離心泵性能分析及能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究

楊海瑞 郝嬌 李睿 陳浩 常舒磊

摘要：離心泵設(shè)備廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其性能分析與研究對(duì)于節(jié)能具有重要意義。研究開(kāi)發(fā)離心泵性能分析及能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立數(shù)學(xué)模型，確定計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的邏輯框架，提出離心泵、電機(jī)反饋選型優(yōu)化的邏輯擴(kuò)展，以期為離心泵節(jié)能改造提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心泵;性能分析;能效評(píng)價(jià);系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2020）03-0025-03

離心泵具有轉(zhuǎn)速高、體積小、質(zhì)量輕、揚(yáng)程高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能平穩(wěn)、容易操作與維修等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，離心泵是主要的排灌機(jī)械，需求量很大。離心泵是消耗電能的主要設(shè)備，有效降低其能源消耗是生產(chǎn)企業(yè)和使用單位追求的一項(xiàng)重要目標(biāo)。目前普遍使用的離心泵性能測(cè)試系統(tǒng)多為功能單一的性能參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，本課題在傳統(tǒng)的性能測(cè)試系統(tǒng)中融入串并聯(lián)分析和先進(jìn)的能效評(píng)價(jià)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種新型離心泵性能分析及能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)，既可以對(duì)離心泵機(jī)組進(jìn)行常規(guī)的性能參數(shù)測(cè)試，也可以進(jìn)行串并聯(lián)性能分析，還可以擴(kuò)展進(jìn)行能效評(píng)價(jià)分析，適用于離心泵生產(chǎn)及使用的節(jié)能改造。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由離心泵裝置、數(shù)據(jù)采集及計(jì)算機(jī)處理3個(gè)部分組成。在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了加入現(xiàn)有的性能曲線測(cè)定技術(shù)外，還加入了串并聯(lián)分析和智能的能效評(píng)價(jià)技術(shù)。離心泵裝置的工藝管路設(shè)置2臺(tái)同型號(hào)離心泵，配以相應(yīng)的流量、壓力、功率等測(cè)量?jī)x表對(duì)裝置的監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)閥門控制實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的串并聯(lián)操作，將各流量下采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組的各種能效評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)信息分為輸入數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)兩種。輸入數(shù)據(jù)是指需要手動(dòng)輸入的相關(guān)重要參數(shù)，包括介質(zhì)參數(shù)、裝置尺寸（如吸入口直徑與排出口直徑、吸入口與排出口位高差等），以及離心泵、電機(jī)等額定信息參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以累積形成數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取所需設(shè)備信息。測(cè)量數(shù)據(jù)是指通過(guò)各種參數(shù)測(cè)量?jī)x表所采集的數(shù)據(jù)信息，包括壓力、流量等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)機(jī)械式儀表讀取，也可以通過(guò)電子儀表和DCS系統(tǒng)直接進(jìn)行采集。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 性能曲線測(cè)定

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)泵在定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速下的性能曲線測(cè)定。1） 在定轉(zhuǎn)速下，通過(guò)調(diào)整離心泵出口閥來(lái)改變泵流量，同時(shí)測(cè)定各工況下離心泵的進(jìn)出口壓力、功率等參數(shù)，從而在計(jì)算機(jī)中繪制離心泵揚(yáng)程、功率、效率的性能曲線。2） 調(diào)節(jié)變頻器，測(cè)量單臺(tái)泵在不同轉(zhuǎn)速下的流量、進(jìn)出口壓力、功率等參數(shù)，繪制離心泵在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線。

下面介紹具體的邏輯運(yùn)算流程。

1） 介質(zhì)在泵中流速的計(jì)算公式：

Cs=Q

Ds2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Cd=Q

Dd2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Cs，Cd分別為介質(zhì)在泵進(jìn)、出口處的流速，m/s;Q為離心泵的流量（即離心泵機(jī)組流量計(jì)顯示數(shù)字），m3/s;Ds，Dd分別為泵進(jìn)、出口法蘭的管道內(nèi)徑，m。

2） 離心泵揚(yáng)程的計(jì)算公式：

H=+Zsd+? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：H為揚(yáng)程，m;Ps，Pd分別為泵進(jìn)、出口處的壓力，Pa;ρ為輸送介質(zhì)的密度，g/cm3;g為重力加速度，m/s2;Zsd為泵進(jìn)、出口測(cè)壓點(diǎn)的垂直距離，m。

3） 離心泵有效功率的計(jì)算公式：

Ne=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Ne為離心泵的有效功率，kW。

4） 軸功率的計(jì)算公式：

Nz=No·ηD·ηce? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

No=cosφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Nz為軸功率，kW;No為電機(jī)的輸出功率，kW;ηD為電動(dòng)機(jī)的效率;ηce為傳動(dòng)裝置的效率;U為電機(jī)輸入線電壓，V;I為電機(jī)輸入線電流，A;cosφ為電機(jī)功率因數(shù)。

2.2 串并聯(lián)性能分析

2臺(tái)或多臺(tái)泵的串并聯(lián)可通過(guò)設(shè)計(jì)的工藝管路閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。以2臺(tái)泵串聯(lián)為例進(jìn)行分析：根據(jù)泵的揚(yáng)程—流量特性曲線測(cè)定方法分別獲得離心泵的Hpump單和Hpump雙的揚(yáng)程—流量特性曲線，再根據(jù)管路阻力特性曲線方程得到管路特性曲線Hpipe，完成性能分析，對(duì)比A，B，C，D代表的工況點(diǎn)特性，得出泵對(duì)應(yīng)于管路系統(tǒng)的串聯(lián)適用程度（如圖2所示）。

管路阻力特性曲線方程為：

H=+Z排-Z吸+kQ2? ? ? ? ? ? ?（7）

Hpot=+Z排-Z吸 ? ? ? ? ? ? ?（8）

kQ2=λ+∑ζ ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：p吸，p排分別為吸液面和排液面上的壓力，MPa;Z吸，Z排分別為吸液面和排液面的位高，m;Q為裝置的流量，m3/s;λ為介質(zhì)的沿程阻力系數(shù);l為裝置管路長(zhǎng)度，m;d為管道當(dāng)量直徑，m;C為管道內(nèi)介質(zhì)流速，m/s;ζ為局部阻力損失系數(shù)。

同理，可分析離心泵對(duì)應(yīng)于管路系統(tǒng)的并聯(lián)適用程度。離心泵串并聯(lián)的適用程度與泵的揚(yáng)程—流量特性曲線和管路阻力特性曲線的陡直程度密切相關(guān)。

2.3 能效評(píng)價(jià)

2.3.1 離心泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo) 以離心泵的實(shí)際運(yùn)行效率作為泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即：

ef泵=? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中： ef泵為離心泵的實(shí)際運(yùn)行效率;t為第i次載荷的記錄時(shí)間，h。根據(jù)GB/T 13469—2008《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，得出泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行判別依據(jù)（見(jiàn)表1）。

2.3.2 電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo) 采用電機(jī)輸入電流與額定電流的比值作為電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)，即：

ef電機(jī)=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：I為電機(jī)輸入線電流;Ie為電機(jī)額定電流。根據(jù)GB/T 12497—2006《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，得出電機(jī)能效判別依據(jù)（見(jiàn)表2）。

離心泵的工作效率與其運(yùn)行所在的工況點(diǎn)密切相關(guān)，通過(guò)改變運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)可以獲得不同工作載荷期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)機(jī)組在一定載荷變化期內(nèi)的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估。

3 計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的邏輯框架如圖3所示。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)采用基于.NET平臺(tái)的MVC模式。該平臺(tái)由微軟公司開(kāi)發(fā)，版本不斷更新進(jìn)步。MVC是一種軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)，它把數(shù)據(jù)處理、程序輸入輸出控制及數(shù)據(jù)顯示分離開(kāi)來(lái)，并且描述了不同部件對(duì)象間的通信方式，如能耗評(píng)價(jià)模塊的子界面包括參數(shù)錄入界面、能效評(píng)價(jià)界面和判定結(jié)果顯示界面等。MVC把系統(tǒng)組成分解為Model（模型）、View（視圖）、Controller（控制器）三部分，這三部分的層次結(jié)構(gòu)并不明顯，向下依賴關(guān)系也并不顯著，而是以最少的耦合協(xié)同工作，便于系統(tǒng)各部分之間的修改，從而大幅度提高了軟件的靈活性、封裝性、可維護(hù)性及可修復(fù)性。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工程實(shí)踐需要，本課題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出離心泵性能分析及能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)，集離心泵性能參數(shù)測(cè)定、串并聯(lián)特性分析和能效評(píng)價(jià)功能為一體，改變了測(cè)試系統(tǒng)的工藝路線及功能模塊，適應(yīng)于生產(chǎn)、使用企業(yè)對(duì)離心泵節(jié)能改造方面日益突出的需求。

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Research on The Performance Analysis and Energy Efficiency

Evaluation System of Centrifugal Pumps

YANG Hairui， HAO Jiao*， LI Rui， CHEN Hao， CHANG Shulei

（School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua Univeisity， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract： Centrifugal pumps are widely used in industrial and agricultural fields， and the analysis and research on performance of centrifugal pumps are significant for energy conservation. In this paper it researches and develops the performance analysis and energy efficiency evaluation system of centrifugal pumps， elaborates the system design scheme， establishes mathematical model， determines the logical framework of computer processing system， and puts forward the logic expansion of centrifugal pump， motor feedback selection optimization， in order to provide theoretical basis for centrifugal pump energy saving transformation.

Key words： centrifugal pumps; performance analysis; energy efficiency evaluation; system