diào)節(jié)管路阻力曲線。想要實現(xiàn)針對水泵運轉(zhuǎn)工況點的改變，最為重要的方法是針對泵的特性曲線及其管路阻力曲線交點進(jìn)行移動[2-3]。從這一點可以看出，水泵運行中的調(diào)節(jié)方法主要為調(diào)節(jié)泵的特性曲線及其管路阻力曲線。其中結(jié)合循環(huán)水泵的實際工作情況，存在有兩種調(diào)節(jié)方式，分別為等阻力特性區(qū)間以及恒壓差限轉(zhuǎn)速區(qū)間。本次重點針對等阻力調(diào)節(jié)方法在柴油機(jī)水泵高效區(qū)間中的應(yīng)用展開分析。

1? 水泵的調(diào)節(jié)方式

1.1 改變管路特性曲線

管路特性曲線公式為H=HST+kQ2，如果已經(jīng)確定泵站，因為通常HST為常數(shù)，因此在對管路特性曲線改變過程中，即為針對管路系統(tǒng)阻力系數(shù)k實施改變。是在針對水泵實施節(jié)流調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用下，將閥門或擋板安置在泵的出口管路上，通過對閥門或擋板開度的控制，可以實現(xiàn)對管路阻力系數(shù)的改變，進(jìn)而也就能夠改變管路局部阻力損失，即可以引發(fā)出現(xiàn)泵的工作點位置變化。其中改變管路特性曲線圖見圖1。

從圖1中可以看出，這一調(diào)節(jié)方式即為節(jié)流調(diào)節(jié)法。圖中曲線P為水泵特性曲線、K1為閥門全開情況下管路阻力曲線、H1為工作點相應(yīng)揚程、Q1為流量;K2為在閥門開度較小情況下的管路阻力曲線，H2為相應(yīng)揚程、Q2為流量。在此過程中沒有出現(xiàn)改變的是HST，通過圖1能夠發(fā)現(xiàn)阻力大小會直接影響到流量，如果將閥門關(guān)小，也就會加大管路局部阻力，進(jìn)而導(dǎo)致管路特性曲線陡度增加，促進(jìn)水泵的工作點改變，降低水泵流量，也就會從一開始的Q1降低到Q2。從這一點可以看出，在此方法的應(yīng)用下，可以實現(xiàn)對流量的調(diào)整，但是存在有額外能量損失，經(jīng)濟(jì)性不佳，實際應(yīng)用中的優(yōu)點主要為操作簡單、安全性高等，且初期投資比較低等，因此在之前離心式泵調(diào)節(jié)中的應(yīng)用較為廣泛[4]。由于容易導(dǎo)致出現(xiàn)水泵能量額外損失，進(jìn)而導(dǎo)致影響到供水效率，經(jīng)濟(jì)性較低，尤其是在功率較大水泵機(jī)組中存在更大的能量損耗。所以當(dāng)前這一調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用并不多，人們更加注重對經(jīng)濟(jì)而可靠調(diào)節(jié)方法的研究和應(yīng)用。

1.2 改變水泵特性曲線

改變水泵特性曲線，即為在將其升高或降低過程中，也能夠引起水泵特性曲線以及管路特性曲線交點的改變，進(jìn)而也就可以實現(xiàn)增大或減小水泵流量。通常，是引導(dǎo)水泵工況點依照管路特性曲線進(jìn)行改變，并將其控制在固定范圍內(nèi)，流量和相應(yīng)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，非常便于對其實施控制。其中在離心泵中這一方法的應(yīng)用主要有以下方式：

①變徑調(diào)節(jié)。也被稱為是切削葉輪外徑法，對泵架構(gòu)實施改變，切削處理好水泵葉輪后，運行過程中的相關(guān)參數(shù)關(guān)系即為切削律。通過切削律，也就是在車床上將水泵葉輪外徑進(jìn)行切削，縮小尺寸后安裝進(jìn)行運行，實現(xiàn)對水泵特性曲線的改變。在這一方法應(yīng)用中操作簡單，基本可以實現(xiàn)對工藝要求的滿足，存在有較高的能量利用率，然而實際運行過程中成本比較高，尤其是已經(jīng)處于工作狀態(tài)的泵，想要對泵結(jié)構(gòu)實施改變難度較大，且就算是對泵結(jié)構(gòu)實施了改變，也會對其通用性產(chǎn)生不良影響，因此導(dǎo)致就算是這一方法在流量調(diào)節(jié)中具有經(jīng)濟(jì)便利性，但是應(yīng)用并不廣泛。在針對水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，可以實現(xiàn)對水泵運行工況的調(diào)節(jié)，確保水泵運行時在高效區(qū)間;

②變速調(diào)節(jié)。針對同一臺葉片泵，如果運行過程中轉(zhuǎn)速出現(xiàn)改變，也就會導(dǎo)致相應(yīng)的流量、揚程、功率以及轉(zhuǎn)速出現(xiàn)改變。以上存在的關(guān)系為比例律，即為水泵相似律特殊形式之一。通過對水泵變速的調(diào)節(jié)，也就可以在比例律的應(yīng)用下，通過對水泵轉(zhuǎn)速的改變，也就能夠引發(fā)水泵特性曲線出現(xiàn)變化，以此實現(xiàn)對水泵工作點的調(diào)節(jié)。這一方法在應(yīng)用中，不但具有非常顯著的節(jié)能效果，也具有較高安全可靠性，能夠?qū)λ檬褂脡勖鸬窖娱L作用，減少電能消耗。與之同時通過對水泵運行轉(zhuǎn)速的降低，也有助于對其離心泵汽蝕余量NPSHr起到降低作用，降低離心泵發(fā)生汽蝕風(fēng)險。在當(dāng)前屬于是理想的調(diào)節(jié)方式，在降低或提高水泵轉(zhuǎn)速過程中，即可以實現(xiàn)對水泵使用范圍的擴(kuò)大。一般情況下，水泵轉(zhuǎn)速主要方法為可調(diào)速電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，在應(yīng)用中原理比較復(fù)雜，也需要較大投資，也不會對流量具有較大調(diào)節(jié)作用，對于轉(zhuǎn)速的降低最大也只能夠降低到額定轉(zhuǎn)速的30-50%，且也不可以任意提升轉(zhuǎn)速。對其原因分析，主要是一旦提高轉(zhuǎn)速，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)電機(jī)超載，另外也可能會加大水泵零件的應(yīng)力，嚴(yán)重可能會導(dǎo)致出現(xiàn)零件損害?？傮w上來看，這一方法在應(yīng)用中具有顯著的調(diào)節(jié)效果，便于操作，安全性高，能夠?qū)λ檬褂脡勖鸬窖娱L作用，節(jié)省電能，對于離心泵發(fā)生汽蝕風(fēng)險具有降低作用，與之同時也需要通過變頻技術(shù)實現(xiàn)對泵的原動機(jī)轉(zhuǎn)速實施改變，相對來講具有較高投資，原理也較為復(fù)雜，不能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的大范圍調(diào)節(jié);

③邊角調(diào)節(jié)。如果軸流泵中存在有活動式葉片以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在針對前置導(dǎo)葉葉片安裝角的改變，即可以實現(xiàn)對水泵性能曲線的改變，與之同時如果改變?nèi)~片安裝角度，也會改變?nèi)~片對水的升力作用，進(jìn)而實現(xiàn)對其工作性能的改變，即可以實現(xiàn)工況調(diào)節(jié)。在針對水泵工作點實施改變過程中，也能夠確保水泵運行是處于最優(yōu)工況下。在針對變角調(diào)節(jié)過程中，能夠有效保障水泵和電機(jī)的高效率運行。水泵運行過程中，會依照葉片安裝角變化、齒輪油泵揚程、功率等因素的改變出現(xiàn)變化，然而并不會影響到效率最高點，對于軸流泵性能調(diào)節(jié)非常有利。軸流泵以及斜流泵在對葉片角進(jìn)行調(diào)節(jié)過程中，可以實現(xiàn)對其揚程的改變。

2? 等阻力調(diào)節(jié)方法在柴油機(jī)水泵高效區(qū)間中的應(yīng)用

2.1 等阻力特性區(qū)間調(diào)節(jié)方法

系統(tǒng)運行過程中，通常是依照額定工況選擇水泵類型，一次保障額定工況下水泵運行是處于高效區(qū)間，但是在實際運行過程中，因為受到變頻調(diào)節(jié)作用的影響，工作點始終在不斷移動，也導(dǎo)致水泵運行處于低效率工況。針對末端調(diào)節(jié)中，通常采用的方法是在電動調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用下，針對水流量實施調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)與其負(fù)荷變化的匹配，想要實現(xiàn)對電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能的有效保障，一般需要在各個支路上串聯(lián)安裝壓差控制閥，在此應(yīng)用過程中不但能夠?qū)﹄妱诱{(diào)節(jié)閥兩端恒定壓差工作條件起到保障作用，也可以防范其他末端調(diào)節(jié)影響到當(dāng)前支路流量。在此應(yīng)用中可以實現(xiàn)對水系統(tǒng)調(diào)節(jié)問題的有效解決，但是實際應(yīng)用中壓差控制閥對于資用壓頭的消耗比較大，另外也會提高循環(huán)泵的揚程，因此會導(dǎo)致出現(xiàn)輸配系統(tǒng)較大能耗。其中在水泵運行中可以發(fā)現(xiàn)高效區(qū)間存在有相應(yīng)的閉式管路特征區(qū)間，在本次研究中將這一區(qū)間假設(shè)為[Stmin，Simax]，詳情見圖2。

在系統(tǒng)運行過程中，S1為設(shè)計狀態(tài)下管路特性曲線上的阻力特性，n1為變頻水泵轉(zhuǎn)速，G1為管路流量以及1為工作狀態(tài)點。如果在空調(diào)運行過程中，末端負(fù)荷降低，也就會降低電動調(diào)節(jié)閥開度，進(jìn)入到設(shè)備中的流量也會降低，在此情況下管網(wǎng)阻力數(shù)也就提升到S2，依照水泵G-H運行曲線變化流量也會轉(zhuǎn)變?yōu)镚2，相應(yīng)的水泵工作狀態(tài)點即為2。在這一情況下，針對控制系統(tǒng)實施檢測中發(fā)現(xiàn)，和高效區(qū)間存在偏離情況下，需要對其水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行降低，減少流量，進(jìn)而也會加大相關(guān)末端電動調(diào)節(jié)閥開度，只有在此情況下才可以實現(xiàn)對相應(yīng)負(fù)荷需求的滿足。在運行過程中，系統(tǒng)運行的最佳狀態(tài)即為確保管網(wǎng)阻力特性數(shù)回到S1，但是管路流量保持在G2，也就是出現(xiàn)圖2中的3狀態(tài)。這一調(diào)節(jié)方式，即為閉式水系統(tǒng)運行中的一個最佳節(jié)能方式，可以確保相關(guān)工況點始終保持在同一效率曲線上，實現(xiàn)對相似工況的滿足。但是，系統(tǒng)實際運行調(diào)節(jié)中無法做到像理論一樣精確，無法確?？梢詮氐谆謴?fù)到之前的阻力特性，僅能夠保障可以進(jìn)入到設(shè)定區(qū)間，具體為圖2中陰影區(qū)間，即可以判定系統(tǒng)運行是處于高效區(qū)間，即為水泵高效區(qū)間的等阻力調(diào)節(jié)方法。

2.2 等阻力調(diào)節(jié)方法系統(tǒng)建構(gòu)

其中等阻力調(diào)節(jié)方法應(yīng)用下的區(qū)域功能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)詳情見圖3。在系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)中采用的方法是集散式調(diào)節(jié)方案，具體來講也就是各自自主控制熱冷源以及不同末端能源站。其中在系統(tǒng)主循環(huán)泵中采用的調(diào)節(jié)方法即為等阻力調(diào)節(jié)閥，基于依照末端能源站閥位信號和提前設(shè)定的系統(tǒng)阻力區(qū)間，對其實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。另外在系統(tǒng)不同末端能源站控制中，方案為串級調(diào)節(jié)方案。在這一方法應(yīng)用中，控制器能夠及時應(yīng)對干擾反應(yīng)，最為重要的是對于干擾的克服速度非?？?，對于系統(tǒng)滯后存在的問題可以迅速有效克服，進(jìn)而實現(xiàn)對其控制精度的改善，由此提升系統(tǒng)的控制質(zhì)量。系統(tǒng)運行過程中的控制原理即為：結(jié)合室外氣溫以及相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，即可以實現(xiàn)對氣候補(bǔ)償器的換熱器二次側(cè)供水溫度的預(yù)定，依照已經(jīng)制定的預(yù)設(shè)值和設(shè)計換熱器二次側(cè)溫度，由此實現(xiàn)對主調(diào)節(jié)器一次測壓差設(shè)定值的計算，也能夠?qū)⑵浒l(fā)送到副調(diào)節(jié)器，在此情況下也就可以結(jié)合預(yù)定值以及實際一次側(cè)供回水壓差，實現(xiàn)對電動調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)，由此可以有效保障管網(wǎng)輸送冷熱量和用戶用能需求的匹配。

在水泵高效區(qū)間等阻力調(diào)節(jié)法的應(yīng)用下，可以將其作為是能源輸配系統(tǒng)的控制方案，在調(diào)節(jié)過程中，電動調(diào)節(jié)閥閥位始終保持在恒定設(shè)定值上下，所以針對系統(tǒng)中的各末端能源站不必再安裝自力式壓差閥，也有助于降低循環(huán)泵的揚程，在實際應(yīng)用中可以起到良好的節(jié)能效果。

2.3 循環(huán)水泵調(diào)節(jié)方法

在系統(tǒng)初步調(diào)試過程中，主要是針對不同支路靜壓平衡閥實施調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)對管路長度不一所致出現(xiàn)阻力差異問題的應(yīng)對，確保各末端電動調(diào)節(jié)閥始終保持在90-95%開度，也能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)計流量的滿足。在系統(tǒng)運行過程中，如果系統(tǒng)需求流量和系統(tǒng)正常工作最小流量相比偏小，也就需要實現(xiàn)對水泵壓差上下限和最小轉(zhuǎn)速的限定，如果在系統(tǒng)運行過程中確保是在恒壓差區(qū)間內(nèi)，具體即為圖4中的陰影部分;如果在系統(tǒng)運行過程中，需求流量和最小流量相比偏大情況下，結(jié)合水泵梁端壓差和系統(tǒng)流量也就可以實現(xiàn)對管網(wǎng)阻力數(shù)的計算，若這一數(shù)值和設(shè)定區(qū)間存在一定偏離，會對循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速起到降低作用，因為受到系統(tǒng)總流量降低的影響，不同末端電動調(diào)節(jié)閥開度也會隨之開發(fā)，進(jìn)而也就會降低系統(tǒng)阻力，通過多次以上調(diào)節(jié)能夠保障系統(tǒng)阻力恢復(fù)到設(shè)定區(qū)間，即為完成了整個調(diào)節(jié)過程。如果計算過程中，發(fā)現(xiàn)獲得的系統(tǒng)阻力是在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，即表示末端出風(fēng)溫度沒有達(dá)到設(shè)定要求，可以判定在這一階段中系統(tǒng)總流量非常小，相應(yīng)的對策即為對循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行加大，針對以上過程實施循環(huán)，直到可以實現(xiàn)對末端負(fù)荷要求的滿足。在調(diào)節(jié)過程中，所出現(xiàn)的電動調(diào)節(jié)閥、系統(tǒng)流量以及循環(huán)水泵變頻調(diào)節(jié)的改變是循序漸進(jìn)的，且整體保持平衡，因此能夠得到穩(wěn)定的管網(wǎng)水力工況，具有良好的應(yīng)用效果。

3? 結(jié)語

在本次研究中，所得結(jié)論主要為：

第一，探討了水泵的調(diào)節(jié)方式，即為可以針對水泵調(diào)節(jié)過程中，確保水泵運行處于高效區(qū)間。目前存在的調(diào)節(jié)方式主要為針對泵的性能曲線和管路阻力曲線實施改變，改變水泵的工況點，不但可以實現(xiàn)對水泵工藝要求的滿足，也有助于實現(xiàn)水泵的高效率運行。

第二，等阻力調(diào)節(jié)法在水泵高效區(qū)間中的應(yīng)用，在針對電動調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用下，也就可以實現(xiàn)對末端控制要求的滿足，進(jìn)而實現(xiàn)對系統(tǒng)總阻力的降低，降低循環(huán)水泵養(yǎng)成，另外也可以確保水泵運行始終處于高效區(qū)間，進(jìn)而取得良好的節(jié)能效果。

第三，在整個控制過程中，等阻力區(qū)間調(diào)節(jié)法屬于是漸進(jìn)式調(diào)節(jié)，即為需要提前設(shè)定合理的控制采樣周期，有助于取得良好的水力穩(wěn)定性。

第四，基于本質(zhì)分析，等阻力區(qū)間調(diào)節(jié)法即為變壓差控制方法之一，調(diào)節(jié)過程中需要反復(fù)計算和設(shè)定阻力數(shù)，對于控制效果，流量、閥門以及壓差等相關(guān)參數(shù)均可以對其產(chǎn)生影響。和傳統(tǒng)定壓差控制方法相比，等阻力區(qū)間調(diào)節(jié)法也必須要長期在實踐中應(yīng)用，以能夠?qū)ζ鋵嶋H應(yīng)用效果展開分析，充分認(rèn)識到其整體應(yīng)用價值。

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