石油钻采设备及工艺-李振林 §7-4 离心泵的装置特性与工况调节

§7-4离心泵的装置特性与工况调节一、泵在单管路上工作二、泵在多管路上工作三、泵运转工况的调节返回离心泵必须与管路等组成一个系统才能实现液体的输送。这个系统的特性又称作离心泵装置特性；不同的工作条件，有不同的装置特性。一、泵在单管路上工作离心泵工作时，其吸入口与吸入管相连接，排出口与排出管路相连接，形成一个串连系统。输送液体时，管路中的流量Q’与泵的流量Q相等，泵提供的扬程或压头H等于管路损失∑h和提高液体静压头Hst的总和H’，即遵守质量守恒和能量守恒原理：，∑h与Q’间呈抛物线关系，即。对于具体的系统，随管路阻力的大小改变，比如调节排出阀门的开度，就可以得到不同抛物线，而Hst为常数。'QQhHHHst'2)'(Qh将泵的特性曲线与管路曲线按照相同坐标比例绘制在同一个图上，就可以得到如图所示单泵单管路装置的特性曲线。管路特性曲线与泵特性曲线的交点M，称作泵装置的工况点，这些交点完全符合质量和能量的守恒原理。M点的纵、横坐标分别表示泵的扬程和流量过M点作的垂直线与效率曲线的交点表示泵的工作效率。并联一般是指两台以上的泵安装在一起，自同一个吸入池吸液，并向同一个目标排液的工作方式，主要目的是增大流量。假设两台性能不相同的离心泵自同一个吸入池中吸入液体，且由液面到汇合点O的距离很小。这样，两台泵将在同一总扬程下工作，即H＝H1＝H2；总流量Q＝Q1＋Q2。并联后的总性能曲线（H－Q）1＋2，为同扬程下两泵流量叠加的结果。1.泵的并联工作自总性能曲线与管路特性曲线H’－Q’的交点M引水平线，与两台泵的特性曲线（H－Q）1、（H－Q）2分别交于A1、A2点，这两点就是每台泵的工况点。如果每台泵各自单独在该管路上工作，则工况点分别为M1、M2。当两台性能不同的泵并联工作时，其最高扬程限制在低扬程泵的范围内两台性能相同的离心泵并联工作后，其总性能曲线也是同扬程下两泵流量叠加的结果。由于曲线重合，实际上只需在给定的泵性能曲线上取若干点作水平线，将其流量增加一倍，按照这些新的点就可以得到两台泵并联后的总性能曲线。并联后的总性能曲线与管路特性曲线的交点为总的工况点。可以看出，两台泵并联工作时M点的总流量大于单台泵工作时M1和M2点的流量；同样，泵并联工作时的扬程也比单台泵的高。泵并联工作的主要目的是增加流量，而不希望扬程增加过大。如果泵的性能曲线越陡降，管路特性曲线越平坦，越容易达到这个目的但并联工作泵的台数越多，增加流量的效果越不明显。串联一般是指前面一台泵的出口向后面一台泵的入口输送液体，主要目的是提高扬程，增加输送距离。两台相距很近的泵串联工作时，各自流量相同，即Q＝Q1＝Q2；总扬程等于同一流量下两台泵的扬程之和，即H＝H1＋H2；将两台泵性能曲线同流量下的扬程值叠加，就得到总的性能曲线，如图2.泵的串联工作串联后总性能曲线（H－Q）1＋2与管路特性曲线H’－Q’的交点M即为串联后的工作点。由M点作垂直线与单泵曲线（H－Q）1的交点M1，与单泵曲线（H－Q）2的交点M2，就是串联工作时单泵的工况点。对于两台性能不同的泵，只能在低流量泵的范围内才可以串联工作。当两台相距遥远的泵串联在一条管路上工作，例如长输管道输送原油时，在叠加性能曲线之前，应该考虑泵间管路的阻力损失，即应从第一台泵的（H－Q）1曲线中减去这一部分损失，然后再串联相加。泵串联工作比较适用于管路特性较陡的工况，易于使扬程提高，而流量变化较小。二、泵在多管路上工作1.泵在分支管路上工作由一台（或数台）泵从某地将液体输送到两处以上的目的地，属于此种工况，称作泵在分支管路上工作，如图所示，图中有3条管路：泵前吸入管路AB的特性曲线为（H’－Q’）AB，泵后管路BC的特性曲线为（H’－Q’）BC，管路BD的特性曲线为（H’－Q’）BD管路BC和BD并联，按照泵特性曲线并联相加的相同方法，可以先作出并联特性曲线（H’－Q’）BC+BD,再与管路AB作串联相加，得到总的管路特性曲线（H’－Q’），它与泵特性曲线的交点M即为分支管路的工况点。M点对应的流量是管路AB的流量；自M点作垂直线，与管路特性曲线（H’－Q’）BC+BD相交于A点，再自A点引水平线分别与曲线（H’－Q’）BC、（H’－Q’）BD相交于C、D点，则C、D点对应的流量分别是管路BC和BD中的流量，且Q＝QM＝QBC＋QBD两台以上的泵从不同的地点向同一目的地输送液体，属于此种情况，称作泵在交汇管路上工作。假设两台泵分别从A－A、B－B两地经过管路A0、B0将液体输送到汇合点0，再经过管路0C将液体输送到C－C处。在这个系统中，两台泵的性能、管路AO、BO的阻力、静压头尽管不相同，但从泵1和泵2输送到0点后的剩余压头必须相等。2.泵在交汇管路上工作为此，必须求出泵1、泵2在0点的剩余压头。具体的方法是分别自泵1、泵2的性能曲线中减去管路AO、BO同流量时消耗的压头，得到位于0点的泵的剩余压头曲线（H－Q）’1和（H－Q）’2，它是用于克服管路0C的阻力及提高液体的静压头的能量。将特性曲线（H－Q）’1和（H－Q）’2并联相加，得到并联剩余扬程特性曲线（H－Q）’（1＋2），该曲线与管路0C特性曲线相交于M点，M点的流量就是管0C中的流量，等于管AO、BO中的流量之和，即QM＝QAO＋QBO。过M点作水平线，与曲线（H－Q）’1和（H－Q）’2相交于A、B点；过A、B点作垂直线，分别与泵1、泵2的性能曲线相交于M1和M2点，则M1和M2点就是两台泵在交汇管路上的实际工况点。三、泵运转工况的调节改变运转离心泵的工作点称工况调节。离心泵的工作点是泵的性能曲线与管路特性曲线的交点，任何一条曲线发生变化，工作点也随之变化。因此，改变工作点有两大途径：改变管路特性调节工况改变泵的性能调节工况改变管路特性调节工况可以采取三种方法：①出口节流调节：即调节排出管路上排出阀门的开度，改变管路中的局部阻力，使管路特性曲线的变化斜率发生变化，使工况点发生变化。如图，当排出阀门全开时，管路特性曲线为（H’－Q‘）1，与泵特性曲线（H－Q）的交点为M1，对应的流量是Q1。随着阀门逐渐关小，管路特性曲线相应变陡，假设变为（H’－Q‘）2，其与泵性能曲线的交点变为M2，流量相应减小为Q2。出口调节的方法简单易行，但随着节流程度增加，阻力增大，能量损失增加。例如，在管路特性（H’－Q‘）2的条件下，阀门的节流调节损失为（H2－H2－1）白白损失了部分能量。②旁路调节：在泵的排出管路上安装带有阀门的旁通管路，当打开旁通阀门使部分液体流回吸入池时，就相当于使离心泵在分支管路上工作这种方法也要白白浪费汇流液体的能量；在实际工作中，往往作降压的紧急处理措施使用。③吸入阀门调节：即调节吸入阀门的开度，改变泵的吸入压力，使液体中的溶解气体分离，当自由气体进入泵腔后，可以改变泵的特性。实践证明，与调节排出阀相比，这种调节方法可以节省能量；但使用此方法时，以不使泵内发生气蚀为前提。调节泵自身性能的方法有二：改变转速和切削叶轮外径。①改变泵轴的转速根据相似理论，对于同一台离心泵，泵的主要参数与转速之间的关系为：式中Q、H、Na－转速n时的流量、扬程和轴功率；Q‘、H’、Na‘－转速n’时的流量、扬程和轴功率nnQQ''2)'('nnHH3)'('nnNNaa由图，只要能够改变离心泵的运转速度，就可以得到不同的泵性能，从而使工况的点发生变化。这种调节方法不造成能量损失，调节效率高；缺点是，需要变转速的动力机（如直流电动机、燃气轮机、内燃机等）对于当前普遍采用的异步电动机驱动的离心泵装置，要实现调速，一是可以采用中间传动装置（如液力偶合器、电磁离合器等），二是采用变频调速装置对电动机直接调速。②车削叶轮外径对于长期固定在某工况下工作的离心泵，少量地车削掉叶轮的外径可以达到改变工况点的目的。当叶轮外径D2切削量较小时，叶片的出口角和通流面积基本不变，效率基本相等，出口速度三角形与切割前相似，泵的特性曲线及工况点向左下方移动，类似于调节转数时的曲线将切割后的泵性能曲线绘制在同一图上，并过原点和A、B点作两条切割抛物线，它们所包围的四边形ABB‘A’，称作切割高效工作区四边形。该工作区A、B点所对应的效率一般不低于最高效率的7％。