流体输配管网第8章.ppt

第8章泵 风机与管网系统的匹配 8 1泵 风机在管网系统中的工作状态点8 2泵 风机的工况调节8 3泵 风机的安装位置8 4泵 风机的选用 8 1泵 风机在管网系统中的工作状态点 8 1 1管网特性曲线1 枝状管网的阻力特性 1 管段的阻力特性 2 枝状管网的简化1 管段串联 两个管路构成的回路 或虚拟回路 中 重力作用与输入的全压动力均为零 则它们处于 水力并联 地位 其阻力相等 2 管路 水力并联 3 枝状管网 可经过逐次简化为一个管路 3 枝状管网的阻力特性 4 管网特性曲线工程背景 通风空调气体管网机械循环采暖管网室外供热管网空调冷冻水管网空调冷却水管网 Pst反映了环境因素对流动的影响 4 管网特性曲线 4 管网特性曲线 8 1 2管网特性曲线的影响因素 影响管网特性曲线形状的决定因素是阻抗S S值越大 曲线越陡 S f l d k 8 1 2管网特性曲线的影响因素 Pst反映了环境因素对流动的影响 包括重力作用力 环境与管网交界面的压力 其值的大小决定了管网特性曲线起点在纵坐标上的位置 8 1 3管网系统对泵 风机性能的影响 产品样本给出的某种类型 规格的泵 风机的性能曲线 或性能参数表 是根据某种标准实验状态下测试得到的数据整理绘制而成的 在实际使用中 工作流体的密度 转速等参数可能与试验时不一致 此时可根据相似律换算出新的流体密度 转速等条件下泵与风机的性能曲线 由于泵 风机 是在特定管网中工作 其出入口与管网的连接状况一般与性能试验时不一致 将导致泵 风机 的性能发生改变 一般会下降 这称为 系统效应 1 入口系统效应 1 入口系统效应 2 出口系统效应 系统效应管段长度 从风机出口不规则的速度分布 到管道内气流速度规则分布的截面之间的长度 称之为效应管道长度 为避免能量损失 不应在此长度内安装形状突变的管件或设备 2 出口系统效应 出口连接弯管 2 出口系统效应 系统效应曲线 风速 100fpm m s 泵 或风机 的性能曲线泵或风机在一定转速下 扬程H 全压P 功率N 效率 随流量Q变化的关系曲线 其中最重要的是H Q 或P Q 曲线 它揭示了泵或风机的两个最重要 最有实用意义的参数 扬程H 或全压P 与流量Q之间的关系 Q C Q H Q C H C N Q Q N C 6 1 4泵 风机 在管网系统中的工作点 8 1 4泵 风机 在管网系统中的工作点 泵 风机 在管网中工作 其总工作流量即为管网的总流量 泵 风机 所提供的能量与管网中流体流动所需的能量相等 将泵 风机 的实际H Q性能曲线与其所在管网系统的管网特性曲线 用相同的比例尺 相同的单位绘在同一直角坐标图上 两条曲线的交点 即为该泵 风机 在该管网系统中的工作状态点 或称运行工况点 如图中的A点 工况点 8 1 4泵 风机 在管网系统中的工作点 工况点的解析解法 工况点上 泵 风机的工作流量即为管网中通过的流量 提供的压头与管网在该流量下流动所需的压头相一致 稳定工况点 稳定工况 8 1 2泵 风机 在管网系统中的工作点 泵 风机 的流量QB小于管路的流量QA时 其压头HB大于管路的阻力HA 多余的能量将使流体加速 流量加大 工况点将自动由B移向A 反之 如泵 风机 在C点工作 流量QC大于管路流量QA 其压头小于管路阻力 则流体减速 流量减小 工况点自动由C移向A 可见 A点是稳定工况点 非稳定工况点 8 1 2泵 风机 在管网系统中的工作点 性能曲线是驼峰形的泵 风机 E点是不稳定工况点 当泵 风机 受到干扰时 如电压波动 如流量由E点向流量增大方向偏离时 泵 风机 的压头大于管路阻力 管路中流速加大 流量增加 工况点继续向流量增大的方向移动 无法回到原工作点 反之亦然 应通过工况分析 使泵 风机 工作在稳定工作区 3 喘振及其防止方法 当风机在非稳定工作区运行时 可能出现一会儿由风机输出流体 一会儿流体由管网中向风机内部倒流的现象 专业中称之为 喘振 并非在非稳定区工作时必然发生喘振 例如当风机特性曲线峰值左侧的曲线较平坦 运行工况点离峰值点较近 管网特性曲线的斜率较小 且管网中干扰能量较小 压力波动不大时 风机适当减小输气量后能使压力得到恢复 风机又回到原工况点工作 虽不稳定 但不至于喘振 当风机性能曲线峰值左侧较陡 运行工况点离峰值较远时 才开始发生喘振 一般来说 轴流风机比离心风机易发生喘振 高压风机比低压风机易发生喘振 喘振现象发生后 设备运行的声音发生突变 流量 压头急剧波动 并发生强烈振动 如果不及时停机或采取措施消除 将会造成严重破坏 3 喘振及其防止方法 应尽量避免设备在非稳定区工作 采用旁通或放空法 增速节流法 4 系统效应对工况点的影响 通过选择合理的进出口连接方式 可以减小或消除系统效应对泵 风机的性能产生的影响 当确实因实际安装位置限制等原因导致无法避免系统效应时 应在设计选用泵 风机 时将系统效应的影响考虑在内 重点内容需要解决的问题 联合运行设备组性能曲线联合运行时系统的工况点联合运行时任一设备的工况点部分设备工作时的工况点并联运行的特点与应用串联运行的特点与应用 8 1 5管网系统中泵 风机 的联合运行 何谓联合运行 两台或两台以上的泵 或风机 在同一管网系统中共同工作 称为联合运行 联合运行的目的是什么 增加流量或增加压头 便于管网调节 适应用户需求的变化联合运行有哪些方式 并联运行 串联运行 6 1 5管网系统中泵 风机 的联合运行 1 泵 风机 并联运行工况分析 多台水泵在同一水池吸水 向同一管路供水 1 泵 风机 并联运行工况分析 多台水泵 或风机 具有共同的吸水 气 和出水 气 管路 H H1 H2Q Q1 Q2 1 并联运行工作的基本特征 2 并联运行设备组的性能曲线 在Q H坐标系上分别绘出各台设备的Q H性能曲线I II 在纵轴上取压力值H 做水平线 分别与各设备性能曲线相交 得到交点a b 延长水平线H Ha Hb至C 且Qc Qa Qb c应为并联性能曲线上的点 另取压力值 按上述方法可得并联性能曲线上不同的点 将获得的点光滑连线 即得两台泵 风机 并联运行的联合性能曲线 A是两台水泵并联运行时管网系统的工作点 管网流量为QA B是两台水泵并联运行时各台水泵自身的工作点 流量均是QB QA 2QBHA HB 3 两台相同的泵 或风机 并联运行 Q B Q C A Q A B C H Q a b B C 过A作水平线与I交于B C是其中一台设备单独运行时的工作点 管网流量为Qc 设备流量为Qc Qc QB说明设备单独运行比参与并联运行时的流量大 QA Qc并联后总流量增加 QA QcHC并联后压头增加 3 两台相同的泵 或风机 并联运行 Q B Q C A Q A B C H Q a b B C I与III的交点C 4 多台相同泵 风机 并联运行 B A H C Q Q 1 2 Q 是单机的性能曲线 是两台设备并联时的性能曲线 是三台设备并联时的性能曲线 是管网特性曲线 A是单机运行时系统的工况点B是两台并联时的工况点C是三台并联时的工况点 Q1是从单机增加至两台并联运行时的流量增量 Q2是从两台增加至三台并联运行时的流量增量 Q2 Q1 随着并联台数的增多 流量增加的效果变差 1 陡降型性能曲线 1 是两台并联的性能曲线2 平缓型性能曲线 2 是两台并联的性能曲线陡降型并联得到的流量增量 Qc Qa平缓型并联得到的流量增量 Qb QaQc Qa Qb Qa Q 5 设备性能对并联运行工况的影响 性能曲线陡降型设备并联 流量增加更显著 6 管网特性对并联运行工况的影响 I Q H II dQ2 dQ1 1 1 I 一台设备的性能曲线II 两台设备并联的性能曲线1 较陡的管网特性曲线1 较缓的管网特性曲线管网特性曲线较陡时并联得到的流量增量 dQ1管网特性曲线较缓时并联得到的流量增量 dQ2dQ2 dQ1 管网特性曲线越平缓 设备并联运行流量增加越显著 8 不同性能设备并联运行 A B C H Q Q C A E Q B A Q D H F 分别是两台设备的性能曲线 是两台设备并联的性能曲线 是管网特性曲线A点是两台设备并联工作的工况点 C B分别是其中设备I和设备II的工作点E D分别是设备I和设备II单独在管网中运行的工作点QA QD QE 当并联工况点移至F点时 由于设备 的压头不能大于HF 因而不能输出流量 此时应停开设备 工程中一般采用相同的设备并联运行 多台设备并联工作的总流量等于各设备流量之和 总压头与各设备压头相等 多台设备并联工作的总流量小于并联前各设备单独工作的流量之和 在同一管网系统中 任一设备参与并联运行时的流量小于其单独运行时的流量 压头则大于其单独运行时的压头 并联台数增多 每并联上一台设备所增加的流量愈小 不宜采用过多设备并联运行的方式 管网特性曲线越陡 并联运行流量增加越少 设备性能曲线越陡 并联运行流量增加越多 9 泵 风机 并联运行特点小结 10 泵 风机 并联运行的应用 当用户需要流量大 而大流量的泵或风机制造困难或造价太高时 流量需求变化幅度大 通过停开设备台数以调节流量时 当有一台设备损坏 仍需保证供液 气 做为检修及事故备用时 2 泵 风机 串联运行工况分析 串联 第一台设备出口与第二台设备吸入口连接 H H1 H2Q Q1 Q2 1 串联运行工作的基本特征 2 串联运行设备组的性能曲线 2 串联运行工况分析 曲线 是一台设备的性能曲线曲线 是两台设备串联运行的性能曲线曲线 是管网特性曲线A点是串联工作的工况点 流量为QA 压头为HAB点是串联工作时其中一台设备的工况点 流量为QB QA 压头为HB HA 2HB 2HCC点是其中一台设备单独工作时的工况点 流量为QC 压头为HC HC HA Qc QA 过A作垂线线与I交于B 串联运行的总流量和压头都比串联前高 表面上看 增加压头是串联的目的 但最终目的一般还是为了满足更大的流量需求 流量大 管网的阻力大 需要更大的动力 泵 风机 的性能曲线越平坦 串联后增加的流量和压头越大 越适合串联工作 3 泵 风机 串联运行特点小结 一台高压的泵或风机制造困难或造价太高 在管网改建或扩建时 管网阻力加大 需要的压头提高 一般应采用性能相同的泵串联工作 下游水泵承受压力较高 应注意泵的强度 风机串联工作的操作可靠性差 一般不推荐采用 4 泵 风机 串联运行的应用 例 某管网使用水泵一台 总流量为200m3 h时 管网总阻力是10m 管网进出口高差10m 现需将管网总流量增加50 决定增加一台相同的水泵 问新增加的水泵是并联运行好 还是串联运行好 1台水泵的性能参数表 解 作图进行工况分析 根据工况分析图可知 串联一台后管网的流量为220m3 h 不满足要求 并联一台后流量为300m3 h 满足要求 Hst H Hst SQ2S H Q2 思考 有人说 相同的两台水泵并联运行 其流量应等于任意一台水泵单独工作时流量的2倍 这种说法对吗 某管网需要的流量是200t h 选择两台额定流量为100t h的水泵是否能够满足要求 试进行分析 6 2泵 风机的工况调节 6 2 1调节管网系统特性1 液体管网系统特性调节 分析 采用增大阻抗减小流量的代价 2 气体管网系统特性调节 吸入管阀门调节 改变了风机的性能 B点和B 点比较 所需功率减小 6 2 2调节泵 风机的性能 1 变速调节雷诺自模区内 同一泵或风机在不同转数下的性能曲线上存在一一对应的相似工况点 在相似工况点之间 性能参数服从相似律的关系 分析 不改变管网 减小转速 将流量从QA调节到QB a 广义特性曲线管网的情况 b 狭义特性曲线管网的情况 通过以上的分析 可以得出有重要工程意义的结论 1 具有狭义管网特性曲线的管网 当其特性 总阻抗S 不变时 泵或风机在不同转速运行时的工况点是相似工况点 流量比值与转速比值成正比 压力比值与转速比值平方成正比 功率比值与转速比值三次方成正比 若变转速的同时 S值也发生变化 则不同转速的工况不是相似工况 上述关系不成立 对于具有广义特性曲线的管网 上述关系亦不成立 通过以上的分析 可以得出有重要工程意义的结论 2 用降低转速来调小流量 节能效果非常显著 用增加转速来增大流量 能耗增加剧烈 在理论上可以用增加转数的方法来提高流量 但是转数增加后 使叶轮圆周速度增大 因而可能增大振动和噪声 且可能发生机械强度和电机超载问题 所以一般不采用增速方法来调节工况 实际应用问题 1 不改变管网 减小转速 将流量从QA 对应转速n 调节到QB 转速应为多少 解 求流量为QB时要求的工况点 B点 过B点作相似工况曲线 与转速为n时的泵或风机的性能曲线的交点 是B点的相似工况点 在此两点间依据相似律求应有的转速 实际应用问题 2 转速n时流量为QA 不改变管网 转速减小为n 流量为多少 解 求转速为n 时的水泵 风机 性能曲线 其与管网特性曲线的交点即为新的工况点 从而求出新的管网流量 复习 已知转速n时水泵的性能曲线 求转速减小为n 时的性能曲线 解 在转速n的水泵性能曲线上找若干点 利用相似律 求对应的相似工况点的性能参数 连接起来可获得新转速下的性能曲线 改变泵或风机转数的方法有 1 改变电机转数 常用 变频调节 2 调换皮带轮 3 采用液力联轴器 2 进口导流器调节 导流器的作用是使气流进入叶轮之前产生预旋 当导流器全开时 气流无旋进入叶轮 此时叶轮进口切向速度vu1 0 所得风压最大 向旋转方向转动导流器叶片 气流产生预旋 使切向分速vu1加大 从而风压降低 导流器叶片转动角度越大 产生预旋越强烈 风压p越低 3 切削叶轮调节 泵或风机的叶轮经过切削 外径改变 其性能随之改变 泵或风机的性能曲线改变 则工况点移动 系统的流量和压头改变 达到节能的目的 叶轮经过切削后与原来叶轮不符合几何相似条件 出口速度三角形相似 切削律 应用1 已知水泵叶轮外径D2时的性能曲线 求D2 时的性能 解 在外径D2时的性能曲线上选取若干点 应用切削律 计算外径为D2 时对应的各个点的参数值 并连成曲线 应用2 已知水泵叶轮外径D2时的性能曲线和管网特性曲线 水泵输出流量是Qa 要求通过改变叶轮直径 将流量调整为Qb 求此时的直径D2 解 1 找到所要求的新的工况点B 2 过新工况点作切削曲线 找到与外径D2的水泵性能曲线的交点C 或D 在B点和C点 或D点 之间利用切削律 求出D2 注意 切削会带来效率下降 对切削量有限制 比转数越大 允许切削量越小 使用中通常是提供几套叶轮经过切削的叶轮在需要时进行更换 表6 2 1叶轮最大切削量 例6 1 已知水泵性能曲线如下图 管路阻抗S 76000mH2O m3 s 2 静扬程Hst 19m 转速n 2900r min 试求 水泵的流量Q 扬程H 效率 及轴功率N 用阀门调节方法使流量减少25 求此时水泵的流量 扬程 轴功率和阀门消耗的功率 用变速调节方法使流量减少25 转速应调至多少 6 3泵与风机的安装位置 6 3 1水泵的气穴和气蚀现象引起原因 水泵内部低压区 液体汽化 后果 引起局部水锤 破坏水泵叶片 避免气蚀的技术原理 使水泵内部最低点的压力高于工作温度下的汽化压力 且有一定的富余值 避免气蚀的技术手段 使水泵内部的水保持一定的压力 避免汽化 通常要控制水泵的距离吸水面安装高度 6 3 2吸升式水泵的安装高度 在实际应用中 Hs 的确定应注意如下两点 当泵的流量增加时 1 1断面至叶轮进口附近的流体流动损失和速度头都增加了 所以 Hs 应随流量增加而有所降低 水泵厂一般在产品样本中 用Q Hs曲线来表示该水泵的吸水性能 图6 3 2为14SA型离心泵的Q Hs 曲线 泵的产品样本给出的Q Hs 曲线是在大气压强为10 33mH2O 水温为20 的清水条件下试验得出的 当泵的使用条件与上述条件不相符时 应对 Hs 值按下式进行修正 Hs Hs 10 33 ha 0 24 hv 图6 3 214SA型离心泵Q HS 曲线 例6 3 12Sh 19A型离心泵 流量为0 22m3 s时 由水泵样本中的Q Hs 曲线中查得 其允许吸上真空高度 Hs 4 5m 泵进水口直径为300mm 从吸水管进入口到泵进口的水头损失为1 0m 当地海拔为1000m 水温为40 试计算其最大允许安装高度 Hss 解 查表6 3 2当海拔为1000m时 Pa 0 092KPa 则ha 9 2m 查表6 3 1水温为40 时 Pv 7 5KPa 则hv 0 75m 根据 6 3 5 式 Hs 4 5 10 33 9 2 0 75 0 24 2 86m 6 3 3灌注式水泵的安装高度 对于有些轴流泵 或管网系统中输送的是温度较高的液体 例如供热管网 锅炉给水和蒸汽管网的凝结水等管网系统 对应温度下的液体汽化压力较高 或吸液池面压力低于大气压而具有一定的真空度 此时 叶轮往往需要安装在最低水面以下 对于这类泵常采用 气蚀余量 来衡量它们的吸水性能 确定它们的安装位置 临界气蚀余量 hmin 安全余量 必须气蚀余量实际气蚀余量应大于必须气蚀余量 当水箱中液面压强P0等于液体温度对应的饱和汽化压力Pv时 则有 实际吸上真空高度和实际气蚀余量之间存在如下联系 用允许吸上真空高度和必须气蚀余量来控制水泵的安装位置 在本质上是一致的 6 3 4泵与管网的连接 1 吸水管路的连接不漏气 不积气 不吸气2 压出管路的连接止回阀减振 柔性接头 6 3 5风机与管网的连接 1 风机进口装置2 风机出口装置采用正确的连接方式 减小 系统效应 6 4泵 风机的选用 泵的综合性能图 将同一型号 不同规格的泵的性能曲线 在高效区 0 9 max 的部分 绘在一张图上 形成某一类型泵的综合性能图 图中的每一个方框是一种规格泵的高效工作区 其上边是标准叶轮高效区的Q H曲线 中边及下边是切削两次的高效区Q H曲线 或只有切削一次的下边 两侧边是等效率线 因此方框内的工况点都是高效工况 泵的综合性能图 泵的选用原则 1 根据输送液体物理化学性质 温度 腐蚀性等 选取适用种类的泵 2 泵的流量和扬程能满足使用工况下的要求 并且应有10 20 的富裕量 3 应使工作状态点经常处于较高效率值范围内 4 当流量较大时 宜考虑多台并联运行 但并联台数不宜过多 尽可能采用同型号泵并联 5 选泵时必须考虑系统静压对泵体的作用 注意工作压力应在泵壳体和填料的承压能力范围之内 风机的选用原则 1 根据风机输送气体的物理 化学性质的不同 如有清洁气体 易燃 易爆 粉尘 腐蚀性等气体之分 选用不同用途的风机 2 风机的流量和压头能满足运行工况的使用要求 并应有10 20 的富裕量 3 应使风机的工作状态点经常处于高效率区 并在流量 压头曲线最高点的右侧下降段上 以保证工作的稳定性和经济性 4 对有消声要求的通风系统 应首先选择效率高 转数低的风机 并应采取相应的消声减震措施 5 尽可能避免采用多台并联或串联的方式 当不可避免时 应选择同型号的风机联合工作 例6 5 某空气调节系统需要从冷水箱向空气处理室供水 最低水温为10 要求供水量35 8m3 h 几何扬水高度10m 处理室喷嘴前应保证有20m的压头 供水管路布置后经计算管路损失7 1mH2O 为了使系统能随时启动 故将水泵安装位置设在冷水箱之下 试选择水泵 例6 5图 例6 6