水泵选型方法的研究

水泵选型方法的研究

摘　要　泵与泵装置特性关系的研究表明: 传统的等流量加大扬程选泵，装置达不到最高效率，水泵选型必须同时考虑装置对水泵扬程和流量损失的影响. 提出了加大流量变扬程选泵的新方法，给出了各种扬程范围选泵时的流量和扬程修正系数.
关键词　水泵; 选型方法; 扬程

　　水泵选型是泵站工程设计中的重要问题，选型合理与否，直接关系到泵站工程的投资、建成后的运行费用和供水安全^［1］. 选泵不当，关键是扬程选不准. 国内低扬程轴流泵站长期偏离高效区运行，除了设计扬程偏高外，选泵扬程又高于实际需要也是重要的原因之一^〔2～4〕，本文分析了泵与泵装置特性关系，指出传统选泵方法中的弊端，提出新的选型方法.

1　传统选泵方法

　　传统的选泵方法是根据泵站净扬程和装置形式先确定需要扬程曲线，然后根据设计流量来确定所选水泵损失扬程，进而确定总扬程，使所选水泵在设计扬程下效率最高. 可以看出，传统选泵方法是以等流量加大扬程方法来选择的，没有考虑泵装置在设计扬程下是否效率最高.
　　假定装置设计点为A(Q_Z，H_Z). 传统方法选泵时，泵扬程根据下式计算：

H_P=H_Z+SQ²,　　(1)

采取等流量加大扬程来选泵时，确定所选泵设计工况点为B点，如图1所示，然后根据B点来选择泵，如果B点为泵的最高效率点，则认为选泵达到最佳状态. 但是，最高效率点在B的泵，它的泵装置最高效率在C点，可以看出，最高效率点C偏离所谓的设计点A，泵装置实际运行在低扬程大流量区域. 这与大量的模型试验和现场实测资料相吻合. 轴流泵装置效率曲线在大流量一侧，效率随流量增加急剧下降，从而很容易造成泵站效率偏低，汽蚀性能恶化. 对于高扬程泵站，由于管路水力损失所占比例小，C点和A点偏移不大，加上高扬程离心泵、混流泵高效区较宽，因此，传统的等流量加大扬程选泵没有显示出它的弊端. 对于低扬程泵站，由于管路损失比例较大，C点和A点偏移较大，传统选泵方法必然导致泵站效率偏低. 对于叶片角度可调节的泵，最高效率点还将从大角度移到小角度，角度的偏移达到6～10°，C点和A点的偏移将更严重.

图1　传统选泵方法

2　泵与泵装置特性关系

　　定义泵装置扬程H_Z为上下游水位差，泵扬程为H_P，某一泵流量和扬程关系可表示为:

H_P(Q)=AQ²+BQ+C,　　(2)

某一特定的装置轴功率和流量的关系可表示为：

P(Q)=DQ²+EQ+F,　　(3)

对于一定泵， A、B、C、D、E、F为常数，泵的效率可以求出：

η_P=ρgQH_P(Q)/P(Q).　　(4)

对(4)式求极值可以求出最高效率点流量，其方程为：

ADQ⁴+2AEQ³+［3AF+BE-CD］Q²+2BFQ+CF=0,　　(5)

对于泵装置来说，假定装置中泵性能特性不变，管道水力损失符合

h=SQ²,　　(6)

式中S为管道阻力系数, 则装置扬程可表示为：

H_Z=AQ²+BQ+C-SQ².　　(7)

装置效率η_Z可以表示为：

η_Z=ρgQH_Z(Q)/P(Q).　　(8)

　　泵装置的最高效率点可以通过(8)式求出. 其方程为：

(A-S)DQ⁴+2(A-S)EQ³+［3(A-S)F+BE-CD］Q²+2BFQ+CF.　　(9)

可以证明方程(9)在设计流量附近所得到的根Q_Z比方程(5)所得到的根要小.
　　为了分析不同泵型装置对高效点流量和扬程的影响，本文引用了3种典型的泵特性数据进行了分析.
　　模型泵1 (n_s=1129，叶片角度2°)性能曲线可表示为：

H(Q)=6.6287+0.389273^.10^-1Q-0.121915^.10^-3Q²,　　(10)
P(Q)=22.2773+0.119194-0.345933Q^.10^-3Q²,　　(11)

最高效率点基本性能参数为(Q_P=396m^3.s^-1, H_P=4.229m, η_P=0.86). 假定装置中管路阻力系数分别为0、1.348×10^-6、2.697×10^-6、 4.045×10^-6、5.394×10^-6、6.742×10^-6，可求得各种管路水力损失的装置中最高效率点的性能参数，见表1.
　　从表1可以看出，低扬程轴流泵装置随着管道阻力系数的增加，装置最高效率降低，流量减小，但高效点扬程略有增加.
　　混流泵(1000HLB－16)性能曲线可表示为:

　　　　　　H_P(Q)=-2.1754×10^-5Q²+0.13163Q-179.4852,　　(12)

　　　　　　P(Q)=-3.269×10^-4Q²+1.99Q-2403.76.　　(13)

装置扬程－流量关系为：

H_Z(Q)=H_P(Q)-SQ².　　(14)

　　假定管路损失系数分别为0、7.47×10^-8、 14.94×10^-8、22.41×10^-8、29.89×10^-8、37.35×10^-8，可求出装置高效点变化情况，见表2.
　　从表2可以看出，混流泵装置也随着管路阻力系数增加，装置最高效率降低，流量减少，但扬程出现波动，在阻力系数较小时，高效点扬程增加，阻力系数较大时，高效点扬程减小. 假设混流泵管道损失分别占总扬程15%和20%，在此范围内，本例流量减少6%～7%，扬程减少1%～5%.
　　离心泵(12sh－6)性能曲线可表示为：

H_P(Q)=-5.923×10^-4Q²+8.571×10^-2Q+99.95238,　　(15)
　　P(Q)=6.694×10^-4Q²+0.4035Q+128.803,　　(16)
　　H_Z(Q)=H_P(Q)-SQ².　　(17)

　假定管道阻力系数S分别为0.3×10^-5、 18.6×10^-5、27.90.3×10^-5，可求出装置高效点变化情况见表3.
　　从表3可以看出，离心泵随着管道阻力系数增加，装置最高效率降低，流量减小，扬程降低，流量减少值较大，扬程降低值较小，对于本例，假设管道损失为总扬程的10%和15%，流量减少13.5%～17.86%，扬程降低2%～3.4%.

表1　模型泵1装置最高效率点变化情况

表2　混流泵装置高效率点变化情况

表3　离心泵装置高效率点变化情况