離心泵變頻控制對流量控制性能的影響分析

摘要：就現階段而言，流體運送系統中主要包括了節流調節與離心泵變頻調節兩種流量控制方式，兩種調節方式均在流量控制方面具有自身的優點和不足。文章選取離心泵變頻控制對流量控制性能的影響作為研究對象，通過將其與節流調節的穩態時的壓力變化進行對比，進而對離心泵變頻控制對流量控制性能的影響做出了具體研究。

關鍵詞：離心泵；變頻控制；流量控制性能；流量調節；流體運送系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH311 文章編號：1009-2374（2015）05-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0374

目前過程控制領域中，流體運送系統中流量調節方法主要有節流調節和離心泵變頻調速調節。所謂節流調節是指以調節閥門開度的方式對流體傳輸管路的特征曲線進行變更，從而通過改變流量來滿足具體的工作要求。而離心泵變頻調節則是在保持原有流體傳輸管路特征曲線不變的前提下，通過適當改變離心泵本身的轉速來達到流量控制的目的。但隨著國際范圍內生產理水平的不斷提高，對流體控制的要求也愈加嚴格，故本文將從離心泵變頻調節對流量的控制方面出發，通過對比兩種流量調控方法，進而說明了二者在過程流量控制方面均存在一定的局限性。20世紀80年代初發展起來的變頻調速技術是在不改變管路特性曲線的基礎上改變泵的轉速以調節流量，避免了消耗在閥門上的能量，因此變頻調節比節流調節更節能，但變頻調節方式并不總是符合要求的。在通過改變轉速來調節流量的過程中，揚程（壓力）也會一同改變，甚至比流量改變得更快，因此可能會導致流體壓力過低而無法滿足工藝要求。

1 節流調節與變頻調節各自在流量控制性能方面的特征

從節流調節與離心泵對變頻調節對流量的控制及其傳輸管路的特征曲線可看出，傳輸管路中的流量從Q0變化到Q1時，在節流調節的作用下，控制希同的閥門開度逐漸減小，而傳輸管路的特征曲線則由R0轉變為了R1。此時，離心泵的轉速n0保持不變，其揚程則從H0上升至H1，而工況點的變化情況則為A→B，此過程中，離心泵的所耗功率的大小與OH1 Q1B（O為原點）正相關。

在保持閥門開度不變的前提下，改變流量傳輸管路的特征曲線，當離心泵的轉速由n0變化為n1時，其揚程的變化情況為H0到H2，而工況點的變化情況則為A→C，而在此情況下，離心泵的功率則與OH2 Q1C成正比，上述兩個封閉舉行所形成的面積關系為SOH1 Q1B>SOH2 Q1C，因此，相較于節流調節，離心泵變頻調節對流量的控制則耗能更少。對單純的離心泵變頻調節進行分析可知，當離心泵本身的轉速變化低于20%時，則流量以及揚程和轉速變化的比例關系為：和。對上式做出如下分析：當管路流量有Q0縮減為Q1時，其揚程則會由H0降至H2，而此時，若閥門未對管路內流量進行儲存，則隨著流量的持續降低則可能會造成因閥后壓力過低而使其無法達到在后續的流體控制過程中系統對流體壓力的要求。相較于變頻調節，節流調節則可以通過利用閥門自身的儲能作用進而在改變傳輸管路內流體流量的同時滿足系統對流體壓力的具體要求，但該種方法需要向閥門提供較大的功率，使得系統耗能過多。因此，下文則主要從兩種調節方法處于穩態調節時的壓力變化分析其對流量的控制性能。

2 節流調節與變頻調節穩態時的壓力變化分析

流體傳送系統對流量進行控制的基本原理為通過對傳輸管路的整體流量進行反饋，進而使閥門開度的調節以及離心泵轉速的調節可以發揮其對流量的控制作用。下文則分別從節流調節與變頻調節對流量的控制趨于穩態時，閥門的前后壓力進行比對分析。

2.1 節流調節

“1”為系統的吸液容器，“2”為閥前，“3”為閥后，“4”為末端容器。以節流調節方式對系統流量進行控制，具體過程如下：建立處于“2”與“1”之間的代表流體截面的伯努利方程，即+p1++Δp=+p2++Δpl。其中，u代表各個傳輸管路內的流體流速，z表示各個節流面的中心到基準面（吸液容器“1”）的垂直距離，Δp表示離心泵的提供壓力，管路到截面之間流體傳輸的流量損失為Δpl。而Δp=a+bQ+cQ2，，其中a，b，c表示多項式的擬合系數，由此算得管路的壓力損失Δpl=bl1-2Q2=（）（）2。由上式可計算出閥前“2”的壓力p2=（c-bl-）Q2+bQ+a-（z4-z3）。同理，也可計算出閥后“3”到末端容器的節流壓力p3，二者共同構成了以節流調節為主的流量以及系統閥前、閥后壓力的穩態性模型。本文中假定離心泵的額定流量Q0=0.05m3/s，系統揚程H0=55m，離心泵轉速n0=2950r/min，系統管路路徑d=0.3m，進而得到節流調節與閥前、閥后壓力的特征變化曲線。

2.2 離心泵變頻調節

離心泵的揚程特征以曲線H=H0+bl1-4Q2=（）+bl1-4Q2進行變化。由此計算可得離心泵變頻調節時的閥前（“2”）壓力為：p2’=（bl1-4-bl1-2-）+--（z2-z1）。此時，保持閥門開度不變，則閥前壓力損失c=bcQ2，其中，bc=。同理，閥后壓力p3’的計算方法與此相同。p2’和p3’共同構成了離心變頻調節流量控制處于穩態時的壓力模型。保持閥門開度不變（最多允許變動范圍15%），利用2.1中離心泵額定流量和揚程等擬定數據，可以描繪出變頻調節與壓力的變化曲線。假設工藝要求閥后壓力不低于0.36MPa，而流量降至0.02m3/s及以下時，利用變頻調節則會由于閥后壓力不足而使得工藝流程無法正常進行，節流調節在較低流量要求時亦可滿足工況對閥后壓力的相關要求。

3 結語

總之，本文通過對節流調節與變頻調節在流量控制性能方面的特征進行描述，進而從兩種調節方法對流量的調節均處于穩態時，閥門壓力是否滿足工礦要求展開了深入研究，進而得出如下結論：利用離心泵變頻調節方法對流量進行控制進而減少系統能耗需要一個壓力臨界值（本文為0.36MPa），而超過該臨界值，則變頻調節將因壓力供給不足而無法達到工況的具體要求。因此，在未來應用離心泵變頻調節對流量進行控制時，應準確掌握系統的閥門壓力，科學運用該方法提高流量控制系統的運作效率。

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作者簡介：徐旺盛（1985-），男，河南原陽人，兗州煤業股份有限公司北宿煤礦技術員，助理工程師，研究方向：煤礦機電設備的維護和管理。

（責任編輯：黃銀芳）