密封環(huán)間隙對不同比轉(zhuǎn)速泵外特性的影響研究

孟 昊

(蚌埠市水利局直屬機電排灌站，安徽 蚌埠 233000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，智能化、一體化泵站正逐漸取代傳統(tǒng)泵站，成為泵站工程建設的新方向。智能化、一體化泵站相較于傳統(tǒng)泵站而言，具有機動靈活、建設時間短、維修方便、運行安全高效等優(yōu)勢。為了提升智能化、一體化泵站的運行效能，節(jié)約泵站運行成本，提高泵站的市場競爭力，就必須使泵站處于最優(yōu)的運行方案中[1-3]。因此，開展不同泵型的泵外特性試驗，可以為智能化、一體化泵站運行方案提供數(shù)據(jù)支撐，具有重要的意義。

隨著現(xiàn)代泵業(yè)的不斷發(fā)展，對于水泵的基礎研究也在不斷完善和深化，水泵選型和性能的研究已較常見[4-5]。通常而言，水泵監(jiān)測項目主要包括流量、揚程、功率、效率以及轉(zhuǎn)速等多個參數(shù)，由于參數(shù)眾多且數(shù)據(jù)非線性特征，造成當前泵站監(jiān)測仍以半自動化方式為主，該監(jiān)測方式不僅存在測量精度低的問題，而且實時性和可靠性均滿足不了工程實際需要。由于水泵處于長期運行狀態(tài)，泵內(nèi)密封環(huán)(水泵葉輪和水泵泵殼之間的口環(huán))會處于不同程度磨損狀態(tài)，密封間隙增大會導致水泵的泵外特性發(fā)生改變[6-9]，會導致泵站額外的做功損失，同時，也不利于潛水排污泵的運行使用壽命。開展密封環(huán)間隙對不同類型泵外特性的影響研究，可為智能化、一體化泵站運行監(jiān)測和預測提供基礎可靠的數(shù)據(jù)，依靠這些數(shù)據(jù)可建立故障診斷和預測模型，通過故障診斷分析，可提示泵站管理人員及時進行密封口環(huán)的更換，使泵站始終處于最佳的運行狀態(tài)，最大限度地提高泵站運行功效，節(jié)約運行成本。

1 項目背景

安徽省淮河流域[10]重點平原洼地(蚌埠境內(nèi))治理工程(世行貸款項目)，總投資為16.40億元。主要建設內(nèi)容包括：北淝河堤防加固113.06km，疏浚大溝56.15km，擴挖截水溝7.5km，重建、加固閘涵36座、橋梁19座、泵站9座；澥河疏浚26.78km，橋梁1座；沱河疏浚24.68km，加固閘涵1座；天河堤防加固2.9km等。其中，一體化泵站設計標準：清河站、劉橋站、常郢站、姜家站、淝北站、曹河站、邵河站重建、楊樓站和張巷站等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小(1)型，主要建筑物和次要建筑物級別分別為4級和5級。

2 試驗概況

2.1 試驗對象

潛水排污泵可以將污水中的堅固物質(zhì)撕裂和切斷，適用于臟、黏、滑的液體運送，在泵站配套設施中起到較為關(guān)鍵的作用，具有安裝維修方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。但由于潛水排污泵特殊的工作環(huán)境以及連續(xù)長時間的工作狀態(tài)，很容易導致密封口環(huán)受到磨損，導致排污泵的運行特性發(fā)生變化，從而影響其運行穩(wěn)定性，因此，本文選擇三種不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵進行研究，型號分別為150QW-260-38-45、200QW-250-15-15和350QW-1388-13-90。

2.2 試驗系統(tǒng)

本次試驗主要為現(xiàn)場室內(nèi)試驗(試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1)。試驗系統(tǒng)主要由閥門、電磁流量計、壓力變送器、壓力測試管道、直徑為150mm(或350mm)長度分別為90cm和300cm的直管道以及兩個90°彎頭組成，排污泵均采用變頻節(jié)能控制啟動方式。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 試驗方案

現(xiàn)場共對96.2m·kW、185.5m·kW和493.3m·kW 三種不同比轉(zhuǎn)速大小的排污泵進行試驗(三種泵的具體參數(shù)見表1)。其中1號泵的密封環(huán)間隙共設計5種，分別為0.45mm、0.65mm、1.05mm、1.55mm和2.55mm，2號泵的密封環(huán)間隙也設計5種，分別為0.45mm、0.65mm、1.55mm、2.05mm和3.05mm，3號泵的密封環(huán)間隙共設計4種，分別為0.45mm、0.95mm、1.95mm和2.95mm。分別測試不同密封環(huán)間隙下，水泵揚程、功率和效率隨流量的變化數(shù)據(jù)和曲線，為潛水排污泵的合理利用提供依據(jù)。

表1 不同比轉(zhuǎn)速泵型參數(shù)

2.4 試驗過程

試驗步驟如下：?檢查試驗儀器并進行校準，然后進行儀器安裝，并調(diào)整至最佳工作狀態(tài)；?對測壓點進行放氣，關(guān)閉放氣孔后，將閥門調(diào)整至額定流量點，觀察試驗系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定正常的運行狀態(tài)；?將閥門開到最小，然后依次調(diào)整閥門開度，測試不同泵型在不同流量(額定流量的0.6、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3和1.4倍)穩(wěn)定運行下的各類數(shù)據(jù)，每個流量試驗點下均進行3次試驗，取平均值作為最終試驗結(jié)果；?依次切割密封環(huán)單邊間隙至相應大小，然后重復?、?步；?關(guān)閉電源，結(jié)束試驗，統(tǒng)計和分析各項數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 對揚程的影響

從試驗得到的不同比轉(zhuǎn)速泵的揚程隨流量的變化特征圖(見圖2)中可看到：當比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時，隨著流量的增加，水泵揚程基本呈線性降低，密封環(huán)間隙越小，水泵揚程越大，但密封環(huán)間隙對水泵揚程的影響相對較小，當密封環(huán)間隙從0.45mm增加至2.55mm時，水泵揚程下降幅度最大情況出現(xiàn)在1.2Q工況，揚程最大下降幅度為0.93m。當比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW時，隨著流量的增加，水泵揚程也基本呈線性降低，密封環(huán)間隙越小，水泵揚程越大；但是，與比轉(zhuǎn)速96.2m·kW表現(xiàn)不同的是，當密封環(huán)間隙從0.45mm增加至0.65mm時，水泵揚程的變化量較小，當密封環(huán)間隙變化值增大到1.1mm后，水泵揚程發(fā)生較為明顯的變化，此后繼續(xù)增大密封環(huán)間隙，對水泵揚程影響不大；密封環(huán)間隙對水泵揚程影響最大出現(xiàn)在1.4Q工況，揚程從10.7m下降至8.49m，下降幅度達到2.21m。當比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW 時，隨著流量的增加，揚程呈逐漸降低趨勢，但變化過程比較復雜，當密封環(huán)間隙為0.45mm和0.95mm時，流量從1.0Q增加至1.1Q的過程中，揚程下降速率較快，當密封環(huán)間隙為1.95mm和2.95mm時，流量從0.9Q增加至1.0Q的過程中，揚程下降速率較快；當密封環(huán)間隙為0.45mm和0.95mm時，兩者的揚程相差不大，當密封環(huán)間隙變化值增大至1.5mm后，揚程開始發(fā)生較為明顯的變化，密封環(huán)間隙對水泵揚程影響最大出現(xiàn)在1.0Q工況，揚程從12.6m下降至6.8m，下降幅度達到5.8m。

圖2 密封環(huán)間隙對泵揚程的影響

3.2 對功率的影響

從試驗得到的不同比轉(zhuǎn)速泵功率隨流量的變化特征圖(見圖3)中可以看到：當比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時，泵的功率隨著流量的增大呈線性增加；相同流量下，密封環(huán)間隙越大，泵的功率越大，但是均相差不大，當流量為1.2Q時，功率出現(xiàn)最大增加幅度，從0.45mm下的33kW增加至2.55mm下的34.18kW，增加量為1.18kW。當比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW時，泵的功率呈先增加后逐漸穩(wěn)定的變化特征，當流量小于1.2Q時，功率隨流量增大而增大，當流量大于等于1.2Q時，功率基本保持恒定值(增加幅度很小)；相同流量下，潛水排污泵的功率隨著密封環(huán)間隙的增大而逐漸增加，但密封環(huán)間隙對功率的影響隨著流量的增加在逐漸減小，因此，密封環(huán)間隙從0.45mm增加至3.05mm時，功率增幅最大值出現(xiàn)在0.6Q工況，增加幅度為0.6kW。當比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW時，泵的功率隨流量變化較為復雜，當密封環(huán)間隙為0.45mm～1.95mm時，功率隨流量增大呈“先減小后增大再減小”的三階段變化特征，當密封環(huán)間隙為2.95mm時，功率隨流量呈逐漸降低的變化特征；密封環(huán)間隙值越大，功率值越小，當密封環(huán)間隙變化值達到1.5mm時，功率變化情況較為明顯；當流量為1.2Q工況時，功率隨密封環(huán)間隙增大的降幅最大，從0.45mm的67.8kW下降至2.95mm的59.7kW，下降幅度達到8.1kW。

圖3 密封環(huán)間隙對泵功率的影響

3.3 對效率的影響

從試驗得到的不同比轉(zhuǎn)速泵的效率隨流量的變化特征圖(見圖4)中可以看到：不同比轉(zhuǎn)速泵的效率均隨流量的增加呈“先增大后減小”的變化特征。當比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時，密封環(huán)間隙對泵效率的影響不大，隨著密封環(huán)間隙的增大，泵的效率逐漸減??；當流量達到1.2Q～1.3Q時，泵的效率達到最大值；當流量為1.1Q工況時，密封環(huán)間隙對效率的影響最大，下降幅度達到1.66%。當比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW 時，密封環(huán)間隙對泵效率的影響不大，隨著密封環(huán)間隙的增大，泵的效率逐漸減小，當密封環(huán)間隙變化為0.2mm時，效率變化不明顯，當密封環(huán)間隙變化值增大至1.1mm后，效率開始發(fā)生明顯變化；當流量為0.9Q～1.0Q時，泵的效率達到最大值，當流量超過1.0Q后，密封環(huán)間隙對效率的影響逐漸加大，當流量達到1.4Q后，密封環(huán)間隙從0.45mm增加至3.05mm的效率降低幅度達到10.59%。當比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW時，密封環(huán)間隙對泵效率的影響進一步增大，隨著間隙變化值的增大，效率開始發(fā)生較為明顯的變化，當流量為1.3Q時，密封環(huán)間隙對泵效率的影響最大，下降幅度達到17.5%。

圖4 密封環(huán)間隙對泵效率的影響

4 結(jié) 論

本文以潛水排污泵為研究對象，對96.2m·kW、185.5m·kW和493.3m·kW三種不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵在不同密封環(huán)間隙下的泵外工作特性進行了試驗研究，得到如下結(jié)論：不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵的揚程隨著密封環(huán)間隙值和流量值的增大而逐漸減??；中低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵的功率隨著密封環(huán)間隙值的逐漸增大而逐漸增大，流量越高，功率值越大；高比轉(zhuǎn)速泵的功率值隨密封環(huán)間隙的增大而逐漸減小，且隨流量變化情況較為復雜；隨著密封環(huán)間隙值的逐漸增大，潛水排污泵的效率值逐漸降低；不同比轉(zhuǎn)速泵的效率均隨流量的增加呈“先增大后減小”的變化特征，比轉(zhuǎn)速越大，密封環(huán)間隙對泵效率的影響越大。

通過上述分析，對不同泵型在不同密封環(huán)間隙下的泵外工作特性有了基本認識，泵站管理人員可根據(jù)建立的工作特性和運行規(guī)律及時進行密封口環(huán)的更換，保證泵站始終處于最佳的工作狀態(tài)。