关于调速水泵选用条件及操作要求的探讨

杨福才

　　在给水上调速水泵自从在天津试验成功且已应用以后，已经为国内所接受，且已成为水厂建设和改造必须考虑的设备之一。通过国内大多数水厂使用的情况来看，对于其选用条件及开停操作程序往往忽略。这样做常会在使用上引起不良效果，甚至不但没有效益，还会增加许多麻烦。
　　为了提醒采用此调速水泵的工作者的注意，提出就选用调速水泵容量、台数及开停操作程序，重点的加以阐述。

　　一、调速水泵与恒速水泵容量大小影响

　　调速水泵（下称调泵）和恒速水泵（下称恒泵）容量大小相比，对水泵运行有着很大的关系，下面分别叙述。
　　1、调泵容量相等于或小于恒泵容量
　　如图1所示，调泵和恒泵在相等容量下组合运行，按下列程序操作。

　　(1)先开调泵，从零到A，以调泵变换转数运转。
　　(2)调泵开到A即满转，水泵流量接近A点时就须开恒泵。刚一开恒泵满转，为全速的特性曲线，流量到B点。但立即退回到需要点C。
　　(3)从A到B流量，即以调泵变速承担。
　　(4)流量后退到D点时，AD一段调速曲线成水平线或趋近水平，由于AD段可来回摆动，很可能摆动到A，一到A恒泵停转，但流量稍大于A，又需要开恒泵，造成开停频繁。
　　(5)为防止开停频繁，使流量退到E停恒泵才好。但恒泵循本身曲线，在E点流量时，压力须退到F，这时F点压力大于设定压力，而调泵则要根据压力标定要求，须将F点拉到E点，但恒泵则由于其特性曲张特点不能下降，这样调泵就不得不空转，造成断流现象即缔切。
　　调泵容量小于恒泵容量时，由于不稳定区扩大，增加频繁开动次数和由于滞流区增加缔切时间更长，使破坏性更加强烈。
　　2、调泵容量大于恒泵容量
　　如图2所示，调泵容量大于恒泵容量组合运行，按下列程序操作。

　　(1)先开调泵，以调泵变换转数，从零到A运行。
　　(2)调泵开到A即满转，流量接近A时就须开恒泵，这时流量到B点，但立即退到需要点C，从A到B都以调泵变换承担。
　　(3)流量后退到D点时，D点在调泵的控制点，特性曲线尚在陡峭区，故无不平衡现象，流量在退到A点时，由于过A点还须开着恒泵，故不能关闭恒泵。
　　(4)流量后退至E点，这时可停恒泵，此时调泵还在起作用，故无缔切现象。但调泵绝不能再退到F点以后才停恒泵，这样就如第1种情况一样，又会发生缔切现象。
　　从上面情况可看到，调泵容量小于恒泵容量是不利的，所以可得出结论，在调泵与恒泵组合运行时，每当需要停一台恒泵，只要待停的一台恒泵容量小于继续运行的调泵（包括1台调泵和若干此调泵能带动的恒泵，此种情况可以1台大容量调泵看待）总容量时，运转起来不会发生缔切现象，开停频繁不平稳情况也会减少。
　　美国纽约Placid湖村泵站用的4台泵，有2台调速（认为1台备用）、1台恒速，功率都是125HP，流量1500gpm，另外尚有50gpm小泵，运行时一般在1500gpm恒泵停开情况时，由于尚有1台1500gpm调泵带动50gpm恒泵还在运转，所以不会有缔切发生。
　　天津石油化纤厂泵站设有260kw恒泵（Q=1260m3/h、H=54m）2台，550kw调泵（Q=2900m3/h、H=52m）2台（1台备用），调泵容量大于恒泵容量，认为是合理的。

　　二、调速水泵运行压力跌落影响

　　实际运行时，一般调泵由于调速设备的影响，使调泵不能维持其预定的转速，而使调速的压力有一个非线性的跌落值。据有关资料推荐，调泵运行，一般要保持要求的最大流量时的压力时，则该泵流量为零时的设定压力，要比该点要求的实际压力约大10%。

　　由图3的a、b、c图（3b进水虹吸水头是变动的）可以看到，在Q=0时，设定水头为120ft，但为了将最大流量时丢失的水头补上，则把Q=0时设定水头增为132ft。同时在图3中还可看到，水泵流量越大，其压力下降值越多，也即水泵转数减少越多。
　　因此，在应用调泵时，一定要考虑水泵调速后的压力损失（水泵转数减慢），不然就会使调速的水泵，在实际运转时达不到预定的压力或者是流量的要求，这是需要密切注意的。
　　在天津石油化纤厂泵房调泵生产试运转及在调泵试验时，都可看到这种情况。该泵房调泵没有进行调速运转时，转速为970rpm，但投入调速后即降为930rpm。在天津的小型试验上，调泵比之同一型号的恒速电机带动水泵运转的H-Q特性曲线也有明显的下降。
　　美国Michata城水泵站的水泵投入生产的共有7台，其中一台调泵、6台恒泵，每台额定送水量25mgd，转数900rpm，恒泵功率1820HP，调泵功率1885HP，调泵比恒泵功率高3.5%，认为就是为了补偿电机在调速状态下，因为不减低要求的水泵转数而增加的功率。为了避免在使用调泵运转时，比该泵在恒速时要有的转数减低，影响使用效果，甚至在出现大流量，不能达到给定压力，同时结合国内情况，使能安全、可靠及有效的运行，以达到预定的结果，建议选择的调速电机，其功率要超过该电机用在恒速运转时功率的5%，或选泵时也可以考虑所选得的调泵H-Q选择性曲线，要适于调速后合乎预定要求为妥当。

　　三、调速水泵与恒速水泵共同运转开停操作

　　1、调泵开停操作，据有关资料介绍，一般情况是：
　　当设三台调泵（1台备用），可用两台泵分担运行，即每台泵各担负最大进水量50%；或两台泵错开运行，即在低流量期间，仅有领先泵运行，以后增加流量，直到两台泵共同运行，其时领先泵在最高速度曲线上运行，滞后泵在减低速度曲线上运行。错开运行方法耗费功率比分担运行大，且易造成泵轴磨损。
　　当两台调泵与一台恒泵组合运行时（一台调泵备用），每台调泵及恒泵容量各为最大进水量的60%与40%。一台调泵作为领先泵，当进水量稍大于60%时，恒泵开动，输送其40%的进水量。当进水量降至55%以下时，恒泵停止运行。调泵经常每24小时轮换一次。
　　如4台泵组合运行，可选用两台调泵和两台恒泵。每台调泵与恒泵容量各为泵站最大进水量的45%与30%（一台调泵备用）。
　　一台调泵作为领先泵，当进水量超过45%时，一台恒泵开动。进水量超过75%时，第2台恒泵开动。进水量又降到70%左右时，第2台恒泵停转，进水量降至40%左右时，第1台恒泵停转。在1台或者2台恒泵运行周期终了，调泵经常会自动转换一次。
　　3台调泵和1台恒泵组合运转，在4台泵都送出同等水量，即35%进水量时，一台调泵作为领先泵，当进水量超过35%时，第2台调泵开动，两台调泵以同一转速输出同等速度运转。进水量超过70%时，恒泵开动。进水量又降至65%时，恒泵停转。当进水量降至30%进水量时，滞后的调泵停转。第3台调泵为备用泵以替换运行中的调泵或恒泵。
　　2、在天津石油化纤厂做的小型试验，用同为50TSW-7离心泵2台（N=7.5KW、H=70-49m、Q=15-22m3/h、n=1450rpm），一台调速，一台恒速。在试验中看到，先以全转速开调泵，再开恒泵，两泵同时运行，以后人为的减小流量，调泵转数下降，直至调泵的扬程特性低于设定压力值后，调泵空转不能向外送水，只有恒泵工作。在设定压力下，先慢速开调泵，再开恒泵，看到调泵在尚未达到要求压力情况时，调泵只能做无功的空转，俟调泵转速逐步上升达到要求压力时，才向外送水，与恒泵共同工作。
　　先开恒泵，后以全转速或慢转速开调泵，与上述情况相同。
　　试验当中，观察到无论调泵、恒泵先开后开、调泵以全转速、低转速先开后开，开停时都没有振荡现象，也无气蚀发生。
　　从上述试验得到，在调泵与恒泵共同运转时，虽然调泵先开后开、开启时以全转速或低转速开动都可以，但认为为了开启方便，且避免调速不会发生压力不够原因，还是调泵以全转速先开启对节能与操作有利。
　　3、认为可依据上述资料及试验情况，并结合以下方法进行开停调泵操作。
　　调泵开停为，当水泵在满足规定压力情况下，要求进水量大于开着水泵的进水量时，就应该开泵。也可以根据开着水泵压力的降落来定，当水泵降落到要求规定压力95-90%时，可以开泵。
　　停泵要求，一般是如果开着的水泵群减掉其中任一台泵的进水量，比要求的进水量稍小时，就可以关闭要减掉的泵。但一般为避免频繁开关，应在要求的规定压力下，于其进水量的95-90%时关闭。例如开着3台泵，其中一台在要求压力下，进水量为1000 m3/h，时要关泵，则就在该泵容量900 m3/h或950 m3/h时关闭。
　　遇有水泵H-Q曲线扁平或吸水高度变化过大的情况，可采用位式法，考虑于进水量在一定幅度范围变动时，允许水泵压力也在规定的一个上下变化幅度范围内跟踪移动，而该情况时调泵转数不变，以防开停过度频繁的不平稳现象，及阻止发生冲击(purge)作用。
　　一般选泵条件是最好于开关一台泵时，使此台泵处于流量接近于零的情况越少越好（一般水泵于其最高流量30%以下运转情况，有时达50%都要尽量避免）。当然调泵最好以等效率方式变更速度运行。且选用的泵特性曲线陡直、静水头小、管线损失水头曲线陡直都对调速运行有利。

　　四、调泵水泵与恒速水泵台数选择

　　通过实际检验，在调泵与恒泵组合中，调泵数量越多，节能越大，但设备费用要大一些。
　　前面所述，调泵与恒泵组合开停操作，已提出4台及以下的组合方式，5台或以上的可以以下公式选取（包括备用的1台调泵）。
　　一台恒泵容量<100/恒泵台数+1.5·%最大进水量
　　一台调泵容量>1.5×恒泵容量/调泵台数-1·%最大进水量
　　多台调泵加到一起可作为一台调泵看待。
　　一水泵站有恒泵3台、调泵3台（备用1台）
　　一台恒泵容量<100/3+1.5·%＝22%最大进水量
　　一台调泵容量>1.5×22/3-1·%＝16.5%最大进水量
　　调泵2台容量之和2×16.5=33%>22%（恒泵容量）
　　一水泵站有恒泵1台、调泵2台（备用1台）
　　一台恒泵容量<100/1+1.5·%=40%最大进水量
　　一台调泵容量>1.5×40/2-1·%=60%最大进水量
　　从上推算，所列公式对少于5台泵组合的也可适用。
　　本文章是依据调速水泵试验报告、生产运行资料及结合一些国内外论文写成的。不当之处请予以指正。（本文也可考虑应用于排水泵站）

　　主要参考资料
　　1、单台变速泵与单台恒速泵并联运行试验报告　　天津市自来水公司、天津电传所等(1979-9)
　　2、Mago-Gottliebson，P·E：Explore the use of variable speed water booster pumps part I-Ⅲ　water and sewage eng(1978　5-7)
　　3、Mago-gottliebson，P·E：Learn more about variable speed pumping part I-Ⅱ　water and waste eng(1977　9-10)
　　4、Glenn，A、Barlis：Variable speed pumping system for sewage treatment tacilities part I-Ⅱ,water and sewage works(1973　7-8)
　　5、杨福才：关于在给水上应用调速水泵一些问题的初步看法天津市土木工程学会1982年学术年会论文集
　　6、杨福才：调泵水泵在给水排水设计上的应用　中南给水排水(1989-1)

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天津市自来水公司科学技术情报站
一九九二年十二月