变频离心泵的特性曲线研究

许志伟，时彦强

（万华化学集团股份有限公司，山东烟台 264006）

1 概述

现代社会随着化工领域的不断发展，如系统锅炉给水、罐区供料装车、海水淡化采水等，都会出现若干台大型离心泵并联操作。由于工艺负荷条件的多变性，目前装置上大多采用了多台变频泵并联或者变频泵与工频泵并联使用。因此本文深入探讨变频离心泵的工作原理，以期对设备操作及选型有一定指导作用。

2 泵调节的基本工作原理

无论是在理论还是在实际中，机泵的设备性能曲线与工艺系统管路对应的特性曲线交点即为该泵的操作运行工况点。由此不难得出，在实际化工生产的运行与操作中，只要改变以上两条曲线的任意一条，就可以达到调节工艺系统离心泵操作流量的目的。在实际操作中要想让系统管路对应的特性曲线发生变化，最简单也是最常用的办法就是通过控制离心泵出口阀的开度来改变管路的阻力特性，也就是常说的节流法控制出口流量。但通过节流调节的方法，离心泵的一部分出口能量被消耗在了阀门及管路的损失当中，即浪费了一部分压头，因此即使泵的有效流量减小了，但泵实际消耗的电能并没有完全按比例降低。因此节流调节虽然是最简单的调节方法，但实际操作中浪费了大量的电能。由于离心泵的特性曲线是决定于设备本身的，故通过给泵吸入口增加诱导轮、改变叶轮入口边的宽度、切削叶轮、增大或减小前置导叶角度及改变离心泵转速均可以使离心泵的特性曲线发生偏移与变化。其中通过使用调速设备使离心泵通过特性曲线升高或降低的方法在化工生产装置中应用最为普遍。当泵本身的特性曲线发生了偏移，泵的特性与管路阻力特性的交点位置必然会发生变动，泵的流量也可以在一定工况内变化。

3 离心泵调速方法介绍

最常见的泵转速的调节方法有：改变电机转速，如采用变频电机；采用改变传动装置，如采用皮带轮或齿轮箱变速；采用液力耦合器变速。其中常用到的就是变频电机及液力耦合装置变速，由于在化工实际运用中，变频电机的使用最为广泛，本文仅通过变频电机调速来探讨特性曲线的变化。

变频电机调速主要有以下几个优点：

1）便于现场安装及操作。

2）由于实际化工厂工况的复杂，有时工艺人员需要通过连续的工艺参数变化来达到所适用工况，此时可以平稳无极变速到操作转速工况的变频调速无疑十分方便，更加符合工艺的操作需求。

3）机泵在开启时对阀门及管路系统的机械冲击及对电机的负载冲击通过变频调速控制，可以有效降低。

4）通过变频器对离心泵的调速，可有效改变机泵的流量、扬程，使离心泵始终处于最佳工况点附近工作，同时离心泵的单级扬程和比转速随之提高，对泵的稳定运行也提供了良好的条件。

4 相似定律的适用范围

要想真正理解泵的特性，要首先了解泵相似比例定律，而泵的比例定律是泵相似定律的一种特例，它表示的是在不同的转速下，同一台泵相似工况点流量Q、扬程H、功率P与离心泵转速n之间的比例关系：

流量与转速比例定律Q1/Q2=n1/n2

扬程与转速比例定律H1/H2=（n1/n2）2

轴功率与转速比例定律P1/P2=（n1/n2）3

依此可得出比例定律的结论：即离心泵的转速发生改变后，流量和转速的一次方成正比关系，扬程和转速的二次方成正比关系，功率与和转速的3次方成正比关系。对应的图解应为图1工况，

从以上公式中可看出，当转速为零的时候泵的流量才为零。但在实际操作中，变频离心泵的转速降到一定频率时（30～35hz）泵的出口就不会有流量。这是因为：

1）相似定律的定义为，两台几何相似的离心泵，在相似的工艺条件下，模型泵与原型泵对应各性能参数之间相互关系的计算公式。相比较而言，比例定律作为相似定律的一个特例，其几何尺寸比例常数λL=1，即可以将两台完全相同的离心泵看成是同一台泵，输送相同的工艺介质，仅通过改变离心泵的转速，离心泵的流量、扬程及轴功率与泵转速之间的比例关系。

2）比例定律仅适用于不考虑离心泵净吸入压头的情况，即此时此刻离心泵的吸入口和排出口之间没有高度差。例如在海平面上远距离输送工艺介质，离心泵的出口压头的唯一消耗即为管路系统的压力损失，在此种工况条件下，当转速调节为零时，离心泵的流量也正好降到零，此时出口压头（扬程）消失，泵不打液。如图1所示，工作点A 和C 就完全适合这种工况，比例定律在此种情况是适用的，但遗憾的是此种工艺条件仅在理论上存在。

3）在化工厂的实际操作中，由于工艺需求及布置条件，离心泵的出水口和进水口之间的高度差是不可避免的，有时还会有背压，如并联用离心泵或管网本身存在压力等情况，故不可能达到上述理想工况。对于离心泵并联操作时，系统中其余正在操作及使用的离心泵的运行压力也会对并联离心泵的出液口压头有额外影响。因此只有并联运行的泵出口压头大于或等于其余正在操作或使用的机泵当时的压力（或公用管网压力）时，并联运行的泵出口才能正常输送流体。而此刻总管网实际流量为所有运行的离心泵的流量和，而不是并联离心泵自身的出口流量。由于此种工况下管网总流量的增大和系统管路阻力的增大，故并联运行的离心泵工况发生了变化，扬程更高，故比例定律在此也不再适用。

图1 离心泵的特性曲线

5 图解分析

结合泵特性与管路特性，图解可以更加深入地了解变频泵的工作情况。

5.1 单台变频离心泵运行

深入理解变频离心泵的净扬程H0，即该泵进出口液位的实际高度差是分析单台变频离心泵运行的关键点。如图2所示，50Hz（工频）下的点A，仍然为额定工作点，此时特性曲线为F1，当通过变频器改变到某转速后，由于阻力曲线R1与流量为正相关，故此时工作点变更为B，特性曲线变更为F2。此刻管网阻力曲线的起始点，即流量为0时的扬程点高度，就为该泵的净扬程H0，而此刻该泵要想正常出液，则该频率下的出口压头必须大于H0。此时此刻变频泵克服管网阻力系统达到所需工况的流量QB的绝对压头实际为工作点B 的扬程与净扬程的差值，即△H=HB-H0。在以上工况中，相似定律也不适用。

在图2中，由于R1-KQ 为理想管网阻力曲线，故工频下此刻泵的性能曲线与理想管网阻力曲线的交点A 为该频率下离心泵的额定工作点，此时离心泵达到额定扬程和额定流量。但在实际操作当中，由于实际管网阻力曲线的多变性与复杂性，R-KQ 曲线很难达到理想曲线。故实际运行中的额定点一定是偏离A 点的。

图2 单台离心泵变转速运行特性曲线

如图3所示，在实际工作中，设计方往往选择泵型时的扬程要大于实际扬程，故此刻实际工况中的最大工作点会偏移至C 点处，如曲线R2为实际管网阻力曲线，则在工频运行的工况中，C 点才为实际情况的最大工作点。由图不难看出，此工况下，C点对应的实际最大流量点QC与最大流量时的扬程HC也发生了偏移，同时QC＞QA、HC＜HA。此时随着机泵流量增加，机泵轴功率增加，电机功率提高，电机也有过载的可能。同理，当变频泵的频率发生变化，特性曲线变为F2时，实际工作点为B 点。

5.2 工频并联运行性能曲线相同的离心泵

图3 实际工作点偏移A点

在实际化工生产操作中，当一台大型泵价值较高、经济性很差或选型困难超出所选泵厂水力模型时，为了满足工艺流量等需求时，常将两台或多台泵共同向同一压力管道输送介质，此种操作方式称作并联运行。在这种情况下，可以适当增加备用泵，保证在单台设备损坏时有备用泵切换，增加了系统运行的稳定可靠性。在离心泵并联操作的工况下，由两台或多台离心泵组成的并联系统的总性能曲线与此时工况的总管路特性曲线的交点即为此时实际操作工况的工作点。根据机泵运行原理，此时并联工况系统的工作扬程与系统内单台泵的扬程相同，系统流量为内部流量总和，依照上述原则，将每台机泵性能曲线中对应的流量叠加，绘制在同一坐标扬程下，可得到并联运行系统的总性能曲线。

如图4所示，取两台相同性能泵依据以上原则绘制此时并联工况的总性能曲线与工作点。其中F1曲线为单台泵在工频下的运行曲线，此时任意一台泵独自运行时的工作点为A，净扬程为H0。在纵坐标不变的情况下，将横坐标变更为单台工频泵曲线的两倍，即得到两台工频泵并联运行时的总的性能曲线F2。此时，并联操作工况中单台泵的工作点为B，系统操作工况点位C。即在管网阻力保持原规律时，系统中

QC=2QB，HC=HB。

图4 相同频率离心泵并联运行特性

由图4可看出，在两台相同性能的工频泵并联操作的工艺条件下，各个参数值满足HC=HB＞HA，QC=2QB＜2QA。即如果将两台同频率的泵并联接入工艺系统时，各个泵在系统中具有大于独自运行的扬程及小于独自运行的流量，且此时每个泵的出口压力一定相同，并联系统管路中的总输出流量为此时运行工况的各个泵流量的总和。故选型时直接通过两台单泵流量相加而得到总流量的方法是不可取的。同时观察离心泵并联曲线图可得出结论，在离心泵选型过程中，若考虑并联工况，则尽量选择具有相对较陡性能曲线的离心泵，同时尽量保证系统管网的的阻力降较平缓。这是因为当系统管网阻力降越大，则阻力曲线越陡，同样当泵的性能曲线过于平缓时，并联后系统中每台泵流量与泵独立运行时的流量比较就越小，则并联未取得良好效果。

5.3 泵型相同的变频泵与工频泵并联运行

相同泵型的变频泵与工频泵并联运行时的性能曲线如图5所示，工频（或变频器频率为50HZ）时设备满负荷的性能曲线为F1，此时的工作点为A1，扬程为HA1，流量为QA1。当变频器频率调节至F2时，该泵独自运行的工况点为B1，此时该泵性能曲线为F2，扬程为HB1，流量为QB1。当变频泵与工频泵同时在系统中并联运行时，得到此时系统的总性能曲线F3。在并联系统中，总出口压头与每台泵的出口压头相同的，即在并联系统的工作点C 中，总扬程HC=HB2=HA2，总流量QC=QA2+QB2。此时工频泵和变频泵的流量分别为QA2及QB2，扬程分别为HA2及HB2。

图5 变频泵与工频泵并联运行特性曲线

同时由于F2是变频泵的曲线，这就决定了在实际操作中变频泵的实际操作性能不是单一的一条曲线，而是在工频泵频率曲线F1左下方的一系列曲线。同理，并联操作系统的曲线F3是在工频泵右上方的一系列曲线。系统的总出口压头、总出口流量都会随着变频器频率的无极变化，不断进行调整。在系统运行时，保持工频泵的状态不变，降低变频器的频率，则变频泵扬程随着频率的变化不断降低，该泵流量QB2显著降低，总的系统流量QC也不断降低。并联操作系统出口压头也随之减少，相对应的工频泵的出口压头随之降低。对于工频泵本身来说，泵本身机械性能未变化，通过其自身性能曲线可知，该泵流量QA2反而略有增加，由此可以得出，工频泵与变频泵在一定范围内是可以并联使用的，但此时要警惕工频泵过载，在选泵时工频泵电机功率一定要满足满曲线操作。

6 结束语

随着节能降耗设计理念不断的深入，变频泵势必会在各个工程领域得到越来越广泛的应用。深入理解变频离心泵特性曲线，可以让设计方、使用方在设备选型时有更多的参考方案。