闭式水系统气囊罐对泵启停瞬态作用研究

高 浩 谢军龙 黄 庆 濮冬青



闭式水系统气囊罐对泵启停瞬态作用研究

高 浩 谢军龙 黄 庆 濮冬青

（华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074）

探讨以乙二醇溶液为流动介质的闭式水系统的定压装置中气囊罐在离心泵开机和关机时对定压点的压力作用情况，以某大型闭式冷却水系统为实验平台，分别对设计工况下有无气囊罐作用时进行离心泵的开关机操作，气囊罐作用时，能满足水系统稳定运行时定压点的压力需求，在四种不同稳定运行工况点下的离心泵进行开关机操作，定压点压力变化趋势和波动幅值大致一致，在四种不同加速时间下进行离心泵的开机操作，气囊罐均能对定压点压力有较好的响应变化。

闭式水系统；气囊罐；离心泵；瞬态

0 前言

离心泵在中央空调水系统中得到了广泛的应用，针对稳态过程的研究和开式水系统中离心泵启动瞬态过程日益增加，但在闭式水系统中，由于需要定压装置给系统提供一个基准压力来维持系统内的水力工况稳定，离心泵启动和停止会对离心泵入口压力造成较大的瞬态效应，所以对闭式水系统中离心泵的启动和停止过程进行研究愈发重要。离心泵启动的瞬态效应压力波动与泵的内特性和管道的外特性以及泵的启动时间有关。Duplaa[1]等对一台单级蜗壳式低比转速离心泵启动过程中的水力性能分别进行了详细的试验研究，发现泵进口压力在启动后存在突然降低行为；隋容娟[2]在离心泵出口分别采用闸阀、截止阀和球阀，进行启动试验，发现闸阀启动时比较平稳，而球阀启动时脉冲现象比较明显。Lefebvre[3]等人在一个闭式试验台上进行了启动试验，启动时间约为0.6s，他们通过控制全过程流量的方式测试启动过程的转速和扬程；胡征宇[4]等人在离心泵出口开度分别为全关、30%、60%和90%的开度下进行开机试验，发现阀门开度越大，试验扬程与稳态估算扬程差别越大。Grover[5]等人重点对启动过程离心泵叶轮的转动惯量和内部流体的流动惯性对启动性能的影响进行了理论计算研究；Thanapandi[6,7]等人对两个不同管路系统上的离心泵进行了启动和停机试验，启动时间约1.2s，他们认为离心泵在较慢的启动过程中水力特性和准稳态假设基本符合；江振兴[8]在闭式水管网中采用膨胀水箱作为定压装置，对离心泵的启停进行了瞬态试验并对管网安全运行提出建议。

在本闭式试验台中离心泵的每次开启都会造成入口定压点压力值急剧降低，从而使系统最高点压力达不到压力要求而出现负压，补水泵会自动开启往系统中补充乙二醇溶液，离心泵关闭时，定压点压力短时间内急剧上升触发泄压阀开启而使乙二醇溶液外泄至储液箱中，由于乙二醇溶液的反复吞吐会使其变质，所以一个体积合适能容纳系统由于离心泵开启关闭的囊式气囊罐非常必要。本文在此实验平台上进行了有无气囊罐时的离心泵开机和关机的瞬态操作进行定压点的压力对比，另对四种不同离心泵稳定工况下的状态点进行了开关机瞬态实验，以及在四种不同启动时间的开机瞬态实验并进行分析。

1 离心泵开关机瞬态压力波动实验

图1 实验管网原理图

本试验平台工作介质采用乙二醇溶液，定压源采用全自动定压补水装置，通过管道与离心泵入口管段连接，连接管道设截止阀，气囊罐为自动补水定压装置配套装置一部分，气囊罐总体积为0.35m3，有效容积为0.12m3，预充气压为0.2MPa。定压点设置压力为0.24MPa，系统最高点为26m，系统设计流量为35.8m3/h，扬程为0.77MPa，水泵运行频率为40.3Hz。离心泵变频启动时间为默认时间为10s，关闭时间为8s。系统内所含乙二醇溶液体积约为1.5m3。数据采集采用MOXA采集模块进行离心泵入口定压点的压力采集，最快可达100ms每次，由于压力采集仪器响应限制，实验数据取0.6s每次，能基本反映出压力波动规律，实验管网原理图如图1所示。

1.1 气囊罐有无作用时离心泵开机瞬态

图2 有无气囊罐开机定压点压力波动

如图2所示，由无气囊罐作用曲线可以看出，水系统处于静止状态时，离心泵入口管段定压点压力为0.266Pa，关闭连接自动补水定压装置管段截止阀，此时气囊罐无作用，1.8s时离心泵变频启动，定压点入口流体因为流体惯性，动压增加，静压减小，压力开始快速下降，约6.6s后压力下降到0.157MPa，随后在水流回流动压作用下1.2s内压力上升至0.162MPa，约3.6s后压力达到稳定。离心泵启动压力稳定时间约为10.2s，造成泵入口定压点压力下降0.104MPa。由气囊罐作用曲线可以看出，水系统处于静止状态，离心泵入口管段定压点压力为0.264MPa，打开连接自动补水定压装置管段截止阀，自动定压补水装置调至手动模式，此时补水泵无作用，气囊罐与水系统连接作用，由图可知在流体惯性和气囊罐囊内气体作用下，离心泵变频启动定压点压力快速下降，约6.6s左右下降至0.209MPa，随后在气囊和流体回流作用压力迅速回升，0.6s后压力上升至0.224MPa，而后压力缓慢回升，在约4.2s后压力趋于稳定，稳定压力为0.241MPa，离心泵启动压力稳定时间约为11.4s，造成定压点压力下降0.023MPa。通过对比看出，有无气囊罐作用时离心泵开机压力波动趋势大致相同，稳定时间也相似，和无气囊罐作用时相比，离心泵变频快速启动压力下降幅值减少了0.052MPa，稳定后压力下降值减少了0.079MPa。

1.2 气囊罐有无作用时离心泵关机瞬态

图3 有无气囊罐关机定压点压力波动

如图3所示，由无气囊罐作用关机曲线可以看出，离心泵正常运行，入口定压点压力为0.241MPa，关闭连接自动定压补水装置截止阀，气囊不作用，离心泵变频关机，入口管段定压点处动压迅速减小，静压急剧增大，在约0.6s左右定压点压力上升至0.334MPa，而后在流体和叶轮的综合作用下压力有一下降的过程，约1.2s下降至0.313MPa，随后在流体动压作用下压力持续上升，约6s后达到稳定，稳定压力为0.395MPa，从运行到关闭，定压点压力上升0.154MPa。由气囊罐作用关机曲线可以看出，离心泵正常运行，定压点压力为0.241MPa，打开连接自动定案补水装置截止阀，并将其设置为手动模式，气囊罐作用。离心泵断电，变频关机，叶轮减速动压减小，静压增大，在气囊罐和流体动压作用下，约0.6s左右定压点压力迅速上升至0.303MPa，随后在离心泵叶轮作用下压力下降至0.279MPa，随后在流体和气囊作用下，压力在1.2s左右缓慢上升至0.303MPa，随后压力缓慢下降，约7.2s左右达到稳定，稳定压力为0.267MPa，定压点压力比运行时上升了0.026MPa，通过两曲线对比得出，有无气囊罐作用时离心泵关机，定压点压力波动趋势大致相同，压力稳定时间也相似，在离心泵关闭时，与没有气囊罐作用相比，有气囊罐缓冲时，定压点稳定时定压点压力下降了0.128MPa。

1.3 气囊罐作用时离心泵不同运行工况下开关机瞬态

调节分支管路阀门开度，使离心泵的稳定运行工况点分别为=46.9m3/h，=0.705MPa；=56.8m3/h，=0.653MPa；=65.8m3/h，=0.603MPa；=75.6m3/h，=0.54MPa；将自动补水定压装置设为手动模式，开启连接气囊罐截止阀，在系统静止且定压点压力一致情况下，对四种工况下离心泵进行变频启动操作，结果如图4所示，由于流体惯性作用，定压点压力在6s内快速下降至最低值0.219MPa左右，然后在1.8s内有一个上升然后下降的压力波动，而后在3s内压力上升基本达到稳定值，稳定压力为0.246MPa左右，四种工况下压力波动和下降幅值均趋于一致。因为泵运行电机发热，所以系统温度有些许上升从而开机操作时静止压力略微不同，但基本不影响实验结果，所以，当离心泵稳定运行时处于不同工况点时，该气囊罐均能较好满足离心泵开机时缓冲压力的作用。在离心泵处于以上四个稳定工况点时进行变频关机操作，结果如图5所示，四种工况下关机离心泵关机入口管段定压点处压力波动基本处于一致，在流体动压和叶轮的作用下，静压迅速增大，大约0.6s内达到最大值0.299MPa，在接下来1.8s内压力有一个下降然后上升的波动，6s后压力缓慢下降至0.28MPa达到稳定。所以，当离心泵稳定运行时处于不同工况点时，该气囊罐均能较好满足离心泵开关机时缓冲压力的作用。

图4 无气囊罐泵不同工况点关机定压点压力波动

图5 无气囊罐泵不同工况点开机定压点压力波动

1.4 气囊罐作用时离心泵不同启动时间下开机瞬态

图6 不同启动时间离心泵启动定压点压力波动

打开连接自动定压装置截止阀，将自动定压补水装置调为手动模式，此时气囊罐单独作用。更改变频器的加速时间，使电机带动水泵分别以5s、7s、9s、11s启动。启动瞬间水泵入口定压点的压力变化情况如图6所示。系统静止时，定压点压力为0.268MPa，1.8s时，通过变频器启动电机，当加速时间为5s时，叶轮由静止到快速旋转，离心泵入口流体静压快速转为动压，气囊罐内气体压迫囊内乙二醇溶液进入系统，在两者作用下定压点压力约3.6s快速下降由0.08MPa至0.188MPa，在气囊罐和流体回流的共同作用下，压力开始回升，约0.6s压力上升至0.218MPa，而后在三者综合作用下压力有一个缓慢下降的阶段，约1.2s压力下降至0.211MPa，而后在气囊罐作用下约3.6s压力上升至0.244MPa并达到稳定，能满足定压点的压力需求，从开机到压力稳定，定压点最低压力为0.188MPa，压力波动时间为7.8s。当离心泵分别以7s、9s、11s启动时压力波动趋势与5s启动时基本一致，7s启动时，从开机到压力稳定，定压点最低压力为0.2MPa，压力波动时间为9.6s，稳定压力约为0.242MPa；9s启动时，从开机到压力稳定，定压点最低压力为0.211MPa，压力波动时间约为11s，稳定压力为0.243MPa；11s启动时，从开机到压力稳定，定压点最低压力为0.223MPa，压力波动时间约为12s，稳定压力为0.246MPa。启动时间越短，压力波动越大，压力稳定时间越短，约比启动时间滞后2s左右，气囊罐均能满足离心泵启动时的压力波动，使定压点压力能满足水系统运行需求。

2 结论

本闭式冷却水实验管网平台流动介质采用乙二醇溶液，对管网密封性要求较高，由于离心泵启动和停止均会造成定压点压力的大幅度波动，从而造成管网内冷却介质来回吞吐而使冷却液变质，所以采用合适体积能容纳离心泵启停压力变化造成的水量变化的囊式气囊罐十分必要。本闭式循环系统运行时定压为0.24MPa，系统静止时压力为0.266MPa，无气囊罐时，由于离心泵启动的流体惯性和动静压转换使定压点压力由0.263MPa下降至0.162MPa，离心泵启动造成闭式管网整体压力偏低，系统最高点出现负压，需要补水泵进行补水操作，而系统连接气囊罐时，离心泵启动瞬间入口压力下降过程中由于气囊罐内气体作用，入口压力由0.266MPa下降至0.241MPa，能够满足定压点的压力需求。在离心泵关闭瞬间，由于叶轮停止旋转。离心泵入口压力急剧上升，无气囊罐时，定压点压力由0.231MPa上升至0.395MPa，将使泄压阀自动开启泄压，而连接气囊罐作用时，流体压迫囊内气体，定压点压力仅由0.026MPa上升至0.267MPa，使定压点压力处于较小波动范围内。在离心泵稳定运行时处于不同的流量扬程工况下进行开机和关机操作，定压点压力变化趋势和波动幅值基本一致，用变频器使离心泵在不同加速时间下启动，气囊罐均能对压力有较好的响应。所以在闭式水系统中采取合适大小的气囊罐可满足缓冲离心泵启停时的压力波动，并可使流动介质得到保护而不受到污染。

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[8] 江振兴,谢军龙,高浩,等.闭式水系统泵启停及阀门关闭瞬态水力特性分析[J].制冷与空调,2015,(6):621-624.

The Study of Transient Characteristics of the Air Tank's Effecton Pump Start up-Shut down in Closed Water System

Gao Hao Xie Junlong Huang Qing Pu Dongqing

( HuazhongUniversity of Science and Technology of Hubei Province, Wuhan, 430074 )

This paper analyzes the constant pressure device-the air tank effect to the constant pressure point in the situation of the centrifugal pump start-up transient and the shut-down transient with ethylene glycol solution as a medium in the closed cycle. Taking a big closed cooling water system as an experiment platform, under the design conditions ofrespectively switching on and off the centrifugal pump when whether an air tank works. When the air tank works, it can meet the pressure need of operating the water system stably. Under the four different stable situations of switching on and off the centrifugal pump, the pressure change trend is similar to the fluctuation amplitude of the constant pressure point.Under the four different stable situations of switching on and off the centrifugal pump, the air tank can correspond the change the pressure of the constant pressure point.

closed cooling water system; air tank; centrifugal pump; transient state

1671-6612（2017）04-416-05

TH311

A

高 浩（1992-），男，在读硕士研究生，E-mail：584972480@qq.com

谢军龙（1970-），男，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2016-06-27