泵與風(fēng)機系統(tǒng)能量利用性的評價與設(shè)計運行優(yōu)化 - 圖文-

1、 制必要時可以通過調(diào)整安裝高度加以改善 , 但應(yīng)計 入成本項作為優(yōu)化計算的一部分內(nèi)容來處理 , 這些 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和客觀可能性適當(dāng)完善數(shù)學(xué)模型 。 7 系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計的優(yōu)化 由于系統(tǒng)成本 Csys 的計算比較簡單 , 下面主要 討論系統(tǒng)構(gòu)建方式對能耗部分的影響 。 傳統(tǒng)分析以 作為經(jīng)濟性評價參數(shù) , 在串 、 并聯(lián)及工況調(diào)節(jié)等復(fù) 雜的系統(tǒng)工作中能耗計算難以進(jìn)行 , 在 KE 的概念下 這一問題已經(jīng)不復(fù)存在 。 下面只通過兩個舉例來說 明構(gòu)建方案的可優(yōu)化性 。 表2 序 號 A B C D E m/h m IS50 - 32 - 160 1215 32 IS50 - 32 - 200 1215

2、50 IS50 - 32 - 250 1215 80 IS65 - 50 - 160 IS80 - 65 - 100 25 50 32 32 3 qv , H3 , 3 泵型 ns × 10 - 4 , K 3 10 - 5 , 3 , K 3 E E× % 間使用節(jié)流調(diào)節(jié)時兩個方案 KE 變化是相同的 , 但對 并聯(lián)系統(tǒng) , 當(dāng) qv < q v 時可使用單泵工作并同樣從 管路初始特性開始作節(jié)流調(diào)節(jié)至 qv = 0 . 8 , 此時系 統(tǒng)的 KE 曲線成 Acde 曲折線形 , 在 qv = 0 . 8 2 . 0 的 區(qū)間里 , KE , av (0. 8 - 2

3、. 0 將會比使用 F 單泵節(jié)流有明顯 的降低 , 這是顯而易見的 。 這種工作方式與一般的改 變泵工作臺數(shù)的調(diào)節(jié)方式并不完全相同 , 并不著意 泵的高效區(qū)工作 。 而是將泵 、 管、 閥三要素聯(lián)合作用 實現(xiàn)工況的調(diào)控變化 。 優(yōu)化設(shè)計就是在對各種可行方案按式 ( 22 進(jìn) 行定量計算的基礎(chǔ)上作比較選擇 , 其中主要的工作 在于平均能耗系數(shù)的計算 , 而權(quán)重系數(shù) k KE 和 k qv 可 能成為影響結(jié)果的一個關(guān)鍵因素 , 必須掌握可靠的 數(shù)據(jù) 。 對變工況系統(tǒng)而言 , 如果泵的選型可以擴展到 表列以外的產(chǎn)品 ,KE min 工況并非必須與計算工況 吻合 。 由泵 Kb E 特性的遞降性可知

4、, 較小的管路阻抗水 頭可以補償由于泵的效率降低導(dǎo)致的KE 上開 , 并 使系統(tǒng)仍能具有較之泵在 “高效區(qū)” 工作更低的 KE 水平 , 如圖 7 中 b 點即是 。 襲用泵的 “高效區(qū)” 稱謂 , 不妨可將此時的管路工作稱為 “高效” 狀態(tài) 。 泵的高 效區(qū)一般是在 0 . 90 , 虛擬特性上 qv 1 . 32 。 由 此也可知 , 傳統(tǒng)理論關(guān)于泵高效區(qū)工作的闡述有明 顯絕對化 , 對系統(tǒng)設(shè)計和運行可能產(chǎn)生某種誤導(dǎo)作 用。 考慮到泵在大流置區(qū)工作的可能性 , 如圖 2 所示 的 P - qv 曲線具有最大值的 “全揚程” 泵應(yīng)該成為 首選機型之一 。 表 3 對幾種不同系統(tǒng) KE 特性的

5、差異作了比較 , 計算以式 ( 7 、 式 ( 8 、 式 ( 9 為依據(jù) , h0 = 0 。 47 5612 33 5111 23 66 40 71 J/ m3 1178 1196 2150 1141 1132 1124 J/ m3 5169 9178 2010 4151 4124 3197 93 7515 F IS100 - 85 - 160 100 32 131 8016 例 1 表 2 中列出了幾種型號 IS 系列泵的參 數(shù) , 設(shè)系統(tǒng)的計算參數(shù)已經(jīng)確定為 Hcom = 80 ( m , 在使用表列的 IS 泵的情況下 , qv , com = 1215 ( m / h 。 3 可有

6、 C 泵單機和 A + B 串聯(lián)兩個構(gòu)建方案 , 后者計算 工況 KE , com = 15147 × 105 (J / m3 , 可較第一方案節(jié)能 約 2215 % , 但 Csys 會比較高 , 故可以根據(jù)應(yīng)用情況按 式 ( 22 作優(yōu)化分析確定方案 。 8 泵與管路匹配的優(yōu)化 泵液系統(tǒng)可能有不完全設(shè)計和完全設(shè)計兩種情 況 , 前者是指泵或管路一方已經(jīng)確定 , 后者則是二者 均可有優(yōu)化調(diào)整的余地 。 對流量型系統(tǒng) , 計算工況就 是 qv , com ( 變流量時系指最大流量及變化區(qū)間 應(yīng)是 已知量 , 此外管路 ho 也應(yīng)是已知量 。 811 管中已經(jīng)確定 , 作泵機匹配設(shè)計

7、此時阻抗水頭可根據(jù) qv , com 按式 ( 1 求取 , 故計 算工況泵的揚程流量均已確定 。 單泵工作可選用 3 3 < > K E 較低且 H 3 hcom , q v q 使匹配 v , com 的泵型 。 點工況 qv , com > q v3 有利于利用這一工況區(qū) KE 曲線 比較平緩 , 對于工況的波動或計算誤差不致過于敏 3 感的優(yōu)勢 , 但也不應(yīng)使KE 有大的增 com 較之K E 加。 如需作串 、 并聯(lián)等系統(tǒng)的構(gòu)建優(yōu)化 , 可按前述方 法分析 , 并按式 ( 22 的原則確定方案 。 187 圖7 例 2 設(shè) Hcom = 32 ( m , qv ,

8、com = 100 ( m3 / h , h0 0 , 工作范圍 qv = 40 100 ( m3/ h 為滿足動力參 數(shù)要求可由多種方案如 ( a F 單泵節(jié)流調(diào)節(jié) ; ( b 兩 臺 E 泵并聯(lián)節(jié)流調(diào)節(jié) ; ( c F 單泵變速調(diào)節(jié) ; ( d E 泵 加兩臺 D 泵并聯(lián)節(jié)流調(diào)節(jié) ,等等 。 不同的構(gòu)建方案系 統(tǒng)成本和平均能耗系數(shù)都有所不同 , 存在很大的優(yōu) 化空間 。 這里著重對方案 ( b 加以討論 。 圖 7 以虛擬 相對特性表示了兩臺泵的并聯(lián)工作 , 并可假定其聯(lián) 合特性與 F 泵一致 , 從而可與方案 ( a 作比較 。 A點 為計算工況 , 并以它為初始工況 , 則 qv 在

9、2 . 0 與 q v 表 3 系統(tǒng)工作方式 節(jié)流調(diào)節(jié) 泵管閥三要素調(diào)控 1 . 222 1 . 022 ( 兩泵并聯(lián) , 對單泵相當(dāng)于 q v = 1 . 0 - 2 . 0 等概率運行平均能耗系數(shù) K E, av ( 015 110 K E, av , w 的極限范圍 ( min max 應(yīng)用特點 使用簡便 , 大功率不經(jīng)濟 不需特別投入 , 系統(tǒng)不宜頻繁調(diào)節(jié) 適于大功率 , 易于實現(xiàn)自動化控制 偶合器只能單臺配套 適于中 、 小功率 、 易于實現(xiàn)自動控 制 , 變頻器可對不同機組切換使用 1 . 0 1 . 67 0 . 774 1 . 215 0 . 5 0 . 97 0 . 25 1

10、 . 0 液力偶合器調(diào)速運行 0 . 761 ( 已計入偶合器效率 , q v = 0 . 50 0 . 97 電機變頻調(diào)速 0 . 625 ( 未記變頻效率 處于 “高效” 工作狀態(tài) 。 copt 出現(xiàn)偏大也是可能的 , 比 如當(dāng)年均工作時間 t 較小時就有可能 。 813 完全系統(tǒng)設(shè)計 此時可將以上兩種情況綜合考慮作多方案優(yōu)選 分析 。 設(shè)流量變化區(qū)間為 q v q v ( 圖 9 , q v 作為計 算流量 , 定工況工作可視為變工況運行在該工況權(quán) 重系數(shù) k KE 及 k qv 等于 110 的特例 。 設(shè)計中可按傳統(tǒng) 方法 完 成 初 步 設(shè) 計 , 在 此 基 礎(chǔ) 上 作 h =

11、h1 , h2 , h3 等若干方案 , 匹配泵也可在 H , H , H , 等可能方案中作多種選擇 , 機組構(gòu)建也可以有 不同的選項 , 并在式 ( 22 的基礎(chǔ)上確定相應(yīng)的優(yōu)化 組合 。 由于現(xiàn)場條件 , 泵的品種規(guī)格 、 結(jié)構(gòu)條件 、 管材 尺寸等方面的制約 , 實際可選方案也是有限的 。 圖8 812 泵機已知作管路匹配設(shè)計 此時 qv , com 不應(yīng)作為已知量 , 否則管路特性確 定 ( 見圖 8a 而失去優(yōu)化空間 , 可將一個計算周期中 的總輸液量 V cy 作為計算依據(jù) , 但這應(yīng)假定有一定 庫容作為輸液的緩沖方可成立 , 所以有一定的局限 性。 在假定成立的情況下 , 泵的

12、工作應(yīng)按定工況考 慮。 此時以 H > ho 的不同工況作計算點所對應(yīng)的管 路特性是不同的 , 實際上流速 c 成為了優(yōu)化的設(shè)計 變量 , c = c ( A , 較小的流速將要求管徑較大的管 路 , Csys 也隨之增加 , 但每個計算周期中的能耗量 Ecy = KE , com V cy 將有所減少 , 二者的綜合成本對于 不同的計算流速將存在一個最小值 , 與此對應(yīng)的計 算流速應(yīng)是優(yōu)化速度 copt. 1 , 如圖 8b 所示 。 這一速度 應(yīng)以速度約束條件 ( 如果存在的話 為限 , 但可以超 越推薦經(jīng)濟流速的一般范圍 , 出現(xiàn)這種情況正好說 明優(yōu)化設(shè)計的合理性所在 。 如果 c

13、opt 偏小 , 管路可能 188 圖9 綜觀所述 , 以下幾點值得注意 : ( 1 優(yōu)化設(shè)計的可行性基礎(chǔ)在于按 KE 參數(shù)概 念系統(tǒng)的能耗水平計算是定量可進(jìn)行的 ; ( 2 關(guān)鍵在于將單泵 KE 特性的遞降性和KE 3 參數(shù)的極值性以及不同泵K E 參數(shù)的差異性有機 地結(jié)合應(yīng)用 , 在管路設(shè)計中把對傳統(tǒng) “經(jīng)濟流速” 的 借鑒和對 “優(yōu)化流速” 合理性的分析綜合起來 ; ( 3 對傳統(tǒng)關(guān)于泵 “高效區(qū)” 的論述作辯證的分 析 , 既不應(yīng)舍棄 , 也不可絕對化 。 在 “非高效區(qū)” 不再 成為能量利用性意義上的禁區(qū)的情況下 , 生產(chǎn)廠家 應(yīng)在泵的特性參數(shù)完善 , 汽蝕性能 、 工作可靠性等方

14、面有所回應(yīng) , 這是合于情理的事情 ; ( 4 與比較粗線條的傳統(tǒng)經(jīng)驗型設(shè)計相比 , 優(yōu) 化設(shè)計的過程可算是一種 “精細(xì)設(shè)計” 。 須知 , 從技術(shù) 層面而言 , 即使這種優(yōu)化本身尚不完善而帶有相當(dāng) 的近似性 , 其結(jié)果也較之隨意性很大的經(jīng)驗型設(shè)計 具有明顯的合理性 。 但是 , 實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變除了有相當(dāng) 的工作量以外 , 還必須克服可能存在的系統(tǒng)投資和 運行費用責(zé)利分離造成的人為困難 , 否則綜合優(yōu)化 較難以實現(xiàn) 。 系統(tǒng) , 出口動能頭可以占有不小的比例 , 如果利用擴 散管段減小動能頭 , 可使一部分 “無用能” 得到部分 利用 , 提高能量利用效率 。 對于閉式循環(huán)的系統(tǒng)也不 宜改用開式

15、運行 , 造成可用能的 “無用化” 。 管路出口 高于壓水池液面也是不經(jīng)濟的 , 但在深入液面時應(yīng) 防止停機倒流 。 10 結(jié)束語 本文闡述了若干新的見解和技術(shù)思路 , 片面性 乃至謬誤之處恐難避免 , 但 KE 參數(shù)本身只是個導(dǎo)出 量 , 無須試驗的證明 , 需要的只是工程應(yīng)用的完善和 經(jīng)驗以及某些數(shù)據(jù)的積累 , 有賴于流體動力工作同 仁的共同努力 。 對此 , 作者滿懷信心和期望 。 參考文獻(xiàn) 1 關(guān)醒凡 1 現(xiàn)代泵技術(shù)手冊 M . 北京 : 宇航出版社 , 1995191 9 系統(tǒng)運行中的優(yōu)化 運行環(huán)節(jié)的優(yōu)化空間相對有限 。 ( 1 由于設(shè)計者存在責(zé)任壓力或是對系統(tǒng)老化 的擔(dān)心等其它方面

16、的考慮 , 實際工作點可能會偏向 流量較大一方 , 對于不允許超過計算流量的系統(tǒng) , 應(yīng) 盡可能采用葉輪切割等措施加以調(diào)整 , 否則除非影 響到系統(tǒng)的可靠性 , 我們無須顧及泵的高效區(qū)工作 而增加管路節(jié)流 , 這樣只會使經(jīng)濟性水平有所下降 。 ( 2 并聯(lián)的泵機裝置在轉(zhuǎn)為部分泵工作時 , 除 了可靠性方面的考慮 ( 如電機過載 , 也不應(yīng)使管路 增加節(jié)流而保證泵的高效區(qū)工作 , 可以利用上述三 要素調(diào)控的方法滿足工作的需要 。 ( 3 對于軸流泵等工作揚程不大 ( H < 10 m 的 ( 上接第 129 頁 2 張景成 ,等 1 水泵與水泵站 M . 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè) 大學(xué)出版社

17、 ,20031 3 陸肇達(dá) 1 流體機械基礎(chǔ)教程 M . 哈爾濱 : 哈爾濱工 業(yè)大學(xué)出版社 ,20031 4 李世煌 1 葉片泵的非設(shè)計工況及其優(yōu)化設(shè)計 M .北 京 : 機械工業(yè)出版社 ,2006111 沒有高于 0. 1 m/ s的流動 , 這就說明了在吸熱板 ( 最 高310 K 和環(huán)境溫度 ( 273 K 差小于 37 K的情況下 , 吸熱板和蓋板之間的空氣對流可以基本上被抑制 , 降低了吸熱板向外界的散熱 。還可以看出 , 隨著速 度的增加 ,空氣流道中的漩渦會逐漸增加 ,隨著速度 的繼續(xù)增加 ,漩渦又逐漸減少 ,漩渦的出現(xiàn)可以增加 吸熱板和空氣的對流換熱 ,但在這樣的工作條件下

18、, 漩渦并不能顯示出太大的優(yōu)勢 , 因為內(nèi)熱源 500 W , 而攜帶出的能量達(dá)到492 W ,換熱效果已經(jīng)較好 。 通過模擬 , 當(dāng)進(jìn)口速度為2 m/ s 時 , 內(nèi)部空氣平 均流 度 的 平 均 值 為 2 . 4 s , 空 氣 的 平 均 溫 度 為 278 . 5 K , 空氣熱物性參數(shù)是 : = 13172 × 10 - 6 m2 / s 。 由于集熱器在 Z 方向上是無限大的 , 按外掠平板的 對流換熱計算 。 對于高度為 X = 1000 mm 的平板 , 取 出口處的平均速度 u = 4 . 1 m/ s , 此時 Re 最大 , 即 ux 4 . 1 ×1 Re = 104 < 2 × 105 , = 13 . 72 ×10 - 6 = 2 . 2 × 在層流區(qū) ,所以假設(shè)空氣流動在層流區(qū)是合理 。 陽能空氣集熱器作為采暖裝置時 ,速度不可過大 ,在 目前幾何尺寸前提下 , 速度不宜超過 0. 5 m/ s 。 進(jìn)口 流速0. 2