泵与风机的性能分析及其节能技术

1、泵与风机的性能分析及其节能技术摘要:泵与风机是常用的耗能设备。它们数量多,分布广,耗电量巨大。本文论述泵与风机的性能分析及其节能技术,对缓和目前电力供需之间不平衡的突出矛盾推进现代化建设有着及其重要的现实意义。关键词:泵风机节能泵与风机是消耗电能的动力机械,由于选型的不当、管道设计不合理、维护检修不合良、使用管理落后、设备陈旧等因素,造成泵与风机的使用效率降低。通过一些工程实例可以看出,大部分泵与风机的效率低于国家规定的标准,泵的运行效率大部分低于60%。风机的效率普遍低于70%,造成了电力的严重浪费。所以,为了做好泵与风机的工作,我们必须通过分析泵与风机的性能来解决节能减排问题,不断地完善节

2、能减排技术。1、泵和风机的性能泵和风机的主要性能参数包括流量Q、压头H(泵为杨程,风机为全风压、功率N、效率、转速n,这些参数反应了泵或风机的整体性能。泵和风机的性能非常相似。1泵的闸阀节流分析离心泵闸阀的特性曲线如图1 所示,Q-H 图给出了泵的转轴功率与流量之间的关系。 其计算公式为:N = HQ|120式中N 为功率/KW;为液体密度/Kgm-3;Q 为流量/Ls-1;H 为杨程/m;为效率。图1中Qa、Qb、Qc 分别为阀门开度由大到小的3个管道特性曲线,A、B、C 分别为3 个工况点。当调节阀门开度由大到小时,表现为管道阻力由小到大,管道特性曲线变陡,因此泵的工况点自A 移到C,流量

3、减少的同时,转轴的功率相应减少,但其幅度不大,N = QH| 120。 2调速节流分析离心泵调速节流特性曲线如图2 所示,图2 中的QHn1、QHn2、QHn3,分别对应于不同转速时的流量杨程特性曲线,其中转速n1n2n3。QN1、Q N2、QN3 分别为相应的流量轴功率特性曲线,Qa、Qb 分别为阀门开度不同的2 条管道特性曲线,A、B、C、D、E、F 分别为各工况点,由流体力学理论可知他们存在如下关系:Q1/Q2=n1/n2 (2H1/H2=(n1/n22 (3N1/N2=(n1/n23 (4由上述公式可知,当转速调节由大到小时,流量、杨程、轴功率分别按1、2、3 次方关系下降。可见,调速

4、对轴功率的影响最大。如果再以出口阀门的开度配合调度,就可以找到泵的最佳工况点,既保运行在稳定区,又使泵工作在流量大而功率低的工况点。如图2所示,当降低转速运行至QHn2 时,增大出口阀门的开度,将管道特性曲线改变为Q b,这时,泵运行至工况点E,流量超过了工况点C,而转轴功率N5 则低于N3。2、泵与风机的节能途径泵与风机的节能途径包括泵与风机本身捞取有、系统节能、运行节能三个方面。泵与见机本身节能是前提,系统节能是关键,运行节能是最终体现。三个方面密切相关,互为因果。1泵与见机本身的节能途径泵与风机制造厂向用户提供高效、可靠、好用的产品是制造厂的职责,高效即泵与风机本身效率高,高与低是相对的

5、。现在执行的国家标准上规定的效率只是先进值并不是最高值。高效就是效率要达到或超过这些标准规定值。泵与风机本身损失可分为水力损失、容积损失和机械损失。在泵与风机结构选定之后,可以认为机械损失和容积损失基本不变,因此,泵与风机本身节能重点应减少泵与风机内水力损失上,可以采取以下对策:选用优秀的水力、空气动力模型;采用先进设计方法;减少过流部件的粗糙度;合理选择缝隙处零件的材料,提高抗咬合和耐磨性,适当的减少间隙值,减少容积损失。除此之外,积极开展泵与风机的可靠性研究,进行可靠性设计、可靠性试验和可靠性管理,以提高泵与风机的可靠度和平均寿命。合理选取材料,增加易损件使用寿命,使泵与风机达到好用、耐用

6、,也是泵与风机本身节能的组成部分。2泵与风机系统的节能途径泵与风机是主机,在系统节能中,应首先提供高效节能的泵与风机,蛤系统节能的关键,在于站在系统节能角度上做到系统各组成的匹配是最佳的、最合理的,为此必须发展品种,做到有合适的泵、风机、电机、各种相关附件可选,也就是做到选型最大限度地合理;其次要开展系统工程设计。选泵时,一定要使泵的汽蚀性能满足使用要求才行,即使泵的汽蚀性能要满足装置或系统所能提供的汽蚀余量值。然而在实际选型中,人们只注意流量、扬程,忽视了泵的汽蚀性能,或者由于对吸入管路系统阻力损失估计不足、介质的温度波动估计不足、吸入池液面水位变化估计不足等原因造成泵的潜在汽蚀状态下运行,

7、造成泵的损坏较快,或者发生汽蚀,不能工作。因此,研究各种系统的泵与风机的选用规范和计算方法是放在广大用户和泵与风机行业面前最大的节能课题,这方面的节能潜力比提高泵与风机本身效率的潜力大许多倍。我们必须重视泵与风机的选型工作,提高泵与风机技术,并使之规范化。3泵与风机运行的节能途径节能的泵与风机系统是实现运行节能的不可缺少的必要条件,但不能说已经建立的泵与风机节能系统就能实现泵与风机的运行节能。这是因为泵与风机在实际工作中,由于工艺流程的变化或者其本身就是为调节工艺参数而设置的,泵与风机就要适时进行调节,对于经常改变工艺的泵与风机系统,在调节中要注意能量回收或减少能量消耗,尽量不用节流调节方式。

8、建议采用调速以及分流的方法,使泵与风机和电机仍处于高效工况下工作。对于哪些处于恒定工况或基本不变工况运行的泵与风机,只要选择合理的泵与风机系统,即可实现运行节能。3、泵与风机的节能措施1提高泵与风机的水力效率影响泵与风机效率最主要的因素是水力损失,因此,提高泵与风机的效率,应着重提高泵与风机的水力效率,通常采用以下一些措施:泵与风机昼在额定工况下工作。装配多级泵时叶轮出口中心与导叶进口中心要对正。防止叶轮流道或壳体、导叶流道锈蚀。输送清洁介质。输送清洁介质。合理设计过流部件的几何形状。2提高泵与风机的容积效率为了减少容积损失,提高容积效率,在实际工作中一般采用下列措施:在进口处装密封环(承磨环

9、或口环。密封环间隙要适当,磨损量超过标准后及时修补更新。轴封处防止漏损过大。平衡盘的轴向间隙过大后及时调整更换。3提高泵与风机的机械提高泵与风机的机械效率,通常采用以下措施:减少轴承磨损,及时加注润滑油,及时更换不合适的轴承,及时校正泵轴。减少轴封摩擦损失,填料松紧适当,液封流道畅通,昼采用机械密封。减少叶轮盖板、壳体内壁的表面粗糙度。叶轮圆盘摩擦损失功率还与叶轮、壳体间的间隙大小有关。对一般离心泵来说,在B/D2=2%5%范围内时,叶轮圆满盘摩擦损失量是比较小的。输送清洁介质,防止叶轮锈蚀,也可减少圆盘摩擦损失。若结构设计合理,叶轮圆盘损失可以回收一部分,相应机械效率将有所提高。开式泵腔能回

10、收一部分能量,帮采用工式泵腔的效率较闭式泵腔略有提高。4风机的调速节能风机的HQ 曲线如图3 所示,风机工作的有效总功率为:N = HQ/ 120 从图3 可以看出,曲线QHn1 为风机恒速时风压H 与风量Q 的特性曲线,曲线Qn、Qb 为管网风阻特性曲线。假设风机在A 点工作效率最高,输出风量Q1为100%,此时,轴功率N 为0Q1AH1 面积的1/120,如果生产工艺要求风量从Q1 减少到Q2,若用阀门调节风量,使风机工作于B 点,此时轴功率N 为0Q1AH2 面积的1/120,显然0Q1AH2的面积与0Q1AH1的面积相差不多,风机轴功率变化不大。如果采用调速的方法,风机的速度从n1 降

11、到n2,则在n2 转速下的风压、风量关系如曲线Q Hn2,可见在满足同样风量Q2 的情况下,风压大幅下降,0Q1AH3 的面积与0Q1AH1 的面积相比显著减少,节能效果十分明显。 4、调速系统的分析基于阀门节流与调速节流分析可知,调节泵与风机的转速,可以达到增加流量、降低轴功率的双重作用。目前交流调速有电磁离合器调速、转差调速、液力 偶合器调速、变频调速等多种调速方式。 1 电动机电磁离合器调速 电磁离合器调速系统包括笼型异步电动机、涡流式电磁离合器、调速装置、 测速发电机等部分组成。 离合器本身有较大转差存在，输出轴的最高转速仅为电 动机转速的85%左右，速度损失大，转差功率以热能形式损失

12、（铁损），故效率 低，电磁离合器及其控制装置发生故障时，只能停机，其结构也较为复杂，对其 轴承的清洗、加油都较为困难，但作为整体更换还是较为简单，价格也便宜，操 作也简单，在中小容量电机调速系统中多有应用。 2 转差调速 调速原理是在绕线电机的转子绕组电路中接入调速变阻器， 增加转子电阻来 减小转子电流，使转子转矩下降，从而转速下降，转差增大。该调速技术简单， 易于掌握， 调速设备便宜， 但调速过程损失的转差功率以热能的形式消耗于调速 电阻上，因此效率也较低，且绕线型电机售价也较高。 3 液力偶合器调速 液力偶合器是一种液力传动装置，由泵轮和涡轮组成，其中充有一定量的 机械油液，靠工作液（油液

13、）传递转矩，泵轮是主动件；涡轮与泵轮相对，是从 动件。其特点是结构简单使用简单，工作可靠，可以实现无级调速。但液力偶合 器本身存在转差，转差功率以热能的形式损耗，因而效率较低。效率分析表明， 液力偶合器能量损失主要体现在油液循环时的液体流动损失以及轴承密封造成 的机械损失等，其效率约为84%。 4 变频调速 随着无线半导体技术的飞速发展，变频调速已在诸多领域里有着广泛的应 用，新建项目里，只要涉及到交流调速的，变频调速便是首选。有关变频调速的 研究文章也很多，变频调速可以节电10%以上也已成为共识，其保护功能完善、 工作稳定可靠、使用方便也是电气工作者喜欢应用的原因之一。 5、变频调速改造实例

14、 以德兴铜矿大山选矿厂球磨机给砂泵的改造为例，泵为12/10STAH 不变， 改造前由于砂泵和管道的特性不匹配（在泵的选型过程中，不可能选择到完全与 6 管路特性匹配的砂泵） 在不同的实际运行工况下， ， 需通过液力偶合器调节流量， 效率低功耗高， 机械、 液压维修量大， 对生产影响大。 而变频装置保护功能完善， 负载大小直接反映在电机的负载电流上，能较好地保证砂泵的安全运行。 电耗工况在同台效的情况下，做了如下测试和比较，初始条件列于表1，运 行对比结果列于表2： 以0.562 元/度计，以年运行340d 计算，变频装置年节约9.47 万元，变频 改造的投资回收期仅34a，其直接经济效益是十

15、分可观的。 但很多变频器的研究文章都是说变频调速一好百好，本着科学态度思考，变 频调速用于改造项目给普通异步电动机带来的问题也不可忽视。其一，电动机的 效率和温升的问题。 无论何种形式的变频器，在工作中均会不同程度的产生谐波 电压和谐波电流，从而使异步电动机在非正旋波电压、电流下运行。在高次谐波 引起的损耗中， 影响最为显著的是转子铜耗。对于普通异步电动机如果运行在非 正旋波电压、电流下，其温升增加值约为10%20%，谐波电压和谐波电流对电源 造成严重的污染；其二，电动机的绝缘承受较高的冲击电压。目前中小容量变频 器， 绝大多数采用的是PWM 控制方式，其采用的载波频率已由几千赫兹发展到几 十

16、千赫兹， 这就使得电动机定子绕组承受者很高的du/dt 值，电机绕组的匝间绝 缘承受者较高的电应力。 另外PWM 变频器产生的矩形斩波冲击电压会叠加在电机 运行电压上， 由此产生的电压峰值会对电机的对地绝缘形成威胁，加速电机绝缘 老化；其三，低速时的冷却存在问题。普通异步电动机是自带风扇的冷却方式， 用于变频调速时，在转速降低的情况下冷却风量与转速的三次方成比例的减小， 电能损耗增加而散热困难， 这必将使电机低速时的温升急剧增加，使之无法实现 7 恒转矩输出，同时加快电机绝缘的老化。因此，有条件的单位还是应使用变频电 机；其四，对一些特定的生产工艺影响较大，如大山选矿厂的砂泵改用变频调速 后，旋流器的分级效率降低，对生产的稳定性有负面影响。因此在旧设备的改造 前，应多做科学的分析，权衡利弊，作出合理的决策。 参考文献