離心泵性能分析及能效評價系統研究

楊海瑞 郝嬌 李睿 陳浩 常舒磊

摘要：離心泵設備廣泛應用于工農業領域，其性能分析與研究對于節能具有重要意義。研究開發離心泵性能分析及能效評價系統，闡述系統設計方案，建立數學模型，確定計算機處理系統的邏輯框架，提出離心泵、電機反饋選型優化的邏輯擴展，以期為離心泵節能改造提供理論依據。

關鍵詞：離心泵;性能分析;能效評價;系統

中圖分類號：TH311? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）03-0025-03

離心泵具有轉速高、體積小、質量輕、揚程高、結構簡單、性能平穩、容易操作與維修等特點，廣泛應用于工農業等領域。在農業生產中，離心泵是主要的排灌機械，需求量很大。離心泵是消耗電能的主要設備，有效降低其能源消耗是生產企業和使用單位追求的一項重要目標。目前普遍使用的離心泵性能測試系統多為功能單一的性能參數測定系統，本課題在傳統的性能測試系統中融入串并聯分析和先進的能效評價技術，設計一種新型離心泵性能分析及能效評價系統，既可以對離心泵機組進行常規的性能參數測試，也可以進行串并聯性能分析，還可以擴展進行能效評價分析，適用于離心泵生產及使用的節能改造。

1 系統方案設計

1.1 系統組成

系統主要由離心泵裝置、數據采集及計算機處理3個部分組成。在計算機處理系統設計中，除了加入現有的性能曲線測定技術外，還加入了串并聯分析和智能的能效評價技術。離心泵裝置的工藝管路設置2臺同型號離心泵，配以相應的流量、壓力、功率等測量儀表對裝置的監測參數進行數據采集，通過閥門控制實現對應的串并聯操作，將各流量下采集的數據導入能效評價系統，對機組的各種能效評價指標進行分析。系統框圖如圖1所示。

1.2 數據采集

數據信息分為輸入數據和測量數據兩種。輸入數據是指需要手動輸入的相關重要參數，包括介質參數、裝置尺寸（如吸入口直徑與排出口直徑、吸入口與排出口位高差等），以及離心泵、電機等額定信息參數，這些數據可以累積形成數據庫，實現從數據庫中調取所需設備信息。測量數據是指通過各種參數測量儀表所采集的數據信息，包括壓力、流量等參數，這些數據可以通過機械式儀表讀取，也可以通過電子儀表和DCS系統直接進行采集。

2 數學模型建立

2.1 性能曲線測定

系統可實現單臺泵在定轉速和變轉速下的性能曲線測定。1） 在定轉速下，通過調整離心泵出口閥來改變泵流量，同時測定各工況下離心泵的進出口壓力、功率等參數，從而在計算機中繪制離心泵揚程、功率、效率的性能曲線。2） 調節變頻器，測量單臺泵在不同轉速下的流量、進出口壓力、功率等參數，繪制離心泵在不同轉速下的性能曲線。

下面介紹具體的邏輯運算流程。

1） 介質在泵中流速的計算公式：

Cs=Q

Ds2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Cd=Q

Dd2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Cs，Cd分別為介質在泵進、出口處的流速，m/s;Q為離心泵的流量（即離心泵機組流量計顯示數字），m3/s;Ds，Dd分別為泵進、出口法蘭的管道內徑，m。

2） 離心泵揚程的計算公式：

H=+Zsd+? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：H為揚程，m;Ps，Pd分別為泵進、出口處的壓力，Pa;ρ為輸送介質的密度，g/cm3;g為重力加速度，m/s2;Zsd為泵進、出口測壓點的垂直距離，m。

3） 離心泵有效功率的計算公式：

Ne=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：Ne為離心泵的有效功率，kW。

4） 軸功率的計算公式：

Nz=No·ηD·ηce? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

No=cosφ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中：Nz為軸功率，kW;No為電機的輸出功率，kW;ηD為電動機的效率;ηce為傳動裝置的效率;U為電機輸入線電壓，V;I為電機輸入線電流，A;cosφ為電機功率因數。

2.2 串并聯性能分析

2臺或多臺泵的串并聯可通過設計的工藝管路閥門來實現。以2臺泵串聯為例進行分析：根據泵的揚程—流量特性曲線測定方法分別獲得離心泵的Hpump單和Hpump雙的揚程—流量特性曲線，再根據管路阻力特性曲線方程得到管路特性曲線Hpipe，完成性能分析，對比A，B，C，D代表的工況點特性，得出泵對應于管路系統的串聯適用程度（如圖2所示）。

管路阻力特性曲線方程為：

H=+Z排-Z吸+kQ2? ? ? ? ? ? ?（7）

Hpot=+Z排-Z吸 ? ? ? ? ? ? ?（8）

kQ2=λ+∑ζ ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中：p吸，p排分別為吸液面和排液面上的壓力，MPa;Z吸，Z排分別為吸液面和排液面的位高，m;Q為裝置的流量，m3/s;λ為介質的沿程阻力系數;l為裝置管路長度，m;d為管道當量直徑，m;C為管道內介質流速，m/s;ζ為局部阻力損失系數。

同理，可分析離心泵對應于管路系統的并聯適用程度。離心泵串并聯的適用程度與泵的揚程—流量特性曲線和管路阻力特性曲線的陡直程度密切相關。

2.3 能效評價

2.3.1 離心泵經濟運行評價指標 以離心泵的實際運行效率作為泵經濟運行的評價指標，即：

ef泵=? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中： ef泵為離心泵的實際運行效率;t為第i次載荷的記錄時間，h。根據GB/T 13469—2008《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵系統經濟運行》，得出泵經濟運行判別依據（見表1）。

2.3.2 電機經濟運行評價指標 采用電機輸入電流與額定電流的比值作為電機經濟運行評價指標，即：

ef電機=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：I為電機輸入線電流;Ie為電機額定電流。根據GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》，得出電機能效判別依據（見表2）。

離心泵的工作效率與其運行所在的工況點密切相關，通過改變運行工況點參數可以獲得不同工作載荷期內的經濟運行評價結果，對機組在一定載荷變化期內的運行情況進行評估。

3 計算機處理系統

計算機處理系統的邏輯框架如圖3所示。

系統界面設計采用基于.NET平臺的MVC模式。該平臺由微軟公司開發，版本不斷更新進步。MVC是一種軟件開發架構，它把數據處理、程序輸入輸出控制及數據顯示分離開來，并且描述了不同部件對象間的通信方式，如能耗評價模塊的子界面包括參數錄入界面、能效評價界面和判定結果顯示界面等。MVC把系統組成分解為Model（模型）、View（視圖）、Controller（控制器）三部分，這三部分的層次結構并不明顯，向下依賴關系也并不顯著，而是以最少的耦合協同工作，便于系統各部分之間的修改，從而大幅度提高了軟件的靈活性、封裝性、可維護性及可修復性。

4 結語

根據工程實踐需要，本課題設計開發出離心泵性能分析及能效評價系統，集離心泵性能參數測定、串并聯特性分析和能效評價功能為一體，改變了測試系統的工藝路線及功能模塊，適應于生產、使用企業對離心泵節能改造方面日益突出的需求。

參考文獻

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Research on The Performance Analysis and Energy Efficiency

Evaluation System of Centrifugal Pumps

YANG Hairui， HAO Jiao*， LI Rui， CHEN Hao， CHANG Shulei

（School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua Univeisity， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract： Centrifugal pumps are widely used in industrial and agricultural fields， and the analysis and research on performance of centrifugal pumps are significant for energy conservation. In this paper it researches and develops the performance analysis and energy efficiency evaluation system of centrifugal pumps， elaborates the system design scheme， establishes mathematical model， determines the logical framework of computer processing system， and puts forward the logic expansion of centrifugal pump， motor feedback selection optimization， in order to provide theoretical basis for centrifugal pump energy saving transformation.

Key words： centrifugal pumps; performance analysis; energy efficiency evaluation; system