礦井水泵并聯運行流量增量的影響因素與相關問題的探討

鄭振榮

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礦井水泵并聯運行流量增量的影響因素與相關問題的探討

鄭振榮

福能集團漳平煤業公司文賓山煤礦

分析了水泵并聯運行時水泵特性曲線與管路阻抗對流量增量的影響，以及并聯可能出現的流量變化與超載問題，闡述了不同水泵并聯運行時小水泵流量可能出現的變化趨勢。

水泵并聯 流量增量 水泵選擇

在實際排水系統中，水泵并聯運行是把多臺水泵通過管路聯結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，又方便流量調節，因而在礦井中被廣泛采用。在設計中應根據水泵特性和管路阻抗的影響綜合考慮，選擇合適的水泵，以免出現流量增量過小，達不到實際要求。對于一個確定的管路系統來說，如果對水泵選型不當，即使水泵型號相同，也有可能出現兩臺（或多臺）并聯運行與單臺運行相比，流量增加卻很少的情況。當選擇兩臺大小不同的水泵并聯時，小水泵輸出的流量可能很小，且隨裝置需要，揚程曲線的變陡（即管路阻力損失變大），輸出流量進一步減小，可能變為0或為負值。因此，選擇相同水泵并聯應考慮流量增量等影響因素，不同水泵并聯應兼顧小水泵輸出的流量（本文只分析兩臺水泵并聯運行情況）。

1 相同性能的水泵并聯中，水泵特性與管路阻抗對流量增量的影響

當型號相同的兩臺水泵并聯運行時，如果兩臺水泵的揚程相等，并聯水泵的流量—揚程曲線就是在同一揚程下流量相加，即橫向疊加法。水泵的流量—揚程曲線Q～H與裝置的需要揚程曲線Q～Hr的交點就是水泵在該裝置運行中的工況點。

1.1 相同性能水泵并聯運行時，水泵特性對流量增量的影響

如圖1所示，曲線Ⅰ′為兩臺相同性能水泵Ⅰ（對應曲線Ⅰ）并聯后的特性曲線，曲線Ⅱ′為兩臺相同性能水泵Ⅱ（對應曲線Ⅱ）并聯后的特性曲線，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。假如裝置的需要揚程曲線Q～Hr正好通過水泵Ⅰ和水泵Ⅱ的特性曲線的交點M。從圖中可知流量增量ΔQⅠ＞ΔQⅡ。這說明水泵的特性曲線越陡，流量增量越大，水泵并聯運行的效果更好。反之，水泵的特性曲線越平穩，流量增量越小，水泵并聯運行效果不好。

圖1

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

1.2 裝置的需要揚程（即管路阻抗）對流量增量的影響

如圖2所示，曲線Ⅰ+Ⅱ為水泵Ⅰ及水泵Ⅱ兩臺并聯時的特性曲線，Q～Hr1、Q～Hr2分別是二條裝置的需要揚程曲線，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，并聯的流量增量越大；相反，管路阻抗越大，并聯的流量增量越小。減小管路系統的阻抗，比如減少彎頭數量，增大彎頭角度，改用有底閥排水為無底閥排水等均可減少管路阻抗。裝置的需要揚程曲線較平穩的排水系統中，管路阻抗小，較適合于水泵的并聯運行。因此在排水系統，管路阻抗小比阻抗大的并聯運行效果更好。

圖2

2 啟動水泵臺數進行調節可能出現的流量變化與超載問題

對于兩臺及以上水泵并聯運行，根據涌水量的多少，改變水泵開啟的臺數，涌水量大時多開，涌水量小時少開。但是，如果水泵的并聯流量增量△Q過小，改變開啟臺數時有可能造成水泵電機的超載。如圖3所示，并聯運行工況為A，并聯運行時的單機工況為B，單臺運行時的工況為C。顯然單臺運行的流量QC大于并聯運行時的單機流量QB。△Q=QA-QC越小，QC就越大。并且，并聯工況是設計工況，并聯運行時的單機工況B應在合理工作區即效率較高的區域，而單臺運行工況C則往往偏離合理工作區，效率降低。△Q越小，C與B就相距越遠，兩工況的效率差也就越大。因此，△Q的過小，將使C工況的軸功率大大超出B工況，在單臺運行時有可能發生超載現象。

圖3

3 不同性能的兩臺水泵并聯中，流量變化趨勢分析

圖4繪出了兩臺離心泵的并聯裝置，圖中C點為兩臺出水管的并聯點，A、B兩點分別為泵Ⅰ和泵Ⅱ吸水管的進口端，D點為共用出水管的出口端。該圖為兩臺性能不同水泵并聯工作的布置及性能曲線圖，圖中的曲線Ⅰ、Ⅱ為兩泵各自的Q～H曲線。

當不同性能的兩臺水泵并聯運行時，由于兩臺水泵的型號不同，兩臺水泵的性能曲線也就不同。若管路布置不對稱，并聯節點前管路的水頭損失不相等，兩臺水泵并聯運行時每臺水泵工作點的揚程也不相等。并聯后流量—揚程曲線的繪制不能簡單地直接采用橫向疊加法，通過下面簡要處理后即可采用橫向疊加法。

圖4

由于水泵的工作揚程應等于裝置的需要揚程。通過管路ACD的水流需要泵Ⅰ提供的揚程為：

HrⅠ= Hst +SACQ2Ⅰ+SCDQ2

同理，通過管路BCD的水流需要泵Ⅱ提供的揚程為：

HrⅡ= Hst + SBCQ2Ⅱ+ SCDQ2

上面式中Hst為裝置靜揚程（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，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′。這樣處理相當于想象地把兩泵放大，把水泵吸水管的進口看成泵的進口，把泵的出口延伸到并聯點，也就是將并聯點前的管路阻力損失當成泵內的水力損失，HrⅠ′和HrⅡ′即為兩假想大泵在并聯運行時的揚程。這樣就可以運用裝置性能曲線法，從水泵的性能曲線減去并聯點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程，因此可以采用等揚程下的流量橫加的方法（即橫向疊加法）得到兩泵聯合運行時總Q-H′曲線，如圖4中虛線Ⅰ′+Ⅱ′所示。接著再按Hr′=Hst+SCDQ2繪出裝置需要揚程曲線，得到與虛線Ⅰ′+Ⅱ′的交點A，該點所對應的流量QA即為兩泵并聯運行時的總流量。過點A作橫坐標的平行線與虛線Ⅰ′、Ⅱ′的交點A1′、A2′，再分別過A1′、A2′點作垂線與兩泵的性能曲線分別交于A1、A2點，該兩點即為每臺泵并聯運行時的工況點。

兩臺水泵并聯運行時，各臺水泵的工況點A1、A2分別位于每臺水泵各自單獨運行時的工況點B1、B2的左側，由此可知：

QA1＜QB1，QA2＜QB2，即并聯運行時各臺水泵的流量小于各自單獨運行時的流量,表明水泵并聯運行時的總流量QA小于每臺各自單獨工作時的流量之和，即QA=（QA1+QA2）＜（QB1+QB2），其流量減小的程度隨著并聯臺數的增多，管路阻力曲線陡度的增大而增大。

特別要注意的是，若當兩臺大小不同的泵并聯時，小泵輸出的流量很小，且隨裝置需要揚程曲線的變陡（即管路阻力損失變大）輸出流量進一步減小，當裝置需要揚程曲線與總流量～揚程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點位于M點時（如圖4），水泵的流量等于0；而當裝置需要揚程曲線與總流量～揚程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點位于M點的左側時，水泵的流量為負值，此時兩泵并聯運行不但不能增加流量，反而會減小輸出流量。為避免這種情況，應盡量選擇性能相同的水泵并聯。

對于并聯運行的離心泵，有PA1＜PB1、PA2＜PB2，即并聯運行時各臺離心泵的功率小于每臺泵各自單獨運行時的功率，因此，要根據水泵單獨工作時可能出現的最大功率來選配電動機，以免水泵單獨運行時電動機過載。

4　水泵并聯設計應注意的問題

（1）水泵并聯應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甚至變為負值。

（2）盡量不要采用性能曲線太平穩的水泵并聯，同時注意要減小管路阻抗。

（3）如果水泵的并聯流量增量過小，改變開啟臺數時有可能造成水泵電機的超載。

（4）水泵選型時不能只考慮并聯工況，必須校核單臺運行工況，流量是否能夠滿足調節要求，以及是否有超載的可能。

（5）水泵的選型設計中，應盡量使并聯運行和單臺運行，都能在高效率區內運行。

（6）并聯水泵不宜太多，建議不超過5臺，以避免水泵在高效率區外運行。

5 結束語

水泵并聯設計應充分考慮水泵的性能曲線及管路特性曲線的綜合影響。如果選型時不考慮水泵的特性曲線，將會引起并聯后流量增量不大，不能通過并聯使流量大幅度地提高，也不能通過運行臺數的增減有效地調節流量。同時應盡可能減小管路系統的阻抗，因為管路性能曲線平穩比性能曲線陡的排水系統中水泵并聯運行的效果更好。建議水泵并聯設計中應盡量采用相同水泵性能。

[1] 劉竹溪,劉羅植.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2] 劉家春,楊鵬志,劉軍號,馬艷麗.水泵運行原理與泵站管理[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] 牟靈泉,李向東,楚廣明,桑海龍.空調水系統多臺水泵并聯工作問題探討[C].全國暖通空調制冷1998年學術年會論文集