基于圖解法的泵旁路調(diào)節(jié)原理及優(yōu)化

江文豪,岳建華,韋紅旗

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096;2.北京國華電力技術(shù)研究中心有限公司,北京 100069）

基于圖解法的泵旁路調(diào)節(jié)原理及優(yōu)化

江文豪1,岳建華2,韋紅旗1

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096;2.北京國華電力技術(shù)研究中心有限公司,北京 100069）

因外界負(fù)荷的變化,泵經(jīng)常在變工況下運(yùn)行,所以,需要對泵的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。旁路調(diào)節(jié)作為流量調(diào)節(jié)的一種方式,主要用于泵的小流量保護(hù)以及母管壓力受限系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)等?，F(xiàn)采用圖解分析的方式,介紹了泵旁路調(diào)節(jié)的原理和方法,提出了兩種調(diào)節(jié)方案;針對水泵的旁路系統(tǒng),分別考慮“小流量保護(hù)”及“母管壓力限制”兩種因素,對旁路調(diào)節(jié)的不同方案進(jìn)行了研究比較,得到最優(yōu)運(yùn)行方案,并結(jié)合電廠運(yùn)行實(shí)例進(jìn)行了分析。

泵;旁路調(diào)節(jié);流量;圖解;原理分析;優(yōu)化;方案

1 概 述

泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。城市供水排水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)設(shè)備用水都要用到泵。因外界負(fù)荷的不斷變化,致使泵常在變工況下運(yùn)行。由于泵在小流量運(yùn)行時(shí)很不穩(wěn)定,可能產(chǎn)生汽化,尤其是對于輸送熱流體的泵(如鍋爐給水泵）,在小流量工況下,容易產(chǎn)生汽蝕,危及整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行,采用旁路調(diào)節(jié)可以防止汽蝕的發(fā)生。由于材料的原因,母管所能承受的壓力有限,當(dāng)母管內(nèi)壓力超過上限時(shí),可能會(huì)發(fā)生爆管現(xiàn)象,可通過旁路調(diào)節(jié)來避免爆管情況的發(fā)生;對于具有下降功率與流量關(guān)系曲線的泵(如旋渦泵和軸流泵）,在低流量時(shí)功耗反而大,采用旁路調(diào)節(jié)可以減小功耗,提高經(jīng)濟(jì)性。旋渦泵不能采用出口閥門而只能通過旁路調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)流量;往復(fù)泵也可以通過改變旁路閥門的開度,以增減泵出口回流到進(jìn)口處的流量,調(diào)節(jié)進(jìn)入管路系統(tǒng)的流量。

因此,掌握旁路調(diào)節(jié)的原理和方法,有助于實(shí)現(xiàn)泵的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。現(xiàn)采用圖解的方式講述旁路調(diào)節(jié)的基本原理,并通過對比不同的方案來確定泵的最優(yōu)運(yùn)行方案,經(jīng)濟(jì)性,該方法形象直觀,也簡單實(shí)用。

2 旁路調(diào)節(jié)原理

2.1 旁路調(diào)節(jié)基本原理

旁路調(diào)節(jié)的系統(tǒng)圖如圖1所示,水泵將吸水池A中的水通過吸入管1吸入,并經(jīng)過管路2輸送至水箱B,管路2上安裝有調(diào)節(jié)閥門Vb。在泵出口處設(shè)一旁路分流管3,與吸水池相連,分流管上裝有閥門Vr。

圖1 泵旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖

用圖解法解釋旁路調(diào)節(jié),需預(yù)先把管路1看成泵的組成部分,將泵本身與管路1合并成1臺(tái)假想的泵,稱為“當(dāng)量泵”(如果管路1很短,流動(dòng)阻力系數(shù)很低,可以不作這樣處理）,處理方法如下:

假如泵本身性能曲線為圖2中的 H～qv、Psh～qv、η～qv,管路1的阻力特性曲線為圖2中的Hc1～qv(Hc1只包括管路1的沿程阻力與局部阻力）,則“當(dāng)量泵”的揚(yáng)程性能曲線為圖2中的 Hq～qv,軸功率性能曲線仍為Psh～qv,而效率曲線將發(fā)生變化(如果有具體的坐標(biāo)數(shù)值,就可以根據(jù)泵效率的定義計(jì)算得出）。

得到當(dāng)量泵的揚(yáng)程性能曲線H 1～qv后,再依據(jù)此曲線進(jìn)行旁路調(diào)節(jié),其基本示意圖如圖2所示。假設(shè)用戶所需流量為qvx,閥門Vb與V r同時(shí)調(diào)節(jié),一定的Vb度對應(yīng)著一定的Vr開度,使得管路2的流量達(dá)到qvx。Vb與Vr對應(yīng)關(guān)系的確定過程如下:由Vb開度對應(yīng)的管路2特性曲線Hc2～qv和用戶

圖2 旁路調(diào)節(jié)基本示意圖

流量qvx得到管路2的工作點(diǎn)X點(diǎn)(見圖2）,過X點(diǎn)引水平線,與泵的揚(yáng)程性能曲線相交得到泵的工作點(diǎn)A點(diǎn),然后按等揚(yáng)程下流量分配原則(此時(shí)流過旁路的流量為qva-qvx）得到旁路工作點(diǎn)B,從而可得此時(shí)旁路閥門Vr的開度,即閥門流量特性曲線Hc3～qv對應(yīng)的開度(不同閥門的流量特性曲線不同,此處為示意圖）。

2.2 小流量保護(hù)下的旁路調(diào)節(jié)

對于有最小流量限制的系統(tǒng),旁路調(diào)節(jié)原理圖如圖3所示。圖3中 H1～qv為泵的揚(yáng)程性能曲線;Psh～qv為其軸功率性能曲線;HstBA表示吸入液面A至排出液面B的靜壓頭;qv min p為泵的穩(wěn)定工作最小流量;曲線1為閥門Vb全開時(shí)管路2的特性曲線,它與H 1～qv的交點(diǎn)為M,對應(yīng)的流量就是管路2中的最大流量qv max2。

圖3 小流量保護(hù)旁路調(diào)節(jié)原理圖

當(dāng)管路2中所需流量介于qv min p～qv max 2之間時(shí),調(diào)整閥門Vb開度即可。如果旁路不投用又要保證泵穩(wěn)定、可靠運(yùn)行,閥門Vb的開度應(yīng)介于曲線1和曲線2對應(yīng)的開度之間。

當(dāng)管路2中所需流量小于qv m in p(假設(shè)為qv x）時(shí),應(yīng)開啟旁路,有兩種調(diào)節(jié)方案:

方案1:閥門Vb仍保持曲線2對應(yīng)的開度,則管路2的工作點(diǎn)為點(diǎn) A,過點(diǎn) A引水平線,與揚(yáng)程性能曲線相交得到泵的工作點(diǎn)D,由流量分配可得此時(shí)旁路的流量為qvd-qvx,從而得到旁路工作點(diǎn)為點(diǎn)C,故應(yīng)將旁路閥門Vr應(yīng)開啟到圖中曲線a對應(yīng)的開度。此時(shí)將管路2和旁路3合并看成一條管路的特性曲線(為圖3中的2+a曲線）,泵的工作點(diǎn)為圖3中的D點(diǎn),泵的流量為qvd,管路2的流量為qv x,旁路3的流量為qvc(即qvd-qvx）,泵的軸功率為Psh d。

本文針對FJSP提出一種有效的改進(jìn)鄰域結(jié)構(gòu)混合算法。在同機(jī)器移動(dòng)工序方面，對無效移動(dòng)進(jìn)行了精簡，對有效移動(dòng)進(jìn)行了擴(kuò)展，提高了鄰域結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性和有效性。同時(shí)，給出了鄰域結(jié)構(gòu)中，針對同機(jī)器移動(dòng)工序和跨機(jī)器移動(dòng)工序的快速近似評價(jià)方法，為進(jìn)一步研究FJSP新的鄰域結(jié)構(gòu)以及結(jié)合問題領(lǐng)域知識(shí)的搜索方法提供了借鑒。在未來的研究中，所提出的鄰域結(jié)構(gòu)可以融合其他智能算法，用于求解基礎(chǔ)型FJSP，以及各種類型的FJSP擴(kuò)展型問題，從而進(jìn)一步提升算法的求解性能。

方案2:在方案1的基礎(chǔ)上繼續(xù)關(guān)小閥門Vb,由于泵的出口能頭提高,導(dǎo)致泵的流量減小,要使管路2中流量仍為qvx,應(yīng)相應(yīng)關(guān)小旁路閥門Vr。閥門Vb與Vr有多種組合可以實(shí)現(xiàn)用戶流量需求。Vb最小只能關(guān)小到圖3中曲線3對應(yīng)的開度,此時(shí)Vr應(yīng)關(guān)到圖3中曲線b對應(yīng)的開度。如果再關(guān)小Vb,則管路2的工作點(diǎn)位于E點(diǎn)左方,故管路2流量達(dá)不到qv x,而且泵的流量將小于最小流量qv m in p(管路2和旁路3的流量總和達(dá)不到qv m in p）。這時(shí)泵的工作點(diǎn)為N點(diǎn)(即泵的穩(wěn)定工作最小流量點(diǎn)）,泵的流量為qvminp,管路2的流量為qvx,旁路3的流量為qv f(即qv min p-qvx）,泵的軸功率為Pshn。

因此,要滿足用戶流量qvx的要求,閥門Vb只能在曲線2和曲線3對應(yīng)的開度之間進(jìn)行調(diào)整;與此對應(yīng),旁路閥門泵Vr在曲線a和曲線b對應(yīng)的開度之間進(jìn)行調(diào)整。

如果沒有最小流量限制,也不開啟旁路,而只采用出口節(jié)流調(diào)節(jié),則管路2中所需流量為qvx時(shí),泵的工作點(diǎn)為圖中X點(diǎn),軸功率為 Psh x。可見,同樣滿足管路2中流量為qvx的要求,旁路調(diào)節(jié)與節(jié)流調(diào)節(jié)相比,兩者軸功率的差值 ΔP為:對于上述假設(shè)①,ΔP=Pshd-Pshx;對于上述假設(shè)②中極限情況,ΔP=Pshn-Pshx;對于其他情況,ΔP 介于 Psh d-Pshx和Pshn-Pshx之間。因此,旁路調(diào)節(jié)存在一個(gè)最優(yōu)方案,不同情況下該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不同,這需要結(jié)合泵的軸功率等性能參數(shù)來綜合考慮。

2.3 母管承壓受限系統(tǒng)的旁路調(diào)節(jié)

由于材料的限制,供水母管所能承受的壓力有限。當(dāng)母管內(nèi)壓力超過上限時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆管現(xiàn)象,應(yīng)避免這種情況發(fā)生。

假設(shè)泵出口母管C處(見圖1）最高工作壓力為p max(Pa）,則“當(dāng)量泵”的最高揚(yáng)程為:

式中vc為流體在出口母管C處的流速,zA、zC分別為吸水面、出口母管最低點(diǎn)的標(biāo)高(m）;pA為吸入液面的靜壓(Pa）。

對于母管承壓受限的系統(tǒng),旁路調(diào)節(jié)原理圖如圖4所示。

圖4 母管高壓受限系統(tǒng)的旁路調(diào)節(jié)原理圖

由于和前面小流量保護(hù)旁路調(diào)節(jié)原理基本相同,這里不再詳細(xì)說明,只給出一些結(jié)果:

(2）母管最高工作壓力設(shè)定的越低,則必須開啟旁路時(shí)的用戶流量就越大,即圖4中的qvn越大。

(3）如果用戶所需流量小于qvn(如圖4中qvx）,則必須投用旁路,此時(shí)有兩種方案:

方案1:管路2中的閥門Vb保持圖中曲線2對應(yīng)的開度,閥門Vr開至曲線a對應(yīng)的開度。

方案2:閥門Vb與Vr同時(shí)關(guān)小。極限情況為Vb關(guān)小到圖4中曲線3對應(yīng)的開度(再關(guān)小,會(huì)使母管超壓,或使用戶流量達(dá)不到qv x）,而旁路閥門V r相應(yīng)地開到圖4中曲線b對應(yīng)的開度。這時(shí)母管壓力正好是其最高工作壓力,泵的工作點(diǎn)為圖4中的N點(diǎn),泵的流量為qvn,軸功率為Pshn。

3 旁路調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)上述分析以及泵的基本運(yùn)行原理可以得出,與節(jié)流調(diào)節(jié)相比:

(1）在滿足系統(tǒng)流量的條件下,對于軸功率是隨流量增大而逐漸上升的泵(如大多數(shù)離心泵）,旁路調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性低于節(jié)流調(diào)節(jié),應(yīng)當(dāng)盡量不開旁路,或開小旁路。

(2）對于軸功率隨流量增大而逐漸降低的泵(如大多數(shù)軸流泵）,旁路調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于節(jié)流調(diào)節(jié),應(yīng)盡量開啟旁路并開大旁路。

(3）對于軸功率隨流量變化不大的泵(如一些混流泵）,旁路開大、開小對軸功率影響很小,因此在主要用途所需流量減小時(shí),可以在泵出口管路上將水流引作它用,從而減小這部分系統(tǒng)中泵的功率消耗。

4 實(shí)例分析

現(xiàn)以某電廠水源地取水系統(tǒng)為例,對水泵的旁路調(diào)節(jié)進(jìn)行分析。該電廠的水源地取水系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 某電廠水源地取水系統(tǒng)示意圖

圖中2、3兩點(diǎn)的標(biāo)高大致相等,2點(diǎn)處引出一些用水管路,這些水量相對較小,對水壓也沒有太高要求,取水系統(tǒng)的主要用途是向水箱B供水,水箱B的水位通過圖5中的閥門Vb來控制。

供水主管路是水泥預(yù)制管,有最高壓力限制,同時(shí)供水管路要翻越山坡,為防止供水管最高處出現(xiàn)負(fù)壓、漏入空氣,母管壓力也不能過低。

該水泵為離心式水泵,圖6中的 H～qv及Psh～qv為其揚(yáng)程及軸功率性能曲線,曲線1為供水母管的管路特性曲線。將水泵與系統(tǒng)圖中水源 A至旁路入口點(diǎn)1之間的管路合并成“當(dāng)量泵”,得到該“當(dāng)量泵”的揚(yáng)程性能曲線H1～qv。

由圖6可見,供水系統(tǒng)最大流量工作點(diǎn)為圖中“當(dāng)量泵性能曲線”與“母管特性曲線”的交點(diǎn)M,對應(yīng)流量為2680m3/h,母管壓頭為42.1m(壓力為0.4138MPa）。而最小流量工作點(diǎn)為圖6中“當(dāng)量泵性能曲線”與“母管高壓限制線”交點(diǎn)B,對應(yīng)的流量為2435m3/h,母管壓頭為43.7m(壓力為0.428 6MPa）。即母管供水量在2435～2680m3/h范圍內(nèi)可以不開啟旁路。當(dāng)母管流量小于2 435m3/h時(shí),必須開啟旁路,調(diào)節(jié)過程如圖6所示,此時(shí)有兩種調(diào)節(jié)方案(假設(shè)所需給水流量為1600m3/h）:

方案1:閥門Vb開度仍然保持曲線2對應(yīng)開度,將旁路閥門Vr打開并逐漸開至曲線a對應(yīng)開度,此時(shí)旁路流量為1660m3/h,最終給水流量為1 600m3/h,泵的工作點(diǎn)為A,流量為3260m3/h,軸功率為336.1 kW;

方案2:在方案1的基礎(chǔ)上將Vb關(guān)小,與此同時(shí)將Vr也關(guān)小。每個(gè)Vb開度均對應(yīng)一個(gè)Vr開度,使主給水流量為1600m3/h。Vb最小可關(guān)至曲線3對應(yīng)開度,此時(shí)旁路關(guān)小至曲線b對應(yīng)開度,旁路流量為835m3/h。此時(shí)泵的工作點(diǎn)為圖6中的B點(diǎn),泵的流量即為最小工作流量2 435m3/h,軸功率為319.1 kW,比方案1節(jié)省17kW的軸功率。

可見,對于離心式水泵,方案2比方案1更節(jié)能。且用戶所需流量越小,則方案1中的水泵工作點(diǎn)對應(yīng)流量越大,水泵耗功越大,而方案2中的水泵工作點(diǎn)可始終保持為點(diǎn)B,因此,流量越小則節(jié)能空間越大。

由此可知,旁路調(diào)節(jié)存在最優(yōu)方案,掌握旁路調(diào)節(jié)的原理有助于實(shí)現(xiàn)泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。方案1是運(yùn)行人員習(xí)慣的調(diào)節(jié)方式,但不是最經(jīng)濟(jì)的。對于離心泵,旁路調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)當(dāng)采用方案2,在滿足主給水流量的前提下,盡量將出口閥門和旁路閥門關(guān)小,使水泵的工作點(diǎn)接近最小流量工作點(diǎn)(或使母管壓力始終維持在高壓限制值上）,這樣才能使水泵功耗最小。而軸流泵則相反,采用方案1的經(jīng)濟(jì)性要好于方案2。

5 結(jié)束語

采用形象直觀的圖解分析方式從管路并聯(lián)角度出發(fā),介紹了旁路調(diào)節(jié)的原理和方法,提出了兩種調(diào)節(jié)方案;分別考慮了“小流量保護(hù)”及“母管壓力限制”兩種因素,對旁路調(diào)節(jié)的不同方案進(jìn)行了研究比較,最終得到優(yōu)化運(yùn)行方案。通過某電廠供水系統(tǒng)實(shí)例,定量分析了旁路調(diào)節(jié)優(yōu)化運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性。該方法簡單實(shí)用,結(jié)合泵的性能曲線,能很快得出旁路調(diào)節(jié)的最優(yōu)方案,在工程上有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1]Igor J.Karassik.泵手冊[M].北京:中國石化出版社,2003.268-358.

[2]陳乃祥,吳玉林.離心泵[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.80-81.

[3]沙毅,聞建龍.泵與風(fēng)機(jī)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2005.151-152.

The Principle and Optim ization of BypassControl for Pump based on Graphic Method

JIANGW enhao1,YUE Jianhua2,W EIHongqi1
(1.School of Energy&Environment,Southeast University,Nan jing,210096,China;2.Beijing Guohua Electric Power Technology Research Center Co.,Ltd.,Beijing,100069,China）

Due to the change of ex ternal load,pump often runs in different working conditions.The flow of pump shall then be ad justed.As a w ay of regu lating the flow of pump,bypass control ismainly used for protecting the pump w ith small-flow and regulating the system whose main-pipeline p ressure is lim ited.In this article,the theory and approach of bypass control has been elaborated through graphicmode and tw o solutions been proposed.Besides,in allusion to twofac tors that include small-flow p rotection and main-pipeline p ressure lim itation,different schemes of pass control have been studied in combination with a plant examp le,and an optimized scheme has finally been obtained.

pump;bypass control;flow;graphic method;principal analysis;optim ization;scheme

TH3

A

1672-0210(2010）01-0026-04

2010-01-11

2010-03-01

江文豪(1986-）,男,江西貴溪人,碩士研究生,主要從事研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的性能分析及優(yōu)化運(yùn)行。