离心泵安全运行——泵及压缩机的安全控制系统

　　(1)离心泵　在工业生产过程中，离心泵是使用最广泛的流体输送设备之一。它主要由叶轮和机壳构成，叶轮在原动机带动下作高速旋转运动。出口处流体的压头来自于旋转叶轮作用于液体而产生的离心力，转速越高，离心力越大，压头也就越高。叶轮与机壳之间有空隙，关死泵的出口阀，流量为零，压头最高，此时泵所做的功，全部转化为热能而散发，同时也使泵内液体温度升高。所以，离心泵不宜长时间关闭出口阀。随着排量逐渐增大，泵所能提供的压头慢慢下降。泵的压头H、排量Q和转速”之间的函数关系称为泵的特性，如图6—11所示。

　　若以经验公式表示则

　　式中，K₁，K₂分别为比例常数。因为泵总是与一定的管路连接在一起工作的，它的排出量与压头的关系既与泵的特性有关，也与管道特性有关。所以在讨论离心泵的工作状态时，必须同时考虑泵和管道特性。管路特性就是管路系统中的流体流量与管路系统阻力之间的关系。管路系统的阻力包括(参照图6—12)以下几部分。
　　

　　①管路两端的静压差引起的压头h_poh_p＝(p₂-p₁)/pg，式中p₂,p₁分别是管路系统出口和人口处的压力，p为流体的密度，g为重力加速度。
　　
　　②管路两端的静液柱高度hL，这项是恒定的。
　　
　　③管路中的摩擦损失压头h_fo、h_f与流量的平方近似成比例关系。
　　
　　④控制阀两端节流损失压头h_vo在阀门开度一定时，hv也与流量的平方成比例，但当阀门的开度变化时，hv也随着改变。设Hl为管路总阻力，则
　　
　　H_L＝h_p+h_l+h_v+h_f

　　上式即为管路特性的表达式，它的关系曲线示于图6—12中。当整个离心泵系统达到稳定状态时，泵的压头H必然等于系统总阻力H_L，这是建立平衡的条件。图6—12中C点是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点，它是泵的一个平衡工作点。工作点C的流量应满足一定的工艺要求，可以用改变h_v，或其他手段来满足这一要求。通常有下列控制方案。
　　
　　1)直接节流法　即直接改变节流阀的开度，从而改变h_v，造成管路特性变化，以达到控制目的。图6—12表示这种控制方案和泵系统工作点的移动情况。如图6—13所示，控制阀应装在泵的出口管线上，而不应装在泵的吸人口处。若阀装在泵的吸人管道上，由于入，的存在，使泵的人口压力比无阀时要低，从而可能使流体部分汽化，造成泵的出口压力降低，排量下降，甚至使排量等于零，这种现象叫做“气缚”；或者所夹带的部分汽化产生的气体到排出端后，因受到压缩会重新凝聚成液体，对泵内机件产生冲击，情况严重时会损坏叶轮和机壳，这种现象叫做“气蚀”。

　　控制阀一般宜装在检测元件(如孔板)的下游，这样将对保证测量精度有好处。此外，还需指出，控制阀两端的压差九，随阀开度的变化而变化。开度增大，流量增加，但hv，反而减小。
　　
　　上述控制方案的优点是简便易行。但在流量小的情况下，总的机械效率较低。一般不宜用在流量低于正常排量30％的场合。
　　
　　2)改变泵的转速n　改变泵的转速同样可以起到控制流量的目的。这种控制方案以及泵的特性随转速n变化的情况示于图6—14。在控制方案中需要调节原动机的转速，例如采用调速电机，调节蒸汽透平的导向叶片的角度等。
　　
　　采用这种控制方式，管路上无需装控制阀。所以，HI。中的／l，这一项等于零，减少了阻力损耗，泵的机械效率得以提高。然而，不论是采用调速电机还是蒸汽透平，实施调速的设备费用都比较高，故这种控制方式大多被应用在大功率、重要的泵装置上。
　　
　　3)改变旁路回流量　这种控制方式，就是在泵的出口与入口之间增加一个旁路管道，让一部分排出量重新回到泵的人口，从而可以控制这一部分的回流量来达到稳定排出量的目的。图6—15是这种控制方式的示意图。如果用于压力控制，则如图6—16所示。　

　　这种控制方式，其实质也是改变管路特性来达到控制流量的目的。此时，管路特性是原管路系统和旁路管系统特性的并联结果，如图6—17所示。图中7-为原管路系统的特性曲线，工为旁路管系统的特性曲线，将r和x的横坐标相加所得的r／x曲线则为并联管路系统的特性曲线。当旁路控制阀的开度改变时，工改变，并联管路系统特性曲线也随着变化，从而实际排出量得到了控制。显然，采用这种控制方式，必然有一部分能量损耗在旁路管路和阀上。尤其对于大功率泵来说，在减小负荷时，泵所做的虚功增多。所以，总的机械效率较低，但它具有可用小口径控制阀的优点。　　

　　综上所述，直接节流法，方案简单易行，控制灵敏，但能耗大，所以一般用于流量变化较小的场合；调速法反应慢，设备费用高，但能耗小。因此对于流量变化幅度大且要求控制灵敏度高的场合，可采用直接节流和调速法相结合的方式。
　　
　　(2)容积式泵　属于这种类型的泵有活塞式、柱塞式等往复和椭圆齿轮式、螺杆式等旋转泵。泵的运动部件与外壳之间的空隙很小(理论上应没有空隙)，流体不能在缝隙中流动。其排量的大小与管路系统无关。往复泵只取决于它的冲程大小和单位时间内的往复次数，旋转泵则又取决于转速。它们的工作特性大体相同，如图6—18所示。由于这类泵的排量与管路系统的阻力无关，故非但不能采用在泵的出口处直接节流的方法来控制其排量，反而要注意，一旦出口阀关闭，将由于泵的压头太高，造成毁机的后果。因此，针对容积式泵的这些特点，它们的控制方式有如下几种。　

　　1)改变原动机的转速，此方法类同于离心泵的调速法。
　　
　　2)改变往复泵的冲程。在大多数情况下，这种情况冲程的机构都比较复杂。因为要通过执行机构使冲程作连续变化，这在设计和制造上都有一定难度。只有在一些计量泵等特殊往复泵上，才考虑采用这种机构。
　　
　　3)调节回流量。即在泵的出口与入口之间加一个旁路，通过调节旁路阀门的开度来达到控制实际排量的目的。这是一种最简单易行的控制方式，其控制方案的构成与离心泵的调回流量法相同。
　　
　　4)采用旁路调节来控制出口压力，然后用直接节流阀控制其流量。显然这两个控制回路在动态上是关联的。为此，在控制器参数整定时，应把它们的振荡周期错开。一般可以使压力回路的操作频率低一些，甚至整定成非周期的不振荡过程，该控制系统如图6—19所示。