變頻離心泵的特性曲線研究

許志偉，時彥強

（萬華化學集團股份有限公司，山東煙臺 264006）

1 概述

現代社會隨著化工領域的不斷發展，如系統鍋爐給水、罐區供料裝車、海水淡化采水等，都會出現若干臺大型離心泵并聯操作。由于工藝負荷條件的多變性，目前裝置上大多采用了多臺變頻泵并聯或者變頻泵與工頻泵并聯使用。因此本文深入探討變頻離心泵的工作原理，以期對設備操作及選型有一定指導作用。

2 泵調節的基本工作原理

無論是在理論還是在實際中，機泵的設備性能曲線與工藝系統管路對應的特性曲線交點即為該泵的操作運行工況點。由此不難得出，在實際化工生產的運行與操作中，只要改變以上兩條曲線的任意一條，就可以達到調節工藝系統離心泵操作流量的目的。在實際操作中要想讓系統管路對應的特性曲線發生變化，最簡單也是最常用的辦法就是通過控制離心泵出口閥的開度來改變管路的阻力特性，也就是常說的節流法控制出口流量。但通過節流調節的方法，離心泵的一部分出口能量被消耗在了閥門及管路的損失當中，即浪費了一部分壓頭，因此即使泵的有效流量減小了，但泵實際消耗的電能并沒有完全按比例降低。因此節流調節雖然是最簡單的調節方法，但實際操作中浪費了大量的電能。由于離心泵的特性曲線是決定于設備本身的，故通過給泵吸入口增加誘導輪、改變葉輪入口邊的寬度、切削葉輪、增大或減小前置導葉角度及改變離心泵轉速均可以使離心泵的特性曲線發生偏移與變化。其中通過使用調速設備使離心泵通過特性曲線升高或降低的方法在化工生產裝置中應用最為普遍。當泵本身的特性曲線發生了偏移，泵的特性與管路阻力特性的交點位置必然會發生變動，泵的流量也可以在一定工況內變化。

3 離心泵調速方法介紹

最常見的泵轉速的調節方法有：改變電機轉速，如采用變頻電機；采用改變傳動裝置，如采用皮帶輪或齒輪箱變速；采用液力耦合器變速。其中常用到的就是變頻電機及液力耦合裝置變速，由于在化工實際運用中，變頻電機的使用最為廣泛，本文僅通過變頻電機調速來探討特性曲線的變化。

變頻電機調速主要有以下幾個優點：

1）便于現場安裝及操作。

2）由于實際化工廠工況的復雜，有時工藝人員需要通過連續的工藝參數變化來達到所適用工況，此時可以平穩無極變速到操作轉速工況的變頻調速無疑十分方便，更加符合工藝的操作需求。

3）機泵在開啟時對閥門及管路系統的機械沖擊及對電機的負載沖擊通過變頻調速控制，可以有效降低。

4）通過變頻器對離心泵的調速，可有效改變機泵的流量、揚程，使離心泵始終處于最佳工況點附近工作，同時離心泵的單級揚程和比轉速隨之提高，對泵的穩定運行也提供了良好的條件。

4 相似定律的適用范圍

要想真正理解泵的特性，要首先了解泵相似比例定律，而泵的比例定律是泵相似定律的一種特例，它表示的是在不同的轉速下，同一臺泵相似工況點流量Q、揚程H、功率P與離心泵轉速n之間的比例關系：

流量與轉速比例定律Q1/Q2=n1/n2

揚程與轉速比例定律H1/H2=（n1/n2）2

軸功率與轉速比例定律P1/P2=（n1/n2）3

依此可得出比例定律的結論：即離心泵的轉速發生改變后，流量和轉速的一次方成正比關系，揚程和轉速的二次方成正比關系，功率與和轉速的3次方成正比關系。對應的圖解應為圖1工況，

從以上公式中可看出，當轉速為零的時候泵的流量才為零。但在實際操作中，變頻離心泵的轉速降到一定頻率時（30～35hz）泵的出口就不會有流量。這是因為：

1）相似定律的定義為，兩臺幾何相似的離心泵，在相似的工藝條件下，模型泵與原型泵對應各性能參數之間相互關系的計算公式。相比較而言，比例定律作為相似定律的一個特例，其幾何尺寸比例常數λL=1，即可以將兩臺完全相同的離心泵看成是同一臺泵，輸送相同的工藝介質，僅通過改變離心泵的轉速，離心泵的流量、揚程及軸功率與泵轉速之間的比例關系。

2）比例定律僅適用于不考慮離心泵凈吸入壓頭的情況，即此時此刻離心泵的吸入口和排出口之間沒有高度差。例如在海平面上遠距離輸送工藝介質，離心泵的出口壓頭的唯一消耗即為管路系統的壓力損失，在此種工況條件下，當轉速調節為零時，離心泵的流量也正好降到零，此時出口壓頭（揚程）消失，泵不打液。如圖1所示，工作點A 和C 就完全適合這種工況，比例定律在此種情況是適用的，但遺憾的是此種工藝條件僅在理論上存在。

3）在化工廠的實際操作中，由于工藝需求及布置條件，離心泵的出水口和進水口之間的高度差是不可避免的，有時還會有背壓，如并聯用離心泵或管網本身存在壓力等情況，故不可能達到上述理想工況。對于離心泵并聯操作時，系統中其余正在操作及使用的離心泵的運行壓力也會對并聯離心泵的出液口壓頭有額外影響。因此只有并聯運行的泵出口壓頭大于或等于其余正在操作或使用的機泵當時的壓力（或公用管網壓力）時，并聯運行的泵出口才能正常輸送流體。而此刻總管網實際流量為所有運行的離心泵的流量和，而不是并聯離心泵自身的出口流量。由于此種工況下管網總流量的增大和系統管路阻力的增大，故并聯運行的離心泵工況發生了變化，揚程更高，故比例定律在此也不再適用。

圖1 離心泵的特性曲線

5 圖解分析

結合泵特性與管路特性，圖解可以更加深入地了解變頻泵的工作情況。

5.1 單臺變頻離心泵運行

深入理解變頻離心泵的凈揚程H0，即該泵進出口液位的實際高度差是分析單臺變頻離心泵運行的關鍵點。如圖2所示，50Hz（工頻）下的點A，仍然為額定工作點，此時特性曲線為F1，當通過變頻器改變到某轉速后，由于阻力曲線R1與流量為正相關，故此時工作點變更為B，特性曲線變更為F2。此刻管網阻力曲線的起始點，即流量為0時的揚程點高度，就為該泵的凈揚程H0，而此刻該泵要想正常出液，則該頻率下的出口壓頭必須大于H0。此時此刻變頻泵克服管網阻力系統達到所需工況的流量QB的絕對壓頭實際為工作點B 的揚程與凈揚程的差值，即△H=HB-H0。在以上工況中，相似定律也不適用。

在圖2中，由于R1-KQ 為理想管網阻力曲線，故工頻下此刻泵的性能曲線與理想管網阻力曲線的交點A 為該頻率下離心泵的額定工作點，此時離心泵達到額定揚程和額定流量。但在實際操作當中，由于實際管網阻力曲線的多變性與復雜性，R-KQ 曲線很難達到理想曲線。故實際運行中的額定點一定是偏離A 點的。

圖2 單臺離心泵變轉速運行特性曲線

如圖3所示，在實際工作中，設計方往往選擇泵型時的揚程要大于實際揚程，故此刻實際工況中的最大工作點會偏移至C 點處，如曲線R2為實際管網阻力曲線，則在工頻運行的工況中，C 點才為實際情況的最大工作點。由圖不難看出，此工況下，C點對應的實際最大流量點QC與最大流量時的揚程HC也發生了偏移，同時QC＞QA、HC＜HA。此時隨著機泵流量增加，機泵軸功率增加，電機功率提高，電機也有過載的可能。同理，當變頻泵的頻率發生變化，特性曲線變為F2時，實際工作點為B 點。

5.2 工頻并聯運行性能曲線相同的離心泵

圖3 實際工作點偏移A點

在實際化工生產操作中，當一臺大型泵價值較高、經濟性很差或選型困難超出所選泵廠水力模型時，為了滿足工藝流量等需求時，常將兩臺或多臺泵共同向同一壓力管道輸送介質，此種操作方式稱作并聯運行。在這種情況下，可以適當增加備用泵，保證在單臺設備損壞時有備用泵切換，增加了系統運行的穩定可靠性。在離心泵并聯操作的工況下，由兩臺或多臺離心泵組成的并聯系統的總性能曲線與此時工況的總管路特性曲線的交點即為此時實際操作工況的工作點。根據機泵運行原理，此時并聯工況系統的工作揚程與系統內單臺泵的揚程相同，系統流量為內部流量總和，依照上述原則，將每臺機泵性能曲線中對應的流量疊加，繪制在同一坐標揚程下，可得到并聯運行系統的總性能曲線。

如圖4所示，取兩臺相同性能泵依據以上原則繪制此時并聯工況的總性能曲線與工作點。其中F1曲線為單臺泵在工頻下的運行曲線，此時任意一臺泵獨自運行時的工作點為A，凈揚程為H0。在縱坐標不變的情況下，將橫坐標變更為單臺工頻泵曲線的兩倍，即得到兩臺工頻泵并聯運行時的總的性能曲線F2。此時，并聯操作工況中單臺泵的工作點為B，系統操作工況點位C。即在管網阻力保持原規律時，系統中

QC=2QB，HC=HB。

圖4 相同頻率離心泵并聯運行特性

由圖4可看出，在兩臺相同性能的工頻泵并聯操作的工藝條件下，各個參數值滿足HC=HB＞HA，QC=2QB＜2QA。即如果將兩臺同頻率的泵并聯接入工藝系統時，各個泵在系統中具有大于獨自運行的揚程及小于獨自運行的流量，且此時每個泵的出口壓力一定相同，并聯系統管路中的總輸出流量為此時運行工況的各個泵流量的總和。故選型時直接通過兩臺單泵流量相加而得到總流量的方法是不可取的。同時觀察離心泵并聯曲線圖可得出結論，在離心泵選型過程中，若考慮并聯工況，則盡量選擇具有相對較陡性能曲線的離心泵，同時盡量保證系統管網的的阻力降較平緩。這是因為當系統管網阻力降越大，則阻力曲線越陡，同樣當泵的性能曲線過于平緩時，并聯后系統中每臺泵流量與泵獨立運行時的流量比較就越小，則并聯未取得良好效果。

5.3 泵型相同的變頻泵與工頻泵并聯運行

相同泵型的變頻泵與工頻泵并聯運行時的性能曲線如圖5所示，工頻（或變頻器頻率為50HZ）時設備滿負荷的性能曲線為F1，此時的工作點為A1，揚程為HA1，流量為QA1。當變頻器頻率調節至F2時，該泵獨自運行的工況點為B1，此時該泵性能曲線為F2，揚程為HB1，流量為QB1。當變頻泵與工頻泵同時在系統中并聯運行時，得到此時系統的總性能曲線F3。在并聯系統中，總出口壓頭與每臺泵的出口壓頭相同的，即在并聯系統的工作點C 中，總揚程HC=HB2=HA2，總流量QC=QA2+QB2。此時工頻泵和變頻泵的流量分別為QA2及QB2，揚程分別為HA2及HB2。

圖5 變頻泵與工頻泵并聯運行特性曲線

同時由于F2是變頻泵的曲線，這就決定了在實際操作中變頻泵的實際操作性能不是單一的一條曲線，而是在工頻泵頻率曲線F1左下方的一系列曲線。同理，并聯操作系統的曲線F3是在工頻泵右上方的一系列曲線。系統的總出口壓頭、總出口流量都會隨著變頻器頻率的無極變化，不斷進行調整。在系統運行時，保持工頻泵的狀態不變，降低變頻器的頻率，則變頻泵揚程隨著頻率的變化不斷降低，該泵流量QB2顯著降低，總的系統流量QC也不斷降低。并聯操作系統出口壓頭也隨之減少，相對應的工頻泵的出口壓頭隨之降低。對于工頻泵本身來說，泵本身機械性能未變化，通過其自身性能曲線可知，該泵流量QA2反而略有增加，由此可以得出，工頻泵與變頻泵在一定范圍內是可以并聯使用的，但此時要警惕工頻泵過載，在選泵時工頻泵電機功率一定要滿足滿曲線操作。

6 結束語

隨著節能降耗設計理念不斷的深入，變頻泵勢必會在各個工程領域得到越來越廣泛的應用。深入理解變頻離心泵特性曲線，可以讓設計方、使用方在設備選型時有更多的參考方案。