一起离心泵选型工程案例分析

一起离心泵选型失误工程案例分析
孙万富
摘要
关键词管路特性曲线阻抗车削叶轮泵的相似律
0引言
通常在大型空调建筑中空调电耗占整个建筑的30%—40%，而空调水泵的能耗又占中央空调系统总能耗的20%—30%，且常用的离心泵工作特性有别于轴流泵，因此，合理地选择空调泵成为空调系统安全、经济、平稳运行的重要前提之一。

在实际工程中，由于人们对离心泵的特性认识不足，导致选型失误，或对工程技术问题处理不当，给系统的正常运行管理带来诸多隐患。

1999年夏天笔者参加了一项民用建筑空调工程项目的施工、调试，由于选型失误及业主的固执，空调泵一直处于高能耗的运行状态，每年直接经济损失15元。

现将问题的发现、处理及选型失误介绍作如下分析，以供工程设计及技术改造参考。

1故障现象及现场处理
该工程为广东中山市某大酒店的裙房部分（商场），空调主机为两台400冷吨的离心式冷水机组，与之相配套，冷冻水泵选择了离心泵两台均为Q=300m3 /h, H=30mH2O。

工程施
工结束，调试时发现随着冷冻水泵出口阀门开启程度的加大，泵内产生很大的噪声，出口压力很高，进口压力为0（实际应为负压），业主认为问题严重，
要求马上解决问题，且不得采用关小泵出口阀门的方法，迫于工期等诸方面压力，在泵出口设置两个变径加大出口阻力，故障现象基本消除，通过工程验收，但遗留了隐患：（1）水系统的能耗大大增加；（2）水流量偏小，增大主机蒸发器冻结的可能及降低主机的制冷效率。

2原因分析
离心泵在选型时，首先根据工程要求合理确定最大流量与最大扬程（用Q max及H max表示），然后分别加10—20%作为不可预计（如计算误差、漏耗等）安全裕量作为选用的依据，即：Q=1.1Q max
H=1.1~1.2H max
这样即可使得离心泵处于高效区内平稳运行，且泵的实际流量扬程与设计值相接近，该工程经事后根据实际管路计算，所选水泵扬程若为H=15mH2O即可满足要求，而实际所选泵的扬程为H=30mH2O（流量Q=300m3/h是根据主机所需流量而定的），是实际所需扬程的2倍，则泵与所在的管路系统明显不匹配。

若泵出口阀部分开启，由流体在管路系统中的流动特性知，流体在管路系统中流动时所消耗的能量用于克服管路系统两端的的压差H1及阻力hι，根据流体力学原理阻力损失可表达为流量Q的函数：
hι=SQ2
式中S——阻抗（s2/m2），与管路系统的阻力与局部阻力及几何形状有关。

则总能耗H= H1+ SQ2。

当泵出口阀部分开启，则阀门处的局部结构状况决定局部阻抗很大，整个管路系统的总阻抗S也相应很大，对应的管路性能曲线较为陡直，如图OB示，与离心泵的性能曲线交点B即为工况点，此时泵的流量较小扬程却较大。

对于泵的入口，虽然有较大的阻抗，由hι=SQ2知不会有太大的阻力损失。

反之，若泵出口阀逐步开大，阀门处的阻抗相应减小，整个管路系统的总阻抗S也相
应减小，对应的管路性能曲线较为平缓，如图OC示，与离心泵的性能曲线交点C即为工况点，此时泵的流量较大扬程却较小。

在泵的吸入口及吸入口的过虑器处阻抗较大，由hι=SQ2知会有很大的阻力损失，当阻力损失大到一定值时，就会在泵入口出现很大的负压（即具有很大的真空度），如果泵内某处的压P k低至该处水温度下的汽化压力，即：P k≤P v，部分水即开始汽化在液体内部形成气泡，与此同时，由于压强降低原来溶解在水中的某些活泼气体，如氧气在负压条件下也会逸出，更增加了产生汽泡的可能性与数量，这些气泡随液体快速流进泵的高压区（叶轮叶片之间）后迅即破灭，于是局部产生高频率，高冲击力的水击，不断打击泵内部件，尤其是叶轮，压力愈低，气泡愈多，则冲击愈明现，噪声和振动愈大，同时水泵的出流量急剧减小，严重时会出现断流，即发生“汽蚀”现象。

亦即该工程调试时出现的现象，显然，这是应该避免的。

至于在泵的出口设置变径，实质就是加大管路系统的阻抗，与关小阀的开启程度等效，此时管路特性曲线较陡，系统流量较小，为防止蒸发器内的换热管冻结胀裂，这是不允许的；同时，据泵的Q—N性能曲线，消耗的轴功率并没有降低多少（且电机没有更换），故仍处于高能耗状态下运行。

3正确处理
鉴于上述情况，根据离心泵的特性和选型的基本原则，可
方案一：重新选用与系统相匹配的泵和电机
即将原有的两台泵均更换为Q=300m3 /h, H=15mH2O的离心泵，该方案的优势在于泵与管路系统具有良好的匹配性，泵处于高效区内、低能耗状态，就当地的气候条件及建筑物情况，每年电费就可节省10~15万元，项目改造费用半年就可收回，只是需要几万元初投入。

该措施使用于泵额定流量、扬程所需值偏差较大的情况。

（2）车削叶轮外径同时重新选配电机
实践证明如果叶轮车削量不大（一般不超20%），泵的效率基本不降低，最大车削量见下表：
具体可根据我国博山水泵厂的经验按下式进行较为准确的计算：
Q`/Q=（D2`*F2`）/（D2*F2）
H`/H=（D2`/D2）2* ( tgβ2`/tgβ2)
式中Q`、H`——叶轮车削后的流量和扬程；
D2`、F2`、β2`——叶轮车削后的外径及出口过流面积和叶片出口安装角；
n s——为比转数。

该方案优势在于技改投入较少，可降低能耗，但与系统未必就很匹配，而处于高效区内工作，适用于扬程、流量偏差不是很大的场合。

（3）电机更换为低转速小功率电机
根据泵的相似律，有：
式中Q、H、N、n——调节后的泵流量、扬程、轴功率及转速
Q m、H m、N m、n m——泵的额定流量、扬程、轴功率及转速
该方案适用于流量、扬程偏大的场合，由于常用异步电机转速级别的限制，适用面较小。

4结论及讨论
（1）对常用离心泵在额定流量、扬程与所在系统不匹配的情况下，两者可相互转化，直至以实现管路阻力、动静压增加、提升高度（对该系统而言，后两者不变）三者之和与扬程相一致。

（2）离心泵的额定流量、扬程与所在系统要匹配，即：Q=1.1Q max
H=1.1~1.2H max 不能陷入安全裕量越大越保险的误区而随意增加安全裕量。

（3）解决离心泵与管路的匹配问题必须考系统运行的安全性、经济性，二者缺一不可。

5参考书目：
周谟仁.流体力学泵与风机.北京:中国建筑出版社.1994?
柴慧娟等. 现代建筑空调技术丛书高层建筑空调设计.北京:中国建筑出版社.1995 陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京.中国建筑出版社.1993
A.
B.对改造后的分析
C.正确的处理方法、理论依据及比较（尤其与加变径的比较）
D.尽量运用图形、性能曲线及计算公式
E.调查Q=300，H=30泵的电机功率、转速、叶轮直径及Q=300，H =15，的电机功率、
转速
此时水泵则会调整额定的流量、扬程关系（据水泵的Q—η曲线，水泵的效率必然下降），以实现管路阻力、动静压增加、提升高度（对该系统而言，后两者不变）三者之和与扬程相一致，多余的扬程则用于加大系统的流量，根据流体力学原理阻力损失可表达为流量的函数：
（4）灌录曲线决定流量扬程的转化。