《流体输配管网 第4版》 课件 第8章 泵、风机与管网系统匹配

流体输配管网

第4版

第8章泵、风机与管网系统匹配

8.1管网系统压力分布及管路

性能曲线

8.1.1管路特性曲线

所谓管路特性曲线，就是管路中通过的流量与管路系统的压头之间的关系曲线。

图8-1泵的输水系统列出从吸入容器液面1-1与输入容器液面2-2流动过程的伯努利方程完成输水过程，所需的水泵扬程：图8-2开式输水管路性能曲线

图8-3通风管路性能曲线

8.1.2泵、风机与管网匹配的工作点图8-4离心泵的工作点〔例8-1〕某水泵输水系统如图（9-1）所示。已知输水量qV＝0.04m3／s，吸水池液面到高位水池的几何高度差Hz＝10m，管路总水头损失hl1-2＝28m，今欲用转速n＝950r／min的水泵输水，已知该水泵的qV－H性能曲线如图9-5所示。试问：(1)水泵工作点的参数？(2)该泵能否满足输水要求？图8-5管路性能曲线与工作点8.1.3运行工况的稳定性

图8-6泵性能曲线呈驼峰形的运行工况

图8-7管路性能曲线与泵性能曲线相切

对于具有驼峰形性能曲线的泵、风机而言，在其压头峰值点的右侧区间运行时，设备的工作状态能自动地与管网的工作状态保持平衡，稳定工作，我们把这一稳定的区间称为稳定工作区。而在压头特性曲线峰值的左侧区域运行时，设备的工作状态不能稳定，因而此区域为非稳定工作区。因此在设备选型时，要避免发生这样的情况。

泵或风机的最佳工作区是指其运行在既稳定又经济的工作区域。一般将设备最高效率的90％～100％范围内的区域作为最佳工作区。泵、风机性能表上给出的工况点，都处于最佳工作区，按其性能表上给出的性能选用设备都是合理的。8.1.4泵与风机的喘振及其预防

当泵或风机在非稳定工作区运行时，可能出现一会儿由泵或风机输出流体，一会儿流体由管网中向泵或风机内部倒流的现象，由于该现象出现时叶片受到突变负荷而产生强烈的振动和噪声，专业中称之为“喘振”现象。

从理论上讲，喘振的发生应具备三个条件：

泵与风机具有驼峰形性能曲线，并在不稳定工况区运行；

管路中具有足够的容积和输水管中存有空气；

整个系统的喘振频率与机组的旋转频率重叠，发生共振。喘振的防治方法有：

①应尽量避免设备在非稳定区工作，

②采用旁通或放空法。

③增速节流法。

④在管路布置方面，应尽量避免压出管路内积存空气

⑤在运行中，当多台泵或风机并联时，如果负荷减小，则应尽量提前减少投运的设备台数，以保证运行设备容量与负荷在较接近的情况下工作。

8.1.5系统效应的影响

所谓系统效应，是指泵、风机进出口与管网系统连接方式，对泵、风机的性能特性产生的影响。通常，接入管网系统风机的风压及流量都不同程度地低于风机的理论计算值和生产厂给出的风机特性曲线值，这种现象称作系统效应。

(1)入口的系统效应图8-9不同连接风机入口的气流示意图（a）圆形弯管；（b）矩形弯管；（c）进口风箱图8-10系统效应影响风机性能示意图（2）出口系统效应的影响图8-11接不同长度出口管道的系统效应8.1.6泵或风机联合运行及工况分析

1.泵与风机联合运行

图8-13两台泵和风机的并联图8-14两台泵和风机的串联并联常用于以下情况：

①当用户需要大流量，而大流量的泵或风机制造困难或造价较高时；

②由于外界需要大幅度的流量变化，为发挥泵与风机的经济效益，使其在高效率范围内工作，并可用增减运行台数调节时；

③保证不间断供水(气)的要求，作为检修及事故备用时；

④在单机运行虽能满足流量要求，但多台并联运行时的效率比单台运行效率高时。串联运行常用于以下情况：

①当单台泵或风机不能提供所需的较高扬程或风压时；

②在改建或扩建的管路系绕中，由于阻力增加较大，需要提供较大的扬程或风压时。2.并联运行工况分析

（1）作图法(图解法)图8-15两台同性能单机并联运行工况分析图8-16两台不同性能单机并联运行工况分析

（2）数学法(数解法)

对水泵为：H＝Hx－SxqV2

对风机为；p＝px－SpxqV2

3.串联运行工况分析图8-17两台单机串联运行工况分析8.2管网系统的压力分布

8.2.1管网压力分布图的作用及绘制方法

经过管网系统的水力计算和分析，可以确定管网中各管段的流量、流速、压力损失，以及管网的管路特性。在实际管网设计中，管网系统的压力分布情况对各用户流量值的分析和确定，循环水泵和风机等流体机械的选择，系统内各装置的耐压要求等，即泵与风机等流体机械和管网系统的匹配有着很大的影响。

从管网系统的压力分布状况也可以判断整个实际管网是否安全可靠，运行合理。对管网压力分布图的绘制简单介绍如下：

①将总流能量方程式转换成压力水头高度的表示形式。

②具体绘制的步骤：a、沿流体总流方面画一条水平基准线0－0，作为相对零水头线；b、绘出总流的中心线，各断面的中心到基准线的高度就是该断面的位置水头，所以总流中心线即为总流的位置水头线。c、计算出断面1-1上的总水头H1-1和从1-1到断面2-2间的水头损失hl1-2，由式（8－17）确定断面2-2上的总水头H2-2。d、以此方法沿流体总流方向向下游推进，可确定出所有流体断面的总水头。8.2.2液体管网系统的压力分布

在液体管网系统中，由于管网本身的特性和所连接的用户位置高度对流体的流量、压力、温度等要求各有不同，在管网设计时，必须对整个管网系统的压力状况进行综合评价。

压力水头线图可直观地反映管网和各用户的压力状况，通过管网的实际水头线图分析，可提出保证系统安全可靠的技术措施；可得出系统在运行调节或发生故障时的压力状况，有利于系统的安全运行。因此，画压力水头线图是液体流体管网，特别是热水管网的设计和运行管理的重要依据。所以掌握各种管网系统的压力水头线图的绘制，掌握工况特征分析方法很有必要。8.2.2.1热水管网系统的压力状况要求

①热水管网内任何一点的热水不能产生汽化。

②热水管网内任何一点的压力均不应超过系统中所有设备、管件的允许压力。③热水管网任何一点的压力，无论管网是否处于运行，不得小于5kPa的表压力值，以免空气进入系统。

④热水管网提供的供回水压差，应满足用户所需的作用压头值。热水管网当采用间接连接系统时，一级管网的供回水压差，应满足换热站内系统和设备的总压力损失，二级管网的供回水压差应满足用户系统与散热器等总压力损失。8.2.2.2热水管网系统的压力水头线图绘制

压力水头线图绘制的具体步骤为：

①建立坐标系。

②静压水头线，是指当循环水泵停止运行时，热水管网中各点压头的连接线，静压水头线是一条水平线，

③回水管的动压水头线，是循环水泵运行中回水管上各点的压力连线。

④供水管动压水头线是循环水泵运行中供水管上各点的压力水头连线。

〔例8-2〕有一供热系统，管网平面图见图8－18所示，其供水温度120℃，回水温度80℃，用户E、F、D的热负荷分别为3.35GJ/h、4.19GJ/h、2.51GJ/h，建筑物地面标高分别为-1m、+1m、+2.5m，建筑物标高分别为19m、20m、22.5m，热用户内部阻力均为△P＝50kPa，水力计算结果见表8－2，试画出压力水头线图，并判断外设热水管网系统的设计是否合理。

图8－18热水管网平面布置图

图8－19热水管网压力水头线图8.2.2.3热水管网系统的定压

对热水管网系统，为了保证系统的安全可靠性，如前面所述，在制订系统水压图时，无论系统是否运行必须满足下列条件：

①与热水管网直接连接的用户，在系统内最底层的散热器等设备所承受的静水压力，应不超过这些设备的承压能力；

②在供水管网及与它连接的用户系统内任何一点的压力，应不低于该水温下的汽化压力；

③系统的静压要大于或等于系统最高点与热力站(或热源)的标高差加上高温水的汽化压力，为安全起见，一般加上30～50Pa的富裕值；

④回水管的压力水头都必须高于用户系统的充水高度，以防系统倒空而吸入空气，破坏正常运行和腐蚀管道。保持定压点压力恒定的定压方式有高位膨胀水箱、补充水泵、气体加压罐等方法，各有其控制压力的特点和适合的应用场合。

①用开式高位膨胀水箱以保持系统的静压。

图8－20高位膨胀水箱定压示意1－高位膨胀水箱2－循环水泵3－换热器4－热用户②补给水泵补水定压。

a、利用压力调节阀维持定压

图8－21压力调节阀维持定压补水泵连续补水定压示意1－补给水箱2－补给水泵3－泵后压力调节阀4－循环水泵5－换热器6－安全阀7－热用户b、利用水泵变频调速定压

图8－22水泵变频调速定压示意1－换热器2－循环水泵3－补给水泵4－压力变送器5－变频调速器6－用户7－补给水箱8－安全阀9－逆止阀c、补给水泵间歇补水定压

图8－23补给水泵间歇补水定压示意

1－补给水箱2－循环水泵3－安全阀4－换热器5－循环水泵6－电接点压力表7－用户d、定压点设在旁通管处的补给水泵定压

图8－24定压点设在旁通管处的补给水泵定压示意1－加热装置（锅炉或换热器）2－管网循环水泵3－泄水调节阀4－压力调节阀5－补给水泵6－补给水箱7－用户③利用自动稳压补水。

④利用气体加压罐定压。

图8-25利用气体加压罐定压示意1－氮气瓶2－减压阀3－排气阀4－水位控制器5－氮气罐6－热水锅炉7、8－供回水管总阀9－除污器10－管网循环水泵11－补给水泵12－排水电磁阀13－补给水箱8.2.3气体管网系统的压力分布图8－27包括沿程阻力、局部阻力和管道内动力机械的通风管网系统的压力分布（1）讨论气体吸入管段的压力分布。

（2）讨论气体排出管段的压力分布。

①风机的风压pf等于风机进、出口的全压差，

②风机吸入段的全压和静压均为负值，在风机入口处负压最大；风机压出段的全压和静压一般情况下均是正值，在风机出口正压最大。

③各并联支管的阻力总是相等。

④压出段上点9的静压出现负值是由于断面9收缩得很小，使流速大大增加，当动压大于全压时，该处的静压出现负值。

8.3管网系统的工况调节

8.3.1管网系统的水力工况分析

引起这些运行工况偏离的原因很多，大致可归纳为几种：

①选用的泵或风机等动力源设备和设计值不同，在选型时，所选的泵或风机的型号、规格、配用的电机和皮带轮等发生变化，动力源的性能参数也将跟着发生变化；

②选用的管材和制作风管板材的实际表面粗糙度和设计不符，改变了管网系统的沿程阻力值；③管网系统在安装实施中，受到建筑物的结构、室内装潢要求等条件限制，管道的走向要求改变；为避免管道间的相互碰撞，管道需增加弯道等，使管网系统的管道长度、流通面积发生变化，弯头、三通等管配件增减，造成管网系统的实际沿程阻力和局部阻力均偏离了设计值，管网内各并联支路的阻抗发生了变化；

④施工质量和系统调试质量也影响着管网系统的运行工况。

由流体力学可知，在串联管路中，串联管路的总阻抗是各串联管段的阻抗之和。

在并联管路中，并联管路的总阻抗和各并联分支管路的阻抗以如下关系成立

串联管路和各串联管段间的流量是相同的，其关系为：并联管路和各并联分支管路间的流量关系为：根据上述计算公式，可以算出管网系统压力分布、各管段的阻抗和流量值，以及整个管网系统的流量和总阻抗。8.3.2泵与风机的工况调节

8.3.2.1改变泵与风机本身性能曲线的方法1．入口导流器调节图8-28（a）轴向导流器（b）径向导流器（a）（b）图8-29简易导流器

2．改变转速的调节图8-30改变转速工况调节改变转速通常有两个途径：

一是借助偶合器实现转速变化；

二是改变原动机(常为电动机)转速来实现。

3．其它调节方法

如切削水泵叶轮调节等。

8.3.2.2.进行管路的阻抗调整

1．节流调节

①出口端节流调节

图8-31改变管路特性曲线工况调节②入口端节流调节

图8-32入口端节流2．管路调整

①根据正常工况下的流量和压降，求出管网的干管和各分支管路及用户系统的阻抗；

②根据对管网系统的水力工况要求，确定某管段或某分支管路的调节量。然后根据管网系统中各管段和分支管路的连接方式，利用串、并联管路的阻抗计算公式，逐步求出水力工况改变后整个管网系统的阻抗值；

③根据算得的管网系统总阻抗值，利用前面介绍过的计算法或图解法求出管网系统水力工况改变后的系统总流量。

④根据串、并联管路流量分配计算公式，分布求出管网系统水力工况变化后各分支管路的流量；

⑤确定管网系统水力工况变化后，系统内新的压力分布状况。〔例8-3〕有一管网系统其构成如图8-33所示，正常工作时的压降和流量已知，管网系统所选水泵的性能曲线较平坦。试分析该管网系统当某分支管路的阻抗调整时，管网系统的水力工况变化状况。

图8-33管网系统构成示意图3．管网的水力稳定性

管网系统的水力稳定可有效地避免或减少管网系统受水力失调的作用而产生的不利影响。所以管网系统的设计，应考虑采取措施降低可能发生的水力失调度，特别是在管网系统的运行中，对那些需经常调整的分支管路进行流量调整时，其余分支管路的流量不发生较大的变化，仍保持在原来水平，管网系统保持本身流量稳定的能力，称为管网的水力稳定性。

通常管网的水力稳定性用分支管路规定流量qVig和管网系统水力工况变动后可能达到的最大流量qVimax的比值yi来衡量。

8.4泵与风机的选用和安装

8.4.1常用泵的性能及选用原则

工程中常用的泵有：单级单吸离心泵、单级双吸离心泵、多级离心泵、管道泵等。这些都属于离心泵。

由于电动机与泵的连接方式不同又有直接耦合式、皮带传动式、直连式等。图8-34三种类型泵的

性能特点示意

图8-35泵的综合性能示意图8.4.2常用风机的性能及适用范围一般建筑工程中常用的通风机，按其工作原理主要可分为离心式和轴流式两大类。8.4.3泵、风机的选用原则

1.确定设备类型

首先明确工程对泵或风机的要求，取得对设备的用途和使用条件等方面的资料，作为依据选定设备类型。

2.确定选用依据

根据工程实际最不利工况的要求，通过水力计算，确定工况最大流量qVmax和最高扬程Hmax。然后，考虑计算中的误差及管路泄漏等未预见因素。分别加上10％～15％的安全系数，即

qV＝(1.1～1.15)qVmax

H＝(1.1～1.15)Hmax

3.确定设备的型号、大小及台数

泵或风机的类型确定之后，根据已知的流量、扬程(或压头)及管道水力计算，在泵或风机的qV－H性能曲线综合图(见附录)上绘出管路性能曲线。

根据管路性能曲线与qV－H性能曲线的相交情况，确定所需泵或风机的型号和台数。然后，再查单台设备的性能曲线图或表，确定该选定设备的转速、功率、效率以及配套电机的功率和型号。4．选配电动机及传动部件或风机转向及出口位置

采用泵与风机的性能表选机时，在性能表上附有电机功率及型号和传动部件型号时，可一并选用。

图8-36离心式通风机出风口位置

（a）右转风机；（b）左转风机图8-37轴流式通风机出风口位置5．其它注意事项：

①当选水泵时，应注意防止“气蚀”现象发生。

②对非样本规定条件下的流体参数的换算：

③尽量选用容量较大的水泵，一般容量较大的水泵效率较高；

④在选用设备时，应使其工作点处于其qV－H性能曲线下降段的高效区域

⑤选择风机时，应根据管路布置及连接要求确定风机叶轮的旋转方向及出风口位置。

〔例8－4〕某空气调节系统需要自冷水箱向空气处理室供水，最低水温为10℃，要求供水量为24m3／h(日用水量变化不大)，几何扬水高度为6.2m，空气处理室喷嘴前应保证16.5m的压头。经计算得知供水管路损失为5.8m。为了便于系统随时启动，故将水泵装设在冷水箱之下。试选择水泵。〔例9－5〕某供水管网系统，已知泵站吸水井最低水位到管网中最不利点地形高差为2m，管网要求的服务水头为16m。最高时用水量qVmax=836L／s，假设用水量最大时泵站内水头损失为2m，输水管水头损失为1.5m，配水管网水头损失为10.3m，且知该供水系统平均日平均时用水量为416L/s，试进行水泵站选泵设计。图8-38应用qV—H性能曲线综合图选泵〔例8－6〕某地大气压为98.07kPa，输送温度为70℃的空气，风量为6650m3/h，管道阻力为195mmH2O，试选用合适的风机及其配用电机。8.5泵与风机的安装与运行

8.5.1泵的汽蚀与吸上真空度

1．汽蚀现象及其对水泵工作的影响

(1)汽蚀现象

(2)汽蚀对泵工作的影响

汽蚀造成的结果

①材料破坏。

②噪声和振动

③性能下降

2．汽蚀余量和安装高度

（1）几何安装(吸水)真空高度Hg

离心泵不能自吸，即无干吸能力，所以在启动时必须先将泵壳内部和吸入管中充满液体，运转后才能在一定的高度吸入液体，这个高度称为泵的几何安装高度。

图8-42离心泵的几何安装高度泵的几何安装高度Hg与液面压力pa、入口压力ps、入口平均速度

s以及吸入管路中的流动损失hl有关（2）吸上真空高度（吸入口压强水头）Hs

（3）允许几何安装高度[Hg]与允许吸上真空高度[Hs]之间的关系

①泵的允许几何安装高度[Hg]，应以水泵样本中给出的允许吸上真空高度[Hs]减去泵吸入口的速度头和吸入管路的流动损失hl。

②为了提高水泵允许的几何安装高度，应该尽量减小和hl。

（4）汽蚀余量Δhr

汽蚀余量是用来表示泵汽蚀性能的参数，有资料也称其为净正吸入压头（NPSH），汽蚀余量又分为有效的汽蚀余量Δhe和必需的汽蚀余量Δhr。图8-43离心泵内的压力变化（5）有效汽蚀余量Δhe和必需汽蚀余量Δhr的关系

由以上分析可知，必需汽蚀余量是标志泵本身汽蚀性能的基本参数，与吸入管路装置条件无关，Δhr越小，说明泵本身的抗汽蚀性能越好。因此，要提高泵的抗汽蚀性能，就要使Δhr减小。有效汽蚀余量标志泵在使用时的装置汽蚀性能，为了避免发生汽蚀，就必须提高Δhe。（6）汽蚀余量Δh和允许吸上真空高度[Hs]的关系

8.5.2泵与风机的安装

1.泵的安装图8-44灌注式吸入管路示意图2.泵与管路系统的连接

①对吸入管段即