礦井水泵并聯(lián)運(yùn)行流量增量的影響因素與相關(guān)問(wèn)題的探討

鄭振榮

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礦井水泵并聯(lián)運(yùn)行流量增量的影響因素與相關(guān)問(wèn)題的探討

鄭振榮

福能集團(tuán)漳平煤業(yè)公司文賓山煤礦

分析了水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)水泵特性曲線與管路阻抗對(duì)流量增量的影響，以及并聯(lián)可能出現(xiàn)的流量變化與超載問(wèn)題，闡述了不同水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)小水泵流量可能出現(xiàn)的變化趨勢(shì)。

水泵并聯(lián) 流量增量 水泵選擇

在實(shí)際排水系統(tǒng)中，水泵并聯(lián)運(yùn)行是把多臺(tái)水泵通過(guò)管路聯(lián)結(jié)在一起共享管路資源，減少管路工程的投資，這樣既可提高排水能力，又方便流量調(diào)節(jié)，因而在礦井中被廣泛采用。在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)水泵特性和管路阻抗的影響綜合考慮，選擇合適的水泵，以免出現(xiàn)流量增量過(guò)小，達(dá)不到實(shí)際要求。對(duì)于一個(gè)確定的管路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果對(duì)水泵選型不當(dāng)，即使水泵型號(hào)相同，也有可能出現(xiàn)兩臺(tái)（或多臺(tái)）并聯(lián)運(yùn)行與單臺(tái)運(yùn)行相比，流量增加卻很少的情況。當(dāng)選擇兩臺(tái)大小不同的水泵并聯(lián)時(shí)，小水泵輸出的流量可能很小，且隨裝置需要，揚(yáng)程曲線的變陡（即管路阻力損失變大），輸出流量進(jìn)一步減小，可能變?yōu)?或?yàn)樨?fù)值。因此，選擇相同水泵并聯(lián)應(yīng)考慮流量增量等影響因素，不同水泵并聯(lián)應(yīng)兼顧小水泵輸出的流量（本文只分析兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行情況）。

1 相同性能的水泵并聯(lián)中，水泵特性與管路阻抗對(duì)流量增量的影響

當(dāng)型號(hào)相同的兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如果兩臺(tái)水泵的揚(yáng)程相等，并聯(lián)水泵的流量—揚(yáng)程曲線就是在同一揚(yáng)程下流量相加，即橫向疊加法。水泵的流量—揚(yáng)程曲線Q～H與裝置的需要揚(yáng)程曲線Q～Hr的交點(diǎn)就是水泵在該裝置運(yùn)行中的工況點(diǎn)。

1.1 相同性能水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵特性對(duì)流量增量的影響

如圖1所示，曲線Ⅰ′為兩臺(tái)相同性能水泵Ⅰ（對(duì)應(yīng)曲線Ⅰ）并聯(lián)后的特性曲線，曲線Ⅱ′為兩臺(tái)相同性能水泵Ⅱ（對(duì)應(yīng)曲線Ⅱ）并聯(lián)后的特性曲線，從圖可知水泵Ⅰ的特性曲線較陡，水泵Ⅱ的特性曲線較平穩(wěn)。假如裝置的需要揚(yáng)程曲線Q～Hr正好通過(guò)水泵Ⅰ和水泵Ⅱ的特性曲線的交點(diǎn)M。從圖中可知流量增量ΔQⅠ＞ΔQⅡ。這說(shuō)明水泵的特性曲線越陡，流量增量越大，水泵并聯(lián)運(yùn)行的效果更好。反之，水泵的特性曲線越平穩(wěn)，流量增量越小，水泵并聯(lián)運(yùn)行效果不好。

圖1

圖1中，Q～Hr為裝置的需要揚(yáng)程曲線；Hst為裝置靜揚(yáng)程（上下水面的位置高差）。

1.2 裝置的需要揚(yáng)程（即管路阻抗）對(duì)流量增量的影響

如圖2所示，曲線Ⅰ+Ⅱ?yàn)樗芒窦八芒騼膳_(tái)并聯(lián)時(shí)的特性曲線，Q～Hr1、Q～Hr2分別是二條裝置的需要揚(yáng)程曲線，Q～Hr1比Q～Hr2管路阻抗大，從圖中可知流量增量ΔQⅡ＞ΔQⅠ，即管路阻抗越小，并聯(lián)的流量增量越大；相反，管路阻抗越大，并聯(lián)的流量增量越小。減小管路系統(tǒng)的阻抗，比如減少?gòu)濐^數(shù)量，增大彎頭角度，改用有底閥排水為無(wú)底閥排水等均可減少管路阻抗。裝置的需要揚(yáng)程曲線較平穩(wěn)的排水系統(tǒng)中，管路阻抗小，較適合于水泵的并聯(lián)運(yùn)行。因此在排水系統(tǒng)，管路阻抗小比阻抗大的并聯(lián)運(yùn)行效果更好。

圖2

2 啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可能出現(xiàn)的流量變化與超載問(wèn)題

對(duì)于兩臺(tái)及以上水泵并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)涌水量的多少，改變水泵開(kāi)啟的臺(tái)數(shù)，涌水量大時(shí)多開(kāi)，涌水量小時(shí)少開(kāi)。但是，如果水泵的并聯(lián)流量增量△Q過(guò)小，改變開(kāi)啟臺(tái)數(shù)時(shí)有可能造成水泵電機(jī)的超載。如圖3所示，并聯(lián)運(yùn)行工況為A，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的單機(jī)工況為B，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)的工況為C。顯然單臺(tái)運(yùn)行的流量QC大于并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的單機(jī)流量QB?！鱍=QA-QC越小，QC就越大。并且，并聯(lián)工況是設(shè)計(jì)工況，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的單機(jī)工況B應(yīng)在合理工作區(qū)即效率較高的區(qū)域，而單臺(tái)運(yùn)行工況C則往往偏離合理工作區(qū)，效率降低。△Q越小，C與B就相距越遠(yuǎn)，兩工況的效率差也就越大。因此，△Q的過(guò)小，將使C工況的軸功率大大超出B工況，在單臺(tái)運(yùn)行時(shí)有可能發(fā)生超載現(xiàn)象。

圖3

3 不同性能的兩臺(tái)水泵并聯(lián)中，流量變化趨勢(shì)分析

圖4繪出了兩臺(tái)離心泵的并聯(lián)裝置，圖中C點(diǎn)為兩臺(tái)出水管的并聯(lián)點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)分別為泵Ⅰ和泵Ⅱ吸水管的進(jìn)口端，D點(diǎn)為共用出水管的出口端。該圖為兩臺(tái)性能不同水泵并聯(lián)工作的布置及性能曲線圖，圖中的曲線Ⅰ、Ⅱ?yàn)閮杀酶髯缘腝～H曲線。

當(dāng)不同性能的兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于兩臺(tái)水泵的型號(hào)不同，兩臺(tái)水泵的性能曲線也就不同。若管路布置不對(duì)稱(chēng)，并聯(lián)節(jié)點(diǎn)前管路的水頭損失不相等，兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)每臺(tái)水泵工作點(diǎn)的揚(yáng)程也不相等。并聯(lián)后流量—揚(yáng)程曲線的繪制不能簡(jiǎn)單地直接采用橫向疊加法，通過(guò)下面簡(jiǎn)要處理后即可采用橫向疊加法。

圖4

由于水泵的工作揚(yáng)程應(yīng)等于裝置的需要揚(yáng)程。通過(guò)管路ACD的水流需要泵Ⅰ提供的揚(yáng)程為：

HrⅠ= Hst +SACQ2Ⅰ+SCDQ2

同理，通過(guò)管路BCD的水流需要泵Ⅱ提供的揚(yáng)程為：

HrⅡ= Hst + SBCQ2Ⅱ+ SCDQ2

上面式中Hst為裝置靜揚(yáng)程（上下水面的位置高差）。SAC、SBC、SCD分別為AC、BC、CD管路的阻力參數(shù)，把上式子改為：

HrⅠ′= HrⅠ- SACQ2Ⅰ=Hst+ SCDQ2

HrⅡ′= HrⅡ- SBCQ2Ⅱ=Hst+ SCDQ2

那么可以看出HrⅠ′= HrⅡ′= Hr′。這樣處理相當(dāng)于想象地把兩泵放大，把水泵吸水管的進(jìn)口看成泵的進(jìn)口，把泵的出口延伸到并聯(lián)點(diǎn)，也就是將并聯(lián)點(diǎn)前的管路阻力損失當(dāng)成泵內(nèi)的水力損失，HrⅠ′和HrⅡ′即為兩假想大泵在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的揚(yáng)程。這樣就可以運(yùn)用裝置性能曲線法，從水泵的性能曲線減去并聯(lián)點(diǎn)前的管路阻力損失得到圖4虛線Ⅰ′、Ⅱ′所示的假想大泵的Q-H曲線。由于兩假想大泵具有相同的揚(yáng)程，因此可以采用等揚(yáng)程下的流量橫加的方法（即橫向疊加法）得到兩泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)總Q-H′曲線，如圖4中虛線Ⅰ′+Ⅱ′所示。接著再按Hr′=Hst+SCDQ2繪出裝置需要揚(yáng)程曲線，得到與虛線Ⅰ′+Ⅱ′的交點(diǎn)A，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量QA即為兩泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的總流量。過(guò)點(diǎn)A作橫坐標(biāo)的平行線與虛線Ⅰ′、Ⅱ′的交點(diǎn)A1′、A2′，再分別過(guò)A1′、A2′點(diǎn)作垂線與兩泵的性能曲線分別交于A1、A2點(diǎn)，該兩點(diǎn)即為每臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)。

兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)水泵的工況點(diǎn)A1、A2分別位于每臺(tái)水泵各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)B1、B2的左側(cè)，由此可知：

QA1＜QB1，QA2＜QB2，即并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各臺(tái)水泵的流量小于各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的流量,表明水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的總流量QA小于每臺(tái)各自單獨(dú)工作時(shí)的流量之和，即QA=（QA1+QA2）＜（QB1+QB2），其流量減小的程度隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增多，管路阻力曲線陡度的增大而增大。

特別要注意的是，若當(dāng)兩臺(tái)大小不同的泵并聯(lián)時(shí)，小泵輸出的流量很小，且隨裝置需要揚(yáng)程曲線的變陡（即管路阻力損失變大）輸出流量進(jìn)一步減小，當(dāng)裝置需要揚(yáng)程曲線與總流量～揚(yáng)程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點(diǎn)位于M點(diǎn)時(shí)（如圖4），水泵的流量等于0；而當(dāng)裝置需要揚(yáng)程曲線與總流量～揚(yáng)程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點(diǎn)位于M點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，水泵的流量為負(fù)值，此時(shí)兩泵并聯(lián)運(yùn)行不但不能增加流量，反而會(huì)減小輸出流量。為避免這種情況，應(yīng)盡量選擇性能相同的水泵并聯(lián)。

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的離心泵，有PA1＜PB1、PA2＜PB2，即并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各臺(tái)離心泵的功率小于每臺(tái)泵各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的功率，因此，要根據(jù)水泵單獨(dú)工作時(shí)可能出現(xiàn)的最大功率來(lái)選配電動(dòng)機(jī)，以免水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)過(guò)載。

4　水泵并聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）水泵并聯(lián)應(yīng)盡量采用相同水泵性能，以防止小水泵輸出的流量很小或流量為0甚至變?yōu)樨?fù)值。

（2）盡量不要采用性能曲線太平穩(wěn)的水泵并聯(lián)，同時(shí)注意要減小管路阻抗。

（3）如果水泵的并聯(lián)流量增量過(guò)小，改變開(kāi)啟臺(tái)數(shù)時(shí)有可能造成水泵電機(jī)的超載。

（4）水泵選型時(shí)不能只考慮并聯(lián)工況，必須校核單臺(tái)運(yùn)行工況，流量是否能夠滿(mǎn)足調(diào)節(jié)要求，以及是否有超載的可能。

（5）水泵的選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使并聯(lián)運(yùn)行和單臺(tái)運(yùn)行，都能在高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

（6）并聯(lián)水泵不宜太多，建議不超過(guò)5臺(tái)，以避免水泵在高效率區(qū)外運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

水泵并聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮水泵的性能曲線及管路特性曲線的綜合影響。如果選型時(shí)不考慮水泵的特性曲線，將會(huì)引起并聯(lián)后流量增量不大，不能通過(guò)并聯(lián)使流量大幅度地提高，也不能通過(guò)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的增減有效地調(diào)節(jié)流量。同時(shí)應(yīng)盡可能減小管路系統(tǒng)的阻抗，因?yàn)楣苈沸阅芮€平穩(wěn)比性能曲線陡的排水系統(tǒng)中水泵并聯(lián)運(yùn)行的效果更好。建議水泵并聯(lián)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用相同水泵性能。

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