確定管路特性曲線方程的方法

魏化強

(山鋼集團濟南分公司，山東 濟南 250100)

確定管路特性曲線方程的方法

魏化強

(山鋼集團濟南分公司，山東 濟南 250100)

水泵用途廣泛、保有量大，電力消耗約占生產(chǎn)企業(yè)能源動力成本的10%～30%,如何降低成本是每個生產(chǎn)企業(yè)深入研究的問題。一方面由于設計時高估實際需求的流量與揚程，另一方面，隨著后端工藝的調(diào)整、優(yōu)化，本身降低了實際需求，如果不對原有水泵進行降低運行參數(shù)的節(jié)能改造，勢必形成"大馬拉小車"現(xiàn)象，造成能源浪費，成本增加。本文詳細介紹了節(jié)能改造前，利用現(xiàn)有有限資料與現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定連接水泵的管路的曲線方程的方法。

泵特性曲線及方程;管道特性曲線及方程;管路綜合阻力參數(shù)

如圖 1所示，是一個典型的離心泵供液系統(tǒng)，其進口側通常管路由底閥、進口管段、彎頭、進口管變徑、進口閥等部件組成；出口側管路通常由出口管變徑、出口管段、止回閥、出口調(diào)節(jié)閥、出口切斷閥、彎頭、用戶以及管網(wǎng)等組成。其中底閥用于液面低于泵中心線，不具備自然灌泵條件的泵，是為了防止介質(zhì)倒流至池，提供必須的灌泵條件而安裝的；進口管變徑是為了給流體創(chuàng)造最佳的進泵條件以及方便配管，降低水力損失；進口閥門主要為了檢修時切斷介質(zhì)所用；出口管變徑主要是為了使泵速度水頭轉化為壓力水頭，提供介質(zhì)的推動力以及方便配管；止回閥是為防止突然停泵或下游突然關閉閥門產(chǎn)生水擊現(xiàn)象對泵產(chǎn)生破壞等不利影響而設置的；出口調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)流量與壓力管件，其大部分時間處于開啟狀態(tài)，因此對嚴密性要求較低；出口切斷閥是為檢修時能夠隔離介質(zhì)而設的，對嚴密性能要求較高，泵運行時其為全開狀態(tài)。可見，整個供液可通過調(diào)節(jié)出口調(diào)節(jié)閥開度大小來調(diào)節(jié)主管上流量與壓力，其余部件水力特性不變。為了調(diào)節(jié)可視化與便于檢測，泵系統(tǒng)一般配備有進口壓力表、出口壓力表、主管壓力表以及流量表等必要的測量設備。

1.底閥;2.進口管段;3.進口閥;4.進口彎頭;5.進口管變徑;6.進口壓力表;7.泵;8.出口壓力表;9.止回閥;10.出口調(diào)節(jié)閥;11.出口切斷閥;12.主管壓力表;13.出口彎頭;14.流量表;15.用戶;16.管網(wǎng);17.池

圖1 一般泵及管路供液系統(tǒng)的組成

2 管道特性曲線及方程數(shù)學模型的建立[1-4]

為方便敘述，在不影響問題本質(zhì)前提下，將泵輸送的介質(zhì)假定為水。如圖 1所示，設泵進水口、出水口、主管上壓力依次為P1、P2、P3，主管上流量為Q由于其進水側管路上的底閥、進水管端、彎頭、進水管變徑、進水閥等管件均為串聯(lián)連接，所以假設其阻力綜合參數(shù)之和為K'1；出水側管路通常由出水管變徑、出水管段、止回閥、出水切斷閥、彎頭、用戶設備以及管網(wǎng)等水力部件組成，對于一個生產(chǎn)穩(wěn)定生產(chǎn)的常態(tài)系統(tǒng)，其各自的阻力綜合參數(shù)保持不變，它們之間也是串聯(lián)連接，設定其阻力綜合參數(shù)之和為K'2；由于出水調(diào)節(jié)閥開度是可調(diào)節(jié)大小的，假設其綜合阻力參數(shù)為變量K.令：

K0=K'1+K'2

(1)

將K0定義全管路綜合阻力參數(shù)，則管路特性曲線方程為：

H=H0+ K'1Q2+KQ2+ K'2Q2=H0+(K0+K)Q2

(2)

對于簡單管路系統(tǒng)，H0通過實地測量可知，K0可通過分析管路串并聯(lián)關系，查閱手冊，再利用水力學疊加原則計算得知。然而現(xiàn)在企業(yè)中管路連接復雜，特別是用戶設備如換熱器、精餾塔等化工設備的阻力特性難以用公式表達，即使用公式計算出，可靠性仍差，偏離實際情況，缺乏實用價值。因此，一般地認為H0、K0為未知常量，K為未知變量。我們需要對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)試驗，利用系統(tǒng)安裝的儀表測量，得到兩組參數(shù)后，代入式2計算得出。記錄正常生產(chǎn)的循環(huán)水系統(tǒng)的各個壓力值與流量大小，視為第一組數(shù)據(jù)。對于正在運行的生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是循環(huán)水系統(tǒng)，其用戶基本上都是各種換熱器設備，試驗水量小于正常量一般是不允許的。因此，調(diào)節(jié)試驗時，要把系統(tǒng)流量調(diào)大，即將調(diào)節(jié)閥門開度增大，得到另一組參數(shù)。假定正常生產(chǎn)時為狀態(tài)1，則各對應參數(shù)為P11、P21、P31、Q1，出口調(diào)節(jié)閥阻力綜合參數(shù)為K1，水頭損失為H1；將閥門開大后，假定此時為狀態(tài)2，則各對應參數(shù)為P12、P22、P32、Q2，出口調(diào)節(jié)閥阻力綜合參數(shù)為K2，水頭損失為H2。兩種狀態(tài)下，全管路綜合阻力參數(shù)K0值不變。所以有：

H1=H0+(K0+K1)Q12

H2=H0+(K0+K2)Q22

(3)

對于兩種狀態(tài)下的水泵，則有如下關系式：

H1= (P21-P11)/ρg；H2= (P22- P12)/ρg；

(4)

對于兩種狀態(tài)下的出水調(diào)節(jié)閥門則有如下關系式：

在相同熱流密度的情況下，最大熱應力σ隨微通道分支數(shù)n的增大而減小。當熱流密度為55W/cm2時，微通道分支數(shù)為n =8，與n=3、4、6時的最大熱應力相比，分別降低29.9%、20.4%、8.2%，降低了0.12、0.072、0.025GPa。

K1Q12=(P31-P21)/ρg

K2Q22=(P32-P22)/ρg

(5)

式中：ρ——密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2

將式4、式5代入式3后并簡化得出：

(2P22-P12-P32)/ρg=H0+K0Q22

(6)

將兩組現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)代入式6，聯(lián)立可求得H0與K0。將H0與K0代入式2：H=H0+(K0+K)Q2，便可得出其管路特性曲線。特別的，當將出水閥門全開，也即K≈0時，管路特性曲線方程為：

H=H0+K0Q2

(7)

3 結語

式6給出了依靠泵組自帶的壓力與流量表，就能推導出管路特性曲線方程的方法。理論上，管路特性曲線形態(tài)是一條較嚴格的二次拋物線。該方法克服理論上不能準確計算管路特征曲線中阻力綜合參數(shù)的弊病，用實驗加理論的方法給予解答。

結合水泵樣本給出的泵特性曲線，在同一坐標圖中繪制這兩條曲線，便可考量某一具體水泵的節(jié)能潛力與方向，為下一步節(jié)能改造奠定計算基礎。

[1] 郭立君，何 川.泵與風機[M].3版..北京：中國電力出版社，2004.

[2] 沈陽水泵研究所.葉片泵設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1983.

[3] 張也影.流體力學[M].2版.北京：高等教育出版社，1999.

[4] 校力波.一種確定水泵工況點的新方法[J].世界采礦快報.1999 (8):40-43.

(本文文獻格式：魏化強.確定管路特性曲線方程的方法[J].山東化工，2016，45(14)：83-84.)

2016-05-16

魏化強(1984-)，安徽宿州人，大學本科，工程師，主要從事、泵類、制冷設備及其他煤化工設備的管理與維護工作。

TH311

A

1008-021X(2016)14-0083-02