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摘要：针对某化工厂用供水系统的要求，进行了离心泵的节能性选择设计，即确定离心泵的型号以及配套电机调节装置等。
关键词：离心泵节能选择设计
一、问题的提出
如图1为某化工厂用供水系统输送工作流量的变化规律，输送常温清水，泵最大工作流量qvmax=47L/s，管路实测得在qvmax=47L/s时管路沿程阻力损失和局部阻力损失∑h＝20m，管路装置静扬程（即泵入口和出口水箱的压力和水位高度差之和)Hst＝25m。按节能和安全、经济的原则，选择离心泵、电动机和调节装置型号和规格。
二、节能性设计过程
1.选择离心泵型号
泵的最大工作流量qvmax=47L/s，对应扬程为Hmax=Hst+∑h=25=20=45m。
参照有关规程考虑安全裕量，取流量安全余量为5%，扬程安全余量为10％，则得：
泵的计算流量为qv＝1.05 qvmax＝49.35L/s；泵的计算扬程为，H＝1.1Hmax＝49.5m。
由公式得：当n＝2900r/min时，ns=127；当n＝1450r/min时，ns=63.5。故所需泵属于中、低比转速的离心泵。从离心泵产品样本查出五种型式的离心泵符合要求，见表1所示。
比较表1各泵，以6SA-8型泵效率最高，耗电量最低，抗汽蚀性能也较好。6SA-8型泵为单级、双吸、中开式离心泵。该泵还具有比转速较高(ns=94)，转速高、体积小、拆卸检修方便等优点。初选6SA-8型泵，但最后还须和调节方式统筹考虑后才能确定。表中五种泵所配电机均为我国家的节能产品Y系列三相异步电动机。
2.选择离心泵的调节方式
根据国内可供选择的有六种调节方式：节流调节(即出口阀门调节)、电磁调速电动机、液力偶合器调速、双速电动机和节流调节配合、晶闸管串级调速装置调速、变频调速装置调速。适用6SA-8型泵的只有三种：节流调节(即出口阀门调节)、电磁调速电动机、变频调速装置调速。决定采用6SA-8型泵，并对由节流调节、电磁调速电动机，变频调速所组成的三种采系统进行耗电特性和经济性分析比较，以便决定选用调节的方式。
3.三种调节方式泵系统的耗电量比较
3.1选样三种调节装置的具体型式
节流调节装置可利用泵出口管路上的原有阀门，变频速装置拟选用脉宽调制（PWM）型变频器。因它用大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管(GTO)组成变频器中的逆变器，具有线路简单，调速效率高、功率因数高和可靠性高的优点。电磁调速电动机选用新型节能产品――低電阻端环电枢的高效变速装置，型号为YCTD225-2B，其最大转速比in＝0. 95。
由于变频调速装置是从电网输入功率，故耗电量比较时需以电网输出功率为标准。由制造厂据供的Y200L2－2型电动机的效率曲线如图2。图中的纵坐标为电动机效率ηd；横坐标为电动机的负荷率β，β＝Pd／Pdn。本电动机的额定功率Pdn＝37kw。
3.2求阀门节流调节时各个工作流量下的电网输出功率
3.3求变频调速和电磁调速电动机调速时各个工作流量下的电网输出功率
先按相同比例尺把泵的性能曲线和管路性能曲线作在同一图上(最好作在坐标纸上，因是用图解法求解)，如图3所示。把四条相似抛物线按比例作在图3上(作法与前面作管路性能曲线相同)，它们分别与转速n=2950r／min时的qv－H性能曲线相交于a‘、b‘、c’、d’上。则a与a‘，b与b’，c与c’，d与d’各对应为相似工况点，由这对应的两点可列出比例定律式，求出工作点为a、b、c、d时的各个转速。运行工况点a、b、c、d的轴功率值Pa、Pb、Pc 、Pd可由下式求出，即
式中qv、H各为运行工况点a、b、c、d上的值。因图3来作出变速调节时与a、b、c、d对应的η值，故η应取a’、b‘、c’、d‘上的值(因为相似上况点a与a’，b与b‘，……之间的效率近似是相等的)。
表3列出了变频调速和电磁调速电动机调速的各运行工况点的电网输出功率PB的计算结果。
在表3中，变频调速的调速装置综合效率ηz值可由图2－49（b）查出（图中只有18．5kw和75kw电动机的ηz曲线，可用插入法近似求得37kW电动机的ηz值）。ηz＝ηvηd。
3.4计算三种调节方式每天的耗电量
由图1各种工作流量的每天运行小时数及表1—2、表1－3给出的三种调节方式在各种工作流量下的电网输出功率。可求出三种调节方式每天的耗电量如表1－4所示。
4.三种调节方式泵系统的经济性比较
前面已算出三种调节方式泵系统每天的耗电量的比较，以变频调速耗电量最少，电磁调速电动机次之，阀门节流调节的耗电量最多。但应综合考虑耗电量大小(运行费用)和设备的初投资才能决定各方案的经济性。用总费用现值法来比较三个方案的经济性，小型项目，可当年完工投产，且年运行费为等值，可按下式进行计算。
有关教据：泵年运行330天，泵系统使用寿命t＝20年，年利率i＝10%，设电价0.70元／(kw·h)，则
为简便起见，式中年运行费只计耗电电费，而维修费与管理费因各方案相近而未作计算。同理，对设备投资费亦只计设备费。未计管路、土建、安装费等。
三种方案调节方式的泵系统总费用现值PVT的具体计算及计算结果如表1－5所示。
三、设计结论
由表5的计算结果可以看出：泵采用变频调速方式时总费用现值最低，电磁调速电动机调速方式居中，节流调节方式的总费现值最高。因此，采用变频调节方式是最经济的方案，而节流调节是最不经济的方案。
应该指出，若采用电磁调速电动机方式，其最高转速nmax低于电动机的额定转速n。，即nmax＝i0n0=0.95×2950=2802r／min。需把转速为2950的采的性能曲线换算为转速为2802的性能曲线，即泵的最大运行参数都有所减少，为保证原转速为n0时的最大运行参数就必选择较大容量的泵。但对本项目而言，从表3可查出，当泵输送最大流量qv＝47L／s时的相应转速为2719r／min，这表明nmax=2802r／min时已能满足最大流量要求，只是安全裕量很小，故可考虑不重选泵了。
参考文献：
[1]张涵，化工机器,化工学工业出版社，2005.1第1版
[2]高慎琴，化工机器，北京：化学工业出版社，1990
作者简介：
贺亚刚（1966—），男，副教授，现为常州工程职业技术学院专业课教师，从事化工机械专业课教学工作二十多年。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：离心泵节能选择设计
一、问题的提出
如图1为某化工厂用供水系统输送工作流量的变化规律，输送常温清水，泵最大工作流量qvmax=47L/s，管路实测得在qvmax=47L/s时管路沿程阻力损失和局部阻力损失∑h＝20m，管路装置静扬程（即泵入口和出口水箱的压力和水位高度差之和)Hst＝25m。按节能和安全、经济的原则，选择离心泵、电动机和调节装置型号和规格。
二、节能性设计过程
1.选择离心泵型号
泵的最大工作流量qvmax=47L/s，对应扬程为Hmax=Hst+∑h=25=20=45m。
参照有关规程考虑安全裕量，取流量安全余量为5%，扬程安全余量为10％，则得：
泵的计算流量为qv＝1.05 qvmax＝49.35L/s；泵的计算扬程为，H＝1.1Hmax＝49.5m。
由公式得：当n＝2900r/min时，ns=127；当n＝1450r/min时，ns=63.5。故所需泵属于中、低比转速的离心泵。从离心泵产品样本查出五种型式的离心泵符合要求，见表1所示。
比较表1各泵，以6SA-8型泵效率最高，耗电量最低，抗汽蚀性能也较好。6SA-8型泵为单级、双吸、中开式离心泵。该泵还具有比转速较高(ns=94)，转速高、体积小、拆卸检修方便等优点。初选6SA-8型泵，但最后还须和调节方式统筹考虑后才能确定。表中五种泵所配电机均为我国家的节能产品Y系列三相异步电动机。
2.选择离心泵的调节方式
根据国内可供选择的有六种调节方式：节流调节(即出口阀门调节)、电磁调速电动机、液力偶合器调速、双速电动机和节流调节配合、晶闸管串级调速装置调速、变频调速装置调速。适用6SA-8型泵的只有三种：节流调节(即出口阀门调节)、电磁调速电动机、变频调速装置调速。决定采用6SA-8型泵，并对由节流调节、电磁调速电动机，变频调速所组成的三种采系统进行耗电特性和经济性分析比较，以便决定选用调节的方式。
3.三种调节方式泵系统的耗电量比较
3.1选样三种调节装置的具体型式
节流调节装置可利用泵出口管路上的原有阀门，变频速装置拟选用脉宽调制（PWM）型变频器。因它用大功率晶体管（GTR）或可关断晶闸管(GTO)组成变频器中的逆变器，具有线路简单，调速效率高、功率因数高和可靠性高的优点。电磁调速电动机选用新型节能产品――低電阻端环电枢的高效变速装置，型号为YCTD225-2B，其最大转速比in＝0. 95。
由于变频调速装置是从电网输入功率，故耗电量比较时需以电网输出功率为标准。由制造厂据供的Y200L2－2型电动机的效率曲线如图2。图中的纵坐标为电动机效率ηd；横坐标为电动机的负荷率β，β＝Pd／Pdn。本电动机的额定功率Pdn＝37kw。
3.2求阀门节流调节时各个工作流量下的电网输出功率
3.3求变频调速和电磁调速电动机调速时各个工作流量下的电网输出功率
先按相同比例尺把泵的性能曲线和管路性能曲线作在同一图上(最好作在坐标纸上，因是用图解法求解)，如图3所示。把四条相似抛物线按比例作在图3上(作法与前面作管路性能曲线相同)，它们分别与转速n=2950r／min时的qv－H性能曲线相交于a‘、b‘、c’、d’上。则a与a‘，b与b’，c与c’，d与d’各对应为相似工况点，由这对应的两点可列出比例定律式，求出工作点为a、b、c、d时的各个转速。运行工况点a、b、c、d的轴功率值Pa、Pb、Pc 、Pd可由下式求出，即
式中qv、H各为运行工况点a、b、c、d上的值。因图3来作出变速调节时与a、b、c、d对应的η值，故η应取a’、b‘、c’、d‘上的值(因为相似上况点a与a’，b与b‘，……之间的效率近似是相等的)。
表3列出了变频调速和电磁调速电动机调速的各运行工况点的电网输出功率PB的计算结果。
在表3中，变频调速的调速装置综合效率ηz值可由图2－49（b）查出（图中只有18．5kw和75kw电动机的ηz曲线，可用插入法近似求得37kW电动机的ηz值）。ηz＝ηvηd。
3.4计算三种调节方式每天的耗电量
由图1各种工作流量的每天运行小时数及表1—2、表1－3给出的三种调节方式在各种工作流量下的电网输出功率。可求出三种调节方式每天的耗电量如表1－4所示。
4.三种调节方式泵系统的经济性比较
前面已算出三种调节方式泵系统每天的耗电量的比较，以变频调速耗电量最少，电磁调速电动机次之，阀门节流调节的耗电量最多。但应综合考虑耗电量大小(运行费用)和设备的初投资才能决定各方案的经济性。用总费用现值法来比较三个方案的经济性，小型项目，可当年完工投产，且年运行费为等值，可按下式进行计算。
有关教据：泵年运行330天，泵系统使用寿命t＝20年，年利率i＝10%，设电价0.70元／(kw·h)，则
为简便起见，式中年运行费只计耗电电费，而维修费与管理费因各方案相近而未作计算。同理，对设备投资费亦只计设备费。未计管路、土建、安装费等。
三种方案调节方式的泵系统总费用现值PVT的具体计算及计算结果如表1－5所示。
三、设计结论
由表5的计算结果可以看出：泵采用变频调速方式时总费用现值最低，电磁调速电动机调速方式居中，节流调节方式的总费现值最高。因此，采用变频调节方式是最经济的方案，而节流调节是最不经济的方案。
应该指出，若采用电磁调速电动机方式，其最高转速nmax低于电动机的额定转速n。，即nmax＝i0n0=0.95×2950=2802r／min。需把转速为2950的采的性能曲线换算为转速为2802的性能曲线，即泵的最大运行参数都有所减少，为保证原转速为n0时的最大运行参数就必选择较大容量的泵。但对本项目而言，从表3可查出，当泵输送最大流量qv＝47L／s时的相应转速为2719r／min，这表明nmax=2802r／min时已能满足最大流量要求，只是安全裕量很小，故可考虑不重选泵了。
参考文献：
[1]张涵，化工机器,化工学工业出版社，2005.1第1版
[2]高慎琴，化工机器，北京：化学工业出版社，1990
作者简介：
贺亚刚（1966—），男，副教授，现为常州工程职业技术学院专业课教师，从事化工机械专业课教学工作二十多年。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。