1、泵站经济运行 2002.03,定扬程特性为泵站经济运行中又一类动力特性。这些动力特性表达表达因关系复杂不易采用数学公式，通常采用特性曲线。常用的动力特性曲线有:N-Q; H-Q; e-Q。图2-l0为离心泵机组装置动力特性。图2-l0(a)为定转速特性曲线，其余为定扬程特性。,泵机组装置动力特性曲线绘制定转速动力特性；定扬程功率特性；定扬程功率单耗特性；定扬程效率特性 绘制试验数据为依据。动力特性试验有二种：泵机组装置的动力特性曲线必须以可靠的,一是泵站现场试验，属于原型试验；二是实验室内泵装置模拟试验，又称模型试验。前者直接对实际泵组装置进行测试，从原理上说，这种试验最为可靠。它可以对各台机
2、组分别试验，从而反映各机组的实际性能。但是，对于大型水泵，由于大流量的现场测试手段尚未很好解决，流量测试结果误差较大。,后者在实验室对模型机组进行模拟试验，测试仪器设备较精密，测试过程精细便于控制，试验精度高，但模型试验不能完全模拟原型(制造，安装原因及动力机难以模拟)；不能完全模拟现场运行条件，不能反映同型号不同原型机组的实际情况，故在总体上较原型试验可靠性差。,一般在有条件作原型试验时，应尽可能进行现场测试。只有在不具备原型试验条件或者初定方案时考虑采用设计部门或靠厂家提供的模型试验资料。应当指出，为了准确获得泵，泵机组装置的性能，参照国际规范，一些大型水泵制造厂，已经建设了原型大泵装置试
3、验台。如上海水泵厂、长沙水泵厂等均耗巨资建设了大型机组装置试验台。,根据用户要求，直接采用原型水泵进行试验，并对管路系统进行模拟。这就便得实验室内的试验成果可靠性大为提高，但是，泵站现场进水条件仍无法模拟，动力机模拟也有相当困难。这些在实验室内是不能解决的。因此，不仅模型装置换算特性和原型装置特性不相同，而且实验室装置特性与现场装置特性也不相同。,一、功率特性曲线,(一)根据现场试验资料绘制特性曲线泵机组装置现场试验就是在现场条件下，测定装置在不同转速或不同叶片角度下的流量、扬程、输入、输出功率并计算出相应的效率。对于以调节叶角或转速方式运行的机组作变角或变速试验，大中型机组的现场试验工程量很
4、大，需要作周密计划和安排。根据试验成果可直接给出以装置扬程为参变数的功率-流量 (N-Q)关系曲线。图2-11为某泵站1机组变速运行功率特性曲线,一、功率特性曲线,(二)根据实验室试验资料绘制特性曲线在现场进行原型实测，不仅工作量很大，还会受到一些条件限制，如扬程难以调节，测流条件不理想等等。因此，大多数泵站未进行过实测，无实测资料可用。这种情况下，可以采用实验室的原型 (小型泵)或模型试验资料来绘制特性曲线。 实验室试验资料一般有三种:一为泵段特性试验资料;二为泵装置 (泵段及进出水管路)试验资料。如用前一种泵段特性资料，需要计算管路损失特性。通常用管路水力损失系数法计算，认为管路水力损失与
5、流量的二次方成正比。但大量的试验结果表明，这种正比关系与实际情况不符，甚至相差很大。,因此，若以泵段特性 (如产品样本资料)为根据来绘制泵机组装置功率特性曲线是远不能满足经济运行的精度要求的。当然还得计算动力机效率。所以不宜用泵段特性来绘制特性曲线。故仅介绍用泵装置特性资料来绘制功率特性曲线。,泵装置特性实验资料有模型和原型之分，大中型原型泵装置试验只有在少数场合才进行，也只有少数厂家具备试验条件。大多数均为模型实验资料，对此，“必须依据相似定律换算成原型资料，并作出相应的曲线。为了避免累积误差增大，建议采用以原始试验数据绘出的综合特性曲线 (图212)。,由泵装置综合特性曲线绘制泵机组装功率
6、特性曲线的方法是: 1)将泵轴功率Na除以动力机效率或其与传动效率乘积)，求出泵机组输入率Nin“; 2)作H为某常数 (H1)的水平横线交于H-Q曲线族于诸点; 3)分别过各点作横坐标轴垂线与NQ曲线族交于、各点； 4)平滑联接、各点即得到泵机组装置功率特性曲线I(HH1)。,如果对泵装置综合特性实验数据作数学处理，能够得到较好的拟合曲线，则可以用数学表达式来代替曲线。,二、微增率特性曲线微增率由式(2-15)确定，即： 它是NQ关系的一阶导数;表示NQ曲线上各点的切线斜率。从理论上说，在给出N-Q曲线后，根据式(2-15)的关系，可以很方便地通过作N-Q曲线各点切线来求得Q曲线。但是实践表
7、明，这种方法并不实用。原因是一般的N-Q曲线曲率较小，曲线比较平直，难以找准切线的切点位置，作出来的切线随意性较大，有较大的误差，不能用于实际运行。,当然，运用现代的计算手段，不一定非要作出曲线不可，而通过计算作曲线拟合，求出N-Q数学表达式，然后直接按式(2-15)进行求导，即可得到Q的数学表达式。当测量足够多，规律性较好，曲线拟合性好，由求导得到Q关系是比较满意的。但是，在测点规律性较差时，不适宜用拟合求导的方法。,一般在用作图方法绘制微增率特性曲线时，可以损失特性曲线为基础进行。由于损失特性曲线曲率较大，据此给出的微增率曲线准确性较好。,(一)功率损失特性曲线,功率损失为泵机组装置输大功
8、率与输出功率之差。由前述定义，功率损失按下式计算:N=Nin-Nout=Nin-pgH (2-18) 式中 N一一功率损失; 其余符号同前。,在前面绘制的功率特性曲线上，每一点坐标为 (N、Q)，加上参变数H，这个点就对应着一组 (N、Q、H)，由此按式 (2-18)就可以计算出一个功率损失N。这样采用计算出来的新的一组坐标点就可绘制出N-Q曲线。也就是通过N-Q曲线方便地转给出N-Q 曲线 (图2-13)。,(二)由功率损失特性求微增率特性,由式 (2-17) e=pgH+dN/dQ 它表示功率微增率由两部分组成:即常数9.81H及N-Q曲线上各点切线的斜率。在数值上前者一般远大于后者，换言
9、之，后者所占比重较小。并且，N-Q 曲率较大，作图较准确。因此，求出的微增率的精确度得以大大提高。即使采用拟合计算的方法，把分由这两部分计算所得结果亦有较高精度。功率微增率特性曲线如图2-14所示。,泵机组装置动力特性计算及其曲线的绘制是确定泵站站内经济运行的基础工作。这项工作的准确性尤其重要，要达到较高要求也是相当困难的，必须过细地进行这一项工作。为了确保其精度，可采用绘图、曲线拟合、解析计算等不同方法进行，在对所得结果作比较分析后做出慎重选择，才能获得较理想的运行方案。 -,三、原型机组之间装置动力特性的差异,由于制造加工，安装检修，维护保养等方面的原因，即使对于同一型号、同一尺寸的原型机
10、组，它们之间的动力特性也是有一定差别的。加之水泵的实际运行条件 (主要是进水条件)的不同(即使在同一泵站也存在这一情况)，所以同型号机组的装置动力特性也不相同，有些差别比较大。这样在同型号机组之间也需要进行择优选择，为此，应尽可能通过现场试验来获得机组装置动力特性，以确定每一台机组的装置动力特性，为站内经济运行提供依据。,第四节 泵机组装置动力特性曲线绘制及拟合的误差问题,在求得泵机组装置动力特性曲线或数学表达的过程中，误差不可避免地存在着。我们的责任是尽可能地缩小误差，力求接近装置特性的真实情况。有关误差的分析和计算在有关书籍中已有专门的介绍，这里讨论一下与泵站经济运行有关的问题。,一、装置
11、特性曲线绘制误差,这种误差的来源包括原始资料误差和曲线绘图误差。首先，原始资料是从原型现场试验和原、模型实验室中获得的。因此，试验条件和方法，所用的仪器、仪表、设备及安装所产生的误差，成果的分析及整理产生的误差就形成了原始资料误差。这些误差在试验前可通过各种途径，如果用较高精度的仪器、仪表等，能够把误差控制在较小的范围。对于现成的试验成果，一般不能改变其误差，因为此时的成果误差已经是客观存在，包含在原始数据之中。,其次，,进行曲线绘图时，把数据变成图纸上的曲线过程也同样会产生误差。这种误差 主要由作图工具和作图方法引起。一般说来，对作图的基本误差可以这样估算：1)用两脚分规量相等的距离，其误差
12、为士0.0lmm。2)经过确定点作直线，其误差为士0.05mm。3)用两脚分规量已知距离，其误差为士0.050.08mm。4)用直尺直接量图上某一距寓或长度，其误差为士0.070.10mm。5)用比例尺量图上某一距离或长度，其误差为士0.050.07mm。,上述为图纸上的直接绝对误差。,为缩小相对误差，在选择作图比尺时，应注意选用较 大的比尺。,二、装置特性曲线拟合(数据拟合)误差,在作图时，先是根据数据作出点据，然后由这些点据给出曲线，如果点据分布规律性较差，描绘出的曲线的主观随意性就比较大了，自然其误差也大。倘若遇到后面一种情况，最好是通过计算来确定曲线，也就是曲线拟合，例如用最小二乘法拟
13、合。现代的计算机为数学拟合提供了方便且可靠的手段，作曲线时可以通过计算机完成，当然按编制好的程序对试验数据进行数学处理、拟合，可获得全部装置特性，与经济运行程序连接就形成泵站经济运行软件包。由于减少了一些中间环节，其最后结果的精度能得到较大提高。由于全部工作由计算机进行，其误差能控制在较小范围。,三、装置特性误差对泵站经济运行影响,作为泵站经济运行的基础。装置动力特性的误差必然要对经济运行方案进而对最后的 经济效益产生影响。装置动力特性误差一般可达3%5%，而采用站内经济运行方案比通 常的运行方案(并非很差的方案)所获得经济效益可能达到3%左右，这是可观的经济效益。然而，由于装置动力特性误差已
14、达3%5%，这就很可能使人产生一种错觉，认为既然装 置效率误差已和经济效益增值处于同一数量级，甚至前者可能超出后者，这种经济效益增 加是不可靠的，因而使站内经济运行失去它原有的经济意义。这种观点表面上看似乎有点道理，其实不然。,首先，,所谓误差，即不确定度，是用误差限来定义的。它所指的某一数值可能发生变化的最大范围，是不能确定其值的范围，具有随机变化的性质。所以真实值是在不确定度所规定的界限范围内可大可小，而并非总是在界限上。我们通常说的误差士3%，是指误差在一3%到十3%范围内。在某一置信度 (置信概率)下;误差绝对不会超过这个范围。但究竟真实值为多少，是无法给出的。这就是不确定度的意义。在
15、平均的情况下，或多数情况下，误差并没有达到误差限士3%。,其次，,装置特性误差百分数和经济运行效益百分数虽同处一个数量级，但它们的实质完全相异不能抵消。经济运行是通过选择最佳的运行方案来增流降耗的效益。在方法上与装置特性误差无关。然而这并未否认装置特性误差对确定经济运行方案的影响。由于这种误差存在会导致最佳运行方案的偏移，从而影响到最大经济效益的获得。这种影响和联系通过误差确认可以进行分析估算，但不是本书所要介绍的。可以这样来说明:对于用准确的装置特性，制定出最佳运行方案。因此，而获取最大的经济效益。而用有误差的装置特性制定出的运行方案和最佳方案相比稍差，所获得的经济效益和最大的经济效益相比也
16、稍差。,假定最大经济效益为，因装置特性误差引起的效益影响百分数为。则实际可以 得到的经济效益B为: B=Bmax(1-x%) (2-19)一般情况下，在10%以内。式(2-19)说明尽管装置特性误差的存在，站内经济运 行最终获得经济效益是肯定的，其经济意义是无疑的。当然这不等于说我们可以忽视装置特性的误差，恰恰相反，必须予以高度重视。在试验计算，绘图过程中，应以严格的科学态度进行艰苦细致的工作，力求这一基础工作的准确、可靠，严格按照有关规程、规范，把误差减小到可能的最低程度。对于大中型工程，即使提高效益1%也是很大的效益。,第五节 泵机组装置动力特性试验的几个问题,前面已经说过，泵机组现场试验
17、是必要的，对大中型泵站，现场试验有两种：投产前 的启动试验(验收试验)和投产一段时间以后的运行试验。根据泵站技术规范规定:新建的泵站工程在投产前必须进行验收，并把机组起动试验作为泵站验收的重要的阶段。启动试验主要目的是对主机组和辅助设备进行一次全面检查验收和试运行。它包括:检查主、辅机组和设备的质量，安装情况，机组的动力特性和生产厂家保证的符合情况，装置的动力特性等。单台机组应达到规定的运行时间，并通过水位，变阀，变速、变角调节，在设计工况及非设计工况运行;测定其装置效率“并作全部机组的联合运行。,*,运行试验应在投产运行一定时间后进行，以确定机组装置运行的稳定性，获得其稳定运行的动力特性，用
18、作制定经济运行方案的依据。无论是启动试验还是运行试验，对于大中型泵站来说，现场试验都是复杂而繁重的，工作量很大，需投入很多的人力，物力。因此，现场试验不能经常进行，需要专门的计划安排。事实上，许多泵站并未进行过运行试验。甚至启动验收的项目亦未做全，常常由于流量测定的困难而不能获得完整的机组及其装置的动力特性。这正从一个侧面反映了我国的泵站运行管理水平还比较低。,针对泵站经济运行的原型机组现场试验，应注意以下几个问题：,l)选择适当的扬程变化范围和进水位。对一个大中型泵站，扬程的调节可通过控制出 口检修闸门的开度来实现。有些泵站 (出水流道为虹吸管道)出口不设检修门，则扬程调节就很困难。虽然可以
19、用改变虹吸流道驼峰顶部真空度的办法来改变扬程，但由于驼峰存有空气，使出水的水流型态改变，增大了试验误差，可靠性降低。进水位的选择应保证其一定代表性，应尽量使其接近设计进水位，以使水泵有良好的进水条件，水泵性能不致受可能产生的汽蚀影响。2)选择变角或变速的适当范围。国内现有的农用大中型泵站工况调节方法均为变角， 即改变泵叶片的安放角度。在水泵安装和检修过程中应对叶片角度进行仔细的检查，保证每台水泵的叶角一致性。,对于市政的工业用大中型供、排水泵站，,近几年已有一部分采用变速来调节工况，(少数农用小型泵也有用变速调节的)。试验时应根据可能的变速范围来选定试验转速。3)选择可靠的测流方法，大中型泵站
20、现场试验中难度最大的是流量测量。常用的是流速仪法和盐水稀释法。有条件应用二种以上的方法互相验证，以确保其足够的精度。4)需要对机组的汽蚀、振动、噪音等情况进行观测，尽可能运用现有仪器仪表进行测定，以便进行定量分析，确定机组运行可靠性。,第三章 泵 运 行 工 况 调 节,为实现泵站站内经济运行，需要对水泵运行工况进行调节。泵工况的调节方式有变角 调节（改变叶片安放角），变速调节(改变泵的转速)，变阀调节(改变管路阻力)，变径调节(改变叶轮直径)等四种。其中变阀调节是人为地增加阻力损失，很不经济，实用中已经淘汰或被其他方法取代。变径调节不能用作实时调节。所以只有变角调节和变速调节才能用于经济运行
21、的实时调节。,第一节 泵 的 变 速 调 节,在各种调节方式中，变速调节能获得较高的装置效率。变速调节种类最多，适用较广。 在工厂供水，市政给排水泵站中使用较为普遍，但受经济条件制约在农用灌排泵站中很少采用。尽管如此，相信随着经济发展农用灌溉泵站采用变速调节会逐步增加。改变水泵转速的方法可分为二类:一类是通过动力机和水泵之间的传动机构调速，即 改变传动机构输出的转速来改变本泵转速;另一类是改变动力机自身的转速，从而变速驱动水泵使水泵转速改变。对第一类的传动变速，常见的传动机构有液力耦合器，电磁耦合器，齿轮，调速皮带，水力泵液马达等。目前国内用作实时调速的为液力耦合器。对第二类的动力机变速，有可
22、控硅串级调速，变频，变极与变压调速。,一、泵调速的方法传动装置调速,(一)液力耦合器l.结构和工作原理液力耦合器是流体耦合器的一种，它是利用液体运动 (矿物油)来传递功率的流体动力式液力传动装置，其满负荷效率可达97%98%。液力耦合器由泵轮、涡轮、转动外壳和勺管等主要构件组成(图3-1)。转动外壳包围在涡轮之外并与泵轮外缘法兰用螺钉连接，以使液体能贮存在泵轮涡轮之中不外泄。泵轮和涡轮尺寸大小相等，对称布置。泵 轮，涡轮内有许多径向辐射的叶片，为避免产生液力振动，两轮的叶片数不等，相差数片。泵轮之轴与动力机轴相连，涡轮之轴和主泵轴相连。运行时，耦合器腔内充油。,泵轮在动力机轴带动下旋转。油从泵
23、轮内侧(叶片进口)，流向外侧(叶片出 口)，油压升高，油速增大，冲向祸轮时片，迫使涡轮随泵轮同向旋转。油在外侧 (涡 轮进口)进入涡轮后流向内侧(涡轮出口)，流动过程中逐步减速降压，然后再流入泵轮进口，如此循环往复不断，构成一个油循环圆。在这个循环过程申，泵轮将输入的机械能转换为油的动能和压能，而涡轮则将输入油的动能和压能转换为机槭能。这样液力耦合器就把动力机的力矩传递给水泵成为，带动水泵旋转。,当耦合器工作油腔充满油时，转换能量最大，传递转矩最大，同时又能缓和冲击与振动，使运行平稳，波力耦合器起弹性联轴器作用，不能调速。如何利用耦合器调速，实际使用中多为调节工作腔内的充油量，即所谓的容积调速
24、法。调节耦合器工作腔充油量的简单方法就是调节勺管(图3-2)，勺管口的位置不同，腔内液面高度也不同，充液量改变，转速即随之改变。若将勺管执行机构改为电动并与计算机相连，就可以实现完全的自动调速。,2.转矩关系,液体在耦合器流道内的流动是很复杂的流动。通常在理论分析时，假定泵轮和涡轮的叶片是无限多且无限薄，液体在轴面上的流动可用中间流线来代表其平均情况。这样由动量矩定理，恒定流动时泵叶片作用于液流的力矩由下式计算:,Mp-F=pQ(r2 Vup2r1 Vup1) (3-1),式中 p 工作腔内液体密度;Q循环流量； Vup2泵轮出口处液流绝对速度的圆周分量；Vup1泵轮进口处液流绝对速度的圆周分量。液流作用于涡轮的力矩为: MF-T = pQ(r2 VuT1r1 VuT2) (3-2) 式中和分别为涡轮进出口绝对速度圆周分量，液体流动的速度三角形如图3-3。,耦合器的泵轮和涡轮之间有一很小间隙，液流从泵轮 (或涡轮)到涡轮 (或泵轮)，流过此间隙时，在假定的理想情况下并不产生损失，液流作用在轮壁压力也不产生转矩。因流过此间隙时，在假定的理想情况下并不产生损失，液流作用在轮壁压力也不产生转矩。因流过此间隙时，在假定的理想情况下并不产生损失，液流作用在轮壁压力也不产生转矩。因,
