基于柴油機水泵高效區間的阻力調節方法分析

尹國華 胡守琦 王芳 蔣立坤 姜珊

摘要：在現代水泵環保節能、高效率運行要求下，柴油機水泵運行過程中，為確保水泵的高效運行，需要給出水泵的高效區間。等阻力調節方法在柴油機水泵高校區間調節中，是一個常用調節方法，本次在對水泵調節方式進行分析基礎上，探討柴油機水泵高效區間的等阻力調節方法，對其應用效果展開分析。

Abstract： Under the requirement of environmental protection and efficient operation of modern water pump， the efficient operation of diesel water pump is necessary to ensure the efficient operation of water pump. Equiresistance adjustment method is a commonly used adjustment method in the college interval adjustment of diesel water pump. On the basis of the analysis of water pump adjustment mode， the equivalent resistance adjustment method of diesel water pump is discussed and its application effect is analyzed.

關鍵詞： 柴油機;水泵高效區間;等阻力調節方法

Key words： diesel engine;water pump high efficiency range;equal resistance control method

中圖分類號：U464.138+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0063-03

0? 引言

在當前水泵運行過程中，為提升水泵運行效率，以起到提高經濟效益的作用，都開始針對降低水泵以及風機電耗作為研究重點。通過對水泵運行中電耗的降低，不但有助于提升泵本身效率，也能夠合理選擇水泵調節方式[1]。水泵調節是在水泵運行過程中，部分調節情況下會受到兩臺以上泵的協調以及管理系統等的影響，導致水泵的運轉工況點和最優工況并不相符，也可以為了確保水泵運行是在高校區間，而針對水泵特性曲線實施調節，以能夠提升水泵運轉經濟性。還有一部分情況下，為能夠實現對水泵一定流量要求的滿足，還需要調節管路阻力曲線。想要實現針對水泵運轉工況點的改變，最為重要的方法是針對泵的特性曲線及其管路阻力曲線交點進行移動[2-3]。從這一點可以看出，水泵運行中的調節方法主要為調節泵的特性曲線及其管路阻力曲線。其中結合循環水泵的實際工作情況，存在有兩種調節方式，分別為等阻力特性區間以及恒壓差限轉速區間。本次重點針對等阻力調節方法在柴油機水泵高效區間中的應用展開分析。

1? 水泵的調節方式

1.1 改變管路特性曲線

管路特性曲線公式為H=HST+kQ2，如果已經確定泵站，因為通常HST為常數，因此在對管路特性曲線改變過程中，即為針對管路系統阻力系數k實施改變。是在針對水泵實施節流調節方式的應用下，將閥門或擋板安置在泵的出口管路上，通過對閥門或擋板開度的控制，可以實現對管路阻力系數的改變，進而也就能夠改變管路局部阻力損失，即可以引發出現泵的工作點位置變化。其中改變管路特性曲線圖見圖1。

從圖1中可以看出，這一調節方式即為節流調節法。圖中曲線P為水泵特性曲線、K1為閥門全開情況下管路阻力曲線、H1為工作點相應揚程、Q1為流量;K2為在閥門開度較小情況下的管路阻力曲線，H2為相應揚程、Q2為流量。在此過程中沒有出現改變的是HST，通過圖1能夠發現阻力大小會直接影響到流量，如果將閥門關小，也就會加大管路局部阻力，進而導致管路特性曲線陡度增加，促進水泵的工作點改變，降低水泵流量，也就會從一開始的Q1降低到Q2。從這一點可以看出，在此方法的應用下，可以實現對流量的調整，但是存在有額外能量損失，經濟性不佳，實際應用中的優點主要為操作簡單、安全性高等，且初期投資比較低等，因此在之前離心式泵調節中的應用較為廣泛[4]。由于容易導致出現水泵能量額外損失，進而導致影響到供水效率，經濟性較低，尤其是在功率較大水泵機組中存在更大的能量損耗。所以當前這一調節方法的應用并不多，人們更加注重對經濟而可靠調節方法的研究和應用。

1.2 改變水泵特性曲線

改變水泵特性曲線，即為在將其升高或降低過程中，也能夠引起水泵特性曲線以及管路特性曲線交點的改變，進而也就可以實現增大或減小水泵流量。通常，是引導水泵工況點依照管路特性曲線進行改變，并將其控制在固定范圍內，流量和相應轉速相對應，非常便于對其實施控制。其中在離心泵中這一方法的應用主要有以下方式：

①變徑調節。也被稱為是切削葉輪外徑法，對泵架構實施改變，切削處理好水泵葉輪后，運行過程中的相關參數關系即為切削律。通過切削律，也就是在車床上將水泵葉輪外徑進行切削，縮小尺寸后安裝進行運行，實現對水泵特性曲線的改變。在這一方法應用中操作簡單，基本可以實現對工藝要求的滿足，存在有較高的能量利用率，然而實際運行過程中成本比較高，尤其是已經處于工作狀態的泵，想要對泵結構實施改變難度較大，且就算是對泵結構實施了改變，也會對其通用性產生不良影響，因此導致就算是這一方法在流量調節中具有經濟便利性，但是應用并不廣泛。在針對水泵轉速調節后，可以實現對水泵運行工況的調節，確保水泵運行時在高效區間;

②變速調節。針對同一臺葉片泵，如果運行過程中轉速出現改變，也就會導致相應的流量、揚程、功率以及轉速出現改變。以上存在的關系為比例律，即為水泵相似律特殊形式之一。通過對水泵變速的調節，也就可以在比例律的應用下，通過對水泵轉速的改變，也就能夠引發水泵特性曲線出現變化，以此實現對水泵工作點的調節。這一方法在應用中，不但具有非常顯著的節能效果，也具有較高安全可靠性，能夠對水泵使用壽命起到延長作用，減少電能消耗。與之同時通過對水泵運行轉速的降低，也有助于對其離心泵汽蝕余量NPSHr起到降低作用，降低離心泵發生汽蝕風險。在當前屬于是理想的調節方式，在降低或提高水泵轉速過程中，即可以實現對水泵使用范圍的擴大。一般情況下，水泵轉速主要方法為可調速電機及傳動機構的應用，在應用中原理比較復雜，也需要較大投資，也不會對流量具有較大調節作用，對于轉速的降低最大也只能夠降低到額定轉速的30-50%，且也不可以任意提升轉速。對其原因分析，主要是一旦提高轉速，可能會導致出現電機超載，另外也可能會加大水泵零件的應力，嚴重可能會導致出現零件損害。總體上來看，這一方法在應用中具有顯著的調節效果，便于操作，安全性高，能夠對水泵使用壽命起到延長作用，節省電能，對于離心泵發生汽蝕風險具有降低作用，與之同時也需要通過變頻技術實現對泵的原動機轉速實施改變，相對來講具有較高投資，原理也較為復雜，不能夠實現對流量的大范圍調節;

③邊角調節。如果軸流泵中存在有活動式葉片以及調節機構，在針對前置導葉葉片安裝角的改變，即可以實現對水泵性能曲線的改變，與之同時如果改變葉片安裝角度，也會改變葉片對水的升力作用，進而實現對其工作性能的改變，即可以實現工況調節。在針對水泵工作點實施改變過程中，也能夠確保水泵運行是處于最優工況下。在針對變角調節過程中，能夠有效保障水泵和電機的高效率運行。水泵運行過程中，會依照葉片安裝角變化、齒輪油泵揚程、功率等因素的改變出現變化，然而并不會影響到效率最高點，對于軸流泵性能調節非常有利。軸流泵以及斜流泵在對葉片角進行調節過程中，可以實現對其揚程的改變。

2? 等阻力調節方法在柴油機水泵高效區間中的應用

2.1 等阻力特性區間調節方法

系統運行過程中，通常是依照額定工況選擇水泵類型，一次保障額定工況下水泵運行是處于高效區間，但是在實際運行過程中，因為受到變頻調節作用的影響，工作點始終在不斷移動，也導致水泵運行處于低效率工況。針對末端調節中，通常采用的方法是在電動調節閥的應用下，針對水流量實施調節，進而實現與其負荷變化的匹配，想要實現對電動調節閥調節性能的有效保障，一般需要在各個支路上串聯安裝壓差控制閥，在此應用過程中不但能夠對電動調節閥兩端恒定壓差工作條件起到保障作用，也可以防范其他末端調節影響到當前支路流量。在此應用中可以實現對水系統調節問題的有效解決，但是實際應用中壓差控制閥對于資用壓頭的消耗比較大，另外也會提高循環泵的揚程，因此會導致出現輸配系統較大能耗。其中在水泵運行中可以發現高效區間存在有相應的閉式管路特征區間，在本次研究中將這一區間假設為[Stmin，Simax]，詳情見圖2。

在系統運行過程中，S1為設計狀態下管路特性曲線上的阻力特性，n1為變頻水泵轉速，G1為管路流量以及1為工作狀態點。如果在空調運行過程中，末端負荷降低，也就會降低電動調節閥開度，進入到設備中的流量也會降低，在此情況下管網阻力數也就提升到S2，依照水泵G-H運行曲線變化流量也會轉變為G2，相應的水泵工作狀態點即為2。在這一情況下，針對控制系統實施檢測中發現，和高效區間存在偏離情況下，需要對其水泵轉速進行降低，減少流量，進而也會加大相關末端電動調節閥開度，只有在此情況下才可以實現對相應負荷需求的滿足。在運行過程中，系統運行的最佳狀態即為確保管網阻力特性數回到S1，但是管路流量保持在G2，也就是出現圖2中的3狀態。這一調節方式，即為閉式水系統運行中的一個最佳節能方式，可以確保相關工況點始終保持在同一效率曲線上，實現對相似工況的滿足。但是，系統實際運行調節中無法做到像理論一樣精確，無法確保可以徹底恢復到之前的阻力特性，僅能夠保障可以進入到設定區間，具體為圖2中陰影區間，即可以判定系統運行是處于高效區間，即為水泵高效區間的等阻力調節方法。

2.2 等阻力調節方法系統建構

其中等阻力調節方法應用下的區域功能系統拓撲結構及控制系統詳情見圖3。在系統控制功能實現中采用的方法是集散式調節方案，具體來講也就是各自自主控制熱冷源以及不同末端能源站。其中在系統主循環泵中采用的調節方法即為等阻力調節閥，基于依照末端能源站閥位信號和提前設定的系統阻力區間，對其實現變頻調節。另外在系統不同末端能源站控制中，方案為串級調節方案。在這一方法應用中，控制器能夠及時應對干擾反應，最為重要的是對于干擾的克服速度非常快，對于系統滯后存在的問題可以迅速有效克服，進而實現對其控制精度的改善，由此提升系統的控制質量。系統運行過程中的控制原理即為：結合室外氣溫以及相關歷史數據，即可以實現對氣候補償器的換熱器二次側供水溫度的預定，依照已經制定的預設值和設計換熱器二次側溫度，由此實現對主調節器一次測壓差設定值的計算，也能夠將其發送到副調節器，在此情況下也就可以結合預定值以及實際一次側供回水壓差，實現對電動調節閥開度的調節，由此可以有效保障管網輸送冷熱量和用戶用能需求的匹配。

在水泵高效區間等阻力調節法的應用下，可以將其作為是能源輸配系統的控制方案，在調節過程中，電動調節閥閥位始終保持在恒定設定值上下，所以針對系統中的各末端能源站不必再安裝自力式壓差閥，也有助于降低循環泵的揚程，在實際應用中可以起到良好的節能效果。

2.3 循環水泵調節方法

在系統初步調試過程中，主要是針對不同支路靜壓平衡閥實施調節，以此實現對管路長度不一所致出現阻力差異問題的應對，確保各末端電動調節閥始終保持在90-95%開度，也能夠實現對設計流量的滿足。在系統運行過程中，如果系統需求流量和系統正常工作最小流量相比偏小，也就需要實現對水泵壓差上下限和最小轉速的限定，如果在系統運行過程中確保是在恒壓差區間內，具體即為圖4中的陰影部分;如果在系統運行過程中，需求流量和最小流量相比偏大情況下，結合水泵梁端壓差和系統流量也就可以實現對管網阻力數的計算，若這一數值和設定區間存在一定偏離，會對循環水泵轉速起到降低作用，因為受到系統總流量降低的影響，不同末端電動調節閥開度也會隨之開發，進而也就會降低系統阻力，通過多次以上調節能夠保障系統阻力恢復到設定區間，即為完成了整個調節過程。如果計算過程中，發現獲得的系統阻力是在設定區間內，即表示末端出風溫度沒有達到設定要求，可以判定在這一階段中系統總流量非常小，相應的對策即為對循環水泵轉速進行加大，針對以上過程實施循環，直到可以實現對末端負荷要求的滿足。在調節過程中，所出現的電動調節閥、系統流量以及循環水泵變頻調節的改變是循序漸進的，且整體保持平衡，因此能夠得到穩定的管網水力工況，具有良好的應用效果。

3? 結語

在本次研究中，所得結論主要為：

第一，探討了水泵的調節方式，即為可以針對水泵調節過程中，確保水泵運行處于高效區間。目前存在的調節方式主要為針對泵的性能曲線和管路阻力曲線實施改變，改變水泵的工況點，不但可以實現對水泵工藝要求的滿足，也有助于實現水泵的高效率運行。

第二，等阻力調節法在水泵高效區間中的應用，在針對電動調節閥的應用下，也就可以實現對末端控制要求的滿足，進而實現對系統總阻力的降低，降低循環水泵養成，另外也可以確保水泵運行始終處于高效區間，進而取得良好的節能效果。

第三，在整個控制過程中，等阻力區間調節法屬于是漸進式調節，即為需要提前設定合理的控制采樣周期，有助于取得良好的水力穩定性。

第四，基于本質分析，等阻力區間調節法即為變壓差控制方法之一，調節過程中需要反復計算和設定阻力數，對于控制效果，流量、閥門以及壓差等相關參數均可以對其產生影響。和傳統定壓差控制方法相比，等阻力區間調節法也必須要長期在實踐中應用，以能夠對其實際應用效果展開分析，充分認識到其整體應用價值。

參考文獻：

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[4]葛鳳華，于秋生，胡自成.管網特性對水泵變流量運行能耗的影響[J].排灌機械工程學報，2011，29（3）：266-271.