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水泵选型是泵站工程设计中的重要问题，选型合理与否，直接关系到泵站工程的投资、建成后的运行费用和供水安全［1］. 选泵不当，关键是扬程选不准. 国内低扬程轴流泵站长期偏离高效区运行，除了设计扬程偏高外，选泵扬程又高于实际需要也是重要的原因之一〔2～4〕，本文分析了泵与泵装置特性关系，指出传统选泵方法中的弊端，提出新的选型方法.
传统选泵方法
传统的选泵方法是根据泵站净扬程和装置形式先确定需要扬程曲线，然后根据设计流量来确定所选水泵损失扬程，进而确定总扬程，使所选水泵在设计扬程下效率最高. 可以看出，传统选泵方法是以等流量加大扬程方法来选择的，没有考虑泵装置在设计扬程下是否效率最高.
假定装置设计点为A(QZ，HZ). 传统方法选泵时，泵扬程根据下式计算：
HP=HZ+SQ2, (1)
采取等流量加大扬程来选泵时，确定所选泵设计工况点为B点，如图1所示，然后根据B点来选择泵，如果B点为泵的最高效率点，则认为选泵达到最佳状态. 但是，最高效率点在B的泵，它的泵装置最高效率在C点，可以看出，最高效率点C偏离所谓的设计点A，泵装置实际运行在低扬程大流量区域. 这与大量的模型试验和现场实测资料相吻合. 轴流泵装置效率曲线在大流量一侧，效率随流量增加急剧下降，从而很容易造成泵站效率偏低，汽蚀性能恶化. 对于高扬程泵站，由于管路水力损失所占比例小，C点和A点偏移不大，加上高扬程离心泵、混流泵高效区较宽，因此，传统的等流量加大扬程选泵没有显示出它的弊端. 对于低扬程泵站，由于管路损失比例较大，C点和A点偏移较大，传统选泵方法必然导致泵站效率偏低. 对于叶片角度可调节的泵，最高效率点还将从大角度移到小角度，角度的偏移达到6～10°，C点和A点的偏移将更严重.
图1 传统选泵方法
2 泵与泵装置特性关系
定义泵装置扬程HZ为上下游水位差，泵扬程为HP，某一泵流量和扬程关系可表示为:
HP(Q)=AQ2+BQ+C, (2)
某一特定的装置轴功率和流量的关系可表示为：
P(Q)=DQ2+EQ+F, (3)
对于一定泵， A、B、C、D、E、F为常数，泵的效率可以求出：
ηP=ρgQHP(Q)/P(Q). (4)
对(4)式求极值可以求出最高效率点流量，其方程为：
ADQ4+2AEQ3+［3AF+BE-CD］Q2+2BFQ+CF=0, (5)
对于泵装置来说，假定装置中泵性能特性不变，管道水力损失符合
h=SQ2, (6)
式中S为管道阻力系数, 则装置扬程可表示为：
HZ=AQ2+BQ+C-SQ2. (7)
装置效率ηZ可以表示为：
ηZ=ρgQHZ(Q)/P(Q). (8)
泵(A-S)DQ4+2(A-S)EQ3+［3(A-S)F+BE-CD］Q2+2BFQ+CF. (9)
可以证明方程(9)在设计流量附近所得到的根QZ比方程(5)所得到的根要小.
为了分析不同泵型装置对高效点流量和扬程的影响，本文引用了3种典型的泵特性数据进行了分析.
模型泵1 (ns=1129，叶片角度2°)性能曲线可表示为：
H(Q)=6.6287+0.389273.10-1Q-0.121915.10-3Q2, (10)
P(Q)=22.2773+0.119194-0.345933Q.10-3Q2, (11)
最高效率点基本性能参数为(QP=396m3.s-1, HP=4.229m, ηP=0.86). 假定装置中管路阻力系数分别为0、1.348×10-6、2.697×10-6、 4.045×10-6、5.394×10-6、6.742×10-6，可求得各种管路水力损失的装置中最高效率点的性能参数，见表1.
从表1可以看出，低扬程轴流泵装置随着管道阻力系数的增加，装置最高效率降低，流量减小，但高效点扬程略有增加.
混流泵(1000HLB－16)性能曲线可表示为:
HP(Q)=-2.1754×10-5Q2+0.13163Q-179.4852, (12)
装置的最高效率点可以通过(8)式求出. 其方程为：
P(Q)=-3.269×10-4Q2+1.99Q-2403.76. (13)
装置扬程－流量关系为：
HZ(Q)=HP(Q)-SQ2. (14)
假定管路损失系数分别为0、7.47×10-8、 14.94×10-8、22.41×10-8、29.89×10-8、37.35×10-8，可求出装置高效点变化情况，见表2.
从表2可以看出，混流泵装置也随着管路阻力系数增加，装置最高效率降低，流量减少，但扬程出现波动，在阻力系数较小时，高效点扬程增加，阻力系数较大时，高效点扬程减小. 假设混流泵管道损失分别占总扬程15%和20%，在此范围内，本例流量减少6%～7%，扬程减少1%～5%.
离心泵(12sh－6)性能曲线可表示为：
HP(Q)=-5.923×10-4Q2+8.571×10-2Q+99.95238, (15)
P(Q)=6.694×10-4Q2+0.4035Q+128.803, (16)
HZ(Q)=HP(Q)-SQ2. (17)
假定管道阻力系数S分别为0.3×10-5、 18.6×10-5、27.90.3×10-5，可求出装置高效点变化情况见表3.
从表3可以看出，离心泵随着管道阻力系数增加，装置最高效率降低，流量减小，扬程降低，流量减少值较大，扬程降低值较小，对于本例，假设管道损失为总扬程的10%和15%，流量减少13.5%～17.86%，扬程降低2%～3.4%.
表1 模型泵1装置最高效率点变化情况
管路阻力系数
S(×10-6) Q/m3.s-1 H/m P/kW ηmax
0.000 396 4.229 19.093 0.86
1.348 386 4.396 20.173 0.819
2.697 376 4.511 21.205 0.784
4.045 368 4.59 21.996 0.753
5.394 359 4.703 22.849 0.724
6.742 352 4.76 23.485 0.699
表2 混流泵装置高效率点变化情况
S(×10-8) QZ/m3.s-1 HZ/m P/kW ηmax
0.000 3359.0 16.86 593.9 86.00
7.470 3214.6 17.73 616.0 83.56
14.94 3186.0 17.20 619 79.67
22.41 3160.0 16.65 621.9 75.90
29.89 3135.0 16.08 623.0 72.23
37.35 3111.5 15.50 624.0 68.00
表3 离心泵装置高效率点变化情况
S(×10-5) QZ/m3.s-1 HZ/m P/kW ηmax
0.0 220.0 90.0 250.0 77.5
9.3 201.0 89.4 236.0 74.9
18.6 190.0 88.1 229.6 71.4
27.9 180.7 86.9 223.0 68.8
3 加大流量、变扬程选型方法
通过上述分析可知，原来的等流量加大扬程选泵方法只是基本适用于离心泵选型，对于低扬程轴流泵, 应该采取适当降低扬程, 增大流量的选泵方法, 对于混流泵,可以采用等扬程加大流量选泵方法，对于离心泵则应采取同时加大流量和扬程选泵方法，3种泵装置对高效点流量、扬程影响情况见表4.
表4 装置高效点流量、扬程变化情况
项 目 轴流泵 混流泵 离心泵
Q(与设计流量相比) 减少8%～10% 减少5%～10% 减少10%～15%
H(与设计扬程相比) 增加5%～8% 减少或增加1%～5% 减少2%～4%
4 结束语
水泵装置对高效点流量和扬程的影响与泵特性系数和装置型式有关，需要通过大量的试验才能得出影响系数，本文只是通过公式推导和数值分析说明传统选泵方法的弊端，采用加大流量变扬程的办法选泵，可以使装置效率最高.
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发表于 2005-12-10 19:02:50
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