鄭振榮

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礦井水泵并聯(lián)運行流量增量的影響因素與相關問題的探討

鄭振榮

福能集團漳平煤業(yè)公司文賓山煤礦

分析了水泵并聯(lián)運行時水泵特性曲線與管路阻抗對流量增量的影響，以及并聯(lián)可能出現(xiàn)的流量變化與超載問題，闡述了不同水泵并聯(lián)運行時小水泵流量可能出現(xiàn)的變化趨勢。

水泵并聯(lián) 流量增量 水泵選擇

在實際排水系統(tǒng)中，水泵并聯(lián)運行是把多臺水泵通過管路聯(lián)結在一起共享管路資源，減少管路工程的投資，這樣既可提高排水能力，又方便流量調節(jié)，因而在礦井中被廣泛采用。在設計中應根據(jù)水泵特性和管路阻抗的影響綜合考慮，選擇合適的水泵，以免出現(xiàn)流量增量過小，達不到實際要求。對于一個確定的管路系統(tǒng)來說，如果對水泵選型不當，即使水泵型號相同，也有可能出現(xiàn)兩臺（或多臺）并聯(lián)運行與單臺運行相比，流量增加卻很少的情況。當選擇兩臺大小不同的水泵并聯(lián)時，小水泵輸出的流量可能很小，且隨裝置需要，揚程曲線的變陡（即管路阻力損失變大），輸出流量進一步減小，可能變?yōu)?或為負值。因此，選擇相同水泵并聯(lián)應考慮流量增量等影響因素，不同水泵并聯(lián)應兼顧小水泵輸出的流量（本文只分析兩臺水泵并聯(lián)運行情況）。

1 相同性能的水泵并聯(lián)中，水泵特性與管路阻抗對流量增量的影響

當型號相同的兩臺水泵并聯(lián)運行時，如果兩臺水泵的揚程相等，并聯(lián)水泵的流量—揚程曲線就是在同一揚程下流量相加，即橫向疊加法。水泵的流量—揚程曲線Q～H與裝置的需要揚程曲線Q～Hr的交點就是水泵在該裝置運行中的工況點。

1.1 相同性能水泵并聯(lián)運行時，水泵特性對流量增量的影響

如圖1所示，曲線Ⅰ′為兩臺相同性能水泵Ⅰ（對應曲線Ⅰ）并聯(lián)后的特性曲線，曲線Ⅱ′為兩臺相同性能水泵Ⅱ（對應曲線Ⅱ）并聯(lián)后的特性曲線，從圖可知水泵Ⅰ的特性曲線較陡，水泵Ⅱ的特性曲線較平穩(wěn)。假如裝置的需要揚程曲線Q～Hr正好通過水泵Ⅰ和水泵Ⅱ的特性曲線的交點M。從圖中可知流量增量ΔQⅠ＞ΔQⅡ。這說明水泵的特性曲線越陡，流量增量越大，水泵并聯(lián)運行的效果更好。反之，水泵的特性曲線越平穩(wěn)，流量增量越小，水泵并聯(lián)運行效果不好。

圖1

圖1中，Q～Hr為裝置的需要揚程曲線；Hst為裝置靜揚程（上下水面的位置高差）。

1.2 裝置的需要揚程（即管路阻抗）對流量增量的影響

如圖2所示，曲線Ⅰ+Ⅱ為水泵Ⅰ及水泵Ⅱ兩臺并聯(lián)時的特性曲線，Q～Hr1、Q～Hr2分別是二條裝置的需要揚程曲線，Q～Hr1比Q～Hr2管路阻抗大，從圖中可知流量增量ΔQⅡ＞ΔQⅠ，即管路阻抗越小，并聯(lián)的流量增量越大；相反，管路阻抗越大，并聯(lián)的流量增量越小。減小管路系統(tǒng)的阻抗，比如減少彎頭數(shù)量，增大彎頭角度，改用有底閥排水為無底閥排水等均可減少管路阻抗。裝置的需要揚程曲線較平穩(wěn)的排水系統(tǒng)中，管路阻抗小，較適合于水泵的并聯(lián)運行。因此在排水系統(tǒng)，管路阻抗小比阻抗大的并聯(lián)運行效果更好。

圖2

2 啟動水泵臺數(shù)進行調節(jié)可能出現(xiàn)的流量變化與超載問題

對于兩臺及以上水泵并聯(lián)運行，根據(jù)涌水量的多少，改變水泵開啟的臺數(shù)，涌水量大時多開，涌水量小時少開。但是，如果水泵的并聯(lián)流量增量△Q過小，改變開啟臺數(shù)時有可能造成水泵電機的超載。如圖3所示，并聯(lián)運行工況為A，并聯(lián)運行時的單機工況為B，單臺運行時的工況為C。顯然單臺運行的流量QC大于并聯(lián)運行時的單機流量QB。△Q=QA-QC越小，QC就越大。并且，并聯(lián)工況是設計工況，并聯(lián)運行時的單機工況B應在合理工作區(qū)即效率較高的區(qū)域，而單臺運行工況C則往往偏離合理工作區(qū)，效率降低?！鱍越小，C與B就相距越遠，兩工況的效率差也就越大。因此，△Q的過小，將使C工況的軸功率大大超出B工況，在單臺運行時有可能發(fā)生超載現(xiàn)象。

圖3

3 不同性能的兩臺水泵并聯(lián)中，流量變化趨勢分析

圖4繪出了兩臺離心泵的并聯(lián)裝置，圖中C點為兩臺出水管的并聯(lián)點，A、B兩點分別為泵Ⅰ和泵Ⅱ吸水管的進口端，D點為共用出水管的出口端。該圖為兩臺性能不同水泵并聯(lián)工作的布置及性能曲線圖，圖中的曲線Ⅰ、Ⅱ為兩泵各自的Q～H曲線。

當不同性能的兩臺水泵并聯(lián)運行時，由于兩臺水泵的型號不同，兩臺水泵的性能曲線也就不同。若管路布置不對稱，并聯(lián)節(jié)點前管路的水頭損失不相等，兩臺水泵并聯(lián)運行時每臺水泵工作點的揚程也不相等。并聯(lián)后流量—揚程曲線的繪制不能簡單地直接采用橫向疊加法，通過下面簡要處理后即可采用橫向疊加法。

圖4

由于水泵的工作揚程應等于裝置的需要揚程。通過管路ACD的水流需要泵Ⅰ提供的揚程為：

HrⅠ= Hst +SACQ2Ⅰ+SCDQ2

同理，通過管路BCD的水流需要泵Ⅱ提供的揚程為：

HrⅡ= Hst + SBCQ2Ⅱ+ SCDQ2

上面式中Hst為裝置靜揚程（上下水面的位置高差）。SAC、SBC、SCD分別為AC、BC、CD管路的阻力參數(shù)，把上式子改為：

HrⅠ′= HrⅠ- SACQ2Ⅰ=Hst+ SCDQ2

HrⅡ′= HrⅡ- SBCQ2Ⅱ=Hst+ SCDQ2

那么可以看出HrⅠ′= HrⅡ′= Hr′。這樣處理相當于想象地把兩泵放大，把水泵吸水管的進口看成泵的進口，把泵的出口延伸到并聯(lián)點，也就是將并聯(lián)點前的管路阻力損失當成泵內的水力損失，HrⅠ′和HrⅡ′即為兩假想大泵在并聯(lián)運行時的揚程。這樣就可以運用裝置性能曲線法，從水泵的性能曲線減去并聯(lián)點前的管路阻力損失得到圖4虛線Ⅰ′、Ⅱ′所示的假想大泵的Q-H曲線。由于兩假想大泵具有相同的揚程，因此可以采用等揚程下的流量橫加的方法（即橫向疊加法）得到兩泵聯(lián)合運行時總Q-H′曲線，如圖4中虛線Ⅰ′+Ⅱ′所示。接著再按Hr′=Hst+SCDQ2繪出裝置需要揚程曲線，得到與虛線Ⅰ′+Ⅱ′的交點A，該點所對應的流量QA即為兩泵并聯(lián)運行時的總流量。過點A作橫坐標的平行線與虛線Ⅰ′、Ⅱ′的交點A1′、A2′，再分別過A1′、A2′點作垂線與兩泵的性能曲線分別交于A1、A2點，該兩點即為每臺泵并聯(lián)運行時的工況點。

兩臺水泵并聯(lián)運行時，各臺水泵的工況點A1、A2分別位于每臺水泵各自單獨運行時的工況點B1、B2的左側，由此可知：

QA1＜QB1，QA2＜QB2，即并聯(lián)運行時各臺水泵的流量小于各自單獨運行時的流量,表明水泵并聯(lián)運行時的總流量QA小于每臺各自單獨工作時的流量之和，即QA=（QA1+QA2）＜（QB1+QB2），其流量減小的程度隨著并聯(lián)臺數(shù)的增多，管路阻力曲線陡度的增大而增大。

特別要注意的是，若當兩臺大小不同的泵并聯(lián)時，小泵輸出的流量很小，且隨裝置需要揚程曲線的變陡（即管路阻力損失變大）輸出流量進一步減小，當裝置需要揚程曲線與總流量～揚程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點位于M點時（如圖4），水泵的流量等于0；而當裝置需要揚程曲線與總流量～揚程曲線Ⅰ﹢Ⅱ的交點位于M點的左側時，水泵的流量為負值，此時兩泵并聯(lián)運行不但不能增加流量，反而會減小輸出流量。為避免這種情況，應盡量選擇性能相同的水泵并聯(lián)。

對于并聯(lián)運行的離心泵，有PA1＜PB1、PA2＜PB2，即并聯(lián)運行時各臺離心泵的功率小于每臺泵各自單獨運行時的功率，因此，要根據(jù)水泵單獨工作時可能出現(xiàn)的最大功率來選配電動機，以免水泵單獨運行時電動機過載。

4　水泵并聯(lián)設計應注意的問題

（1）水泵并聯(lián)應盡量采用相同水泵性能，以防止小水泵輸出的流量很小或流量為0甚至變?yōu)樨撝怠?/p>

（2）盡量不要采用性能曲線太平穩(wěn)的水泵并聯(lián)，同時注意要減小管路阻抗。

（3）如果水泵的并聯(lián)流量增量過小，改變開啟臺數(shù)時有可能造成水泵電機的超載。

（4）水泵選型時不能只考慮并聯(lián)工況，必須校核單臺運行工況，流量是否能夠滿足調節(jié)要求，以及是否有超載的可能。

（5）水泵的選型設計中，應盡量使并聯(lián)運行和單臺運行，都能在高效率區(qū)內運行。

（6）并聯(lián)水泵不宜太多，建議不超過5臺，以避免水泵在高效率區(qū)外運行。

5 結束語

水泵并聯(lián)設計應充分考慮水泵的性能曲線及管路特性曲線的綜合影響。如果選型時不考慮水泵的特性曲線，將會引起并聯(lián)后流量增量不大，不能通過并聯(lián)使流量大幅度地提高，也不能通過運行臺數(shù)的增減有效地調節(jié)流量。同時應盡可能減小管路系統(tǒng)的阻抗，因為管路性能曲線平穩(wěn)比性能曲線陡的排水系統(tǒng)中水泵并聯(lián)運行的效果更好。建議水泵并聯(lián)設計中應盡量采用相同水泵性能。

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