离心泵性能分析及能效评价系统研究
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摘要：离心泵设备广泛应用于工农业领域，其性能分析与研究对于节能具有重要意义。研究开发离心泵性能分析及能效评价系统，阐述系统设计方案，建立数学模型，确定计算机处理系统的逻辑框架，提出离心泵、电机反馈选型优化的逻辑扩展，以期为离心泵节能改造提供理论依据。
关键词：离心泵;性能分析;能效评价;系统
中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2020）03-0025-03
离心泵具有转速高、体积小、质量轻、扬程高、结构简单、性能平稳、容易操作与维修等特点，广泛应用于工农业等领域。在农业生产中，离心泵是主要的排灌机械，需求量很大。离心泵是消耗电能的主要设备，有效降低其能源消耗是生产企业和使用单位追求的一项重要目标。目前普遍使用的离心泵性能测试系统多为功能单一的性能参数测定系统，本课题在传统的性能测试系统中融入串并联分析和先进的能效评价技术，设计一种新型离心泵性能分析及能效评价系统，既可以对离心泵机组进行常规的性能参数测试，也可以进行串并联性能分析，还可以扩展进行能效评价分析，适用于离心泵生产及使用的节能改造。
1 系统方案设计
1.1 系统组成
系统主要由离心泵装置、数据采集及计算机处理3个部分组成。在计算机处理系统设计中，除了加入现有的性能曲线测定技术外，还加入了串并联分析和智能的能效评价技术。离心泵装置的工艺管路设置2台同型号离心泵，配以相应的流量、压力、功率等测量仪表对装置的监测参数进行数据采集，通过阀门控制实现对应的串并联操作，将各流量下采集的数据导入能效评价系统，对机组的各种能效评价指标进行分析。系统框图如图1所示。
1.2 数据采集
数据信息分为输入数据和测量数据两种。输入数据是指需要手动输入的相关重要参数，包括介质参数、装置尺寸（如吸入口直径与排出口直径、吸入口与排出口位高差等），以及离心泵、电机等额定信息参数，这些数据可以累积形成数据库，实现從数据库中调取所需设备信息。测量数据是指通过各种参数测量仪表所采集的数据信息，包括压力、流量等参数，这些数据可以通过机械式仪表读取，也可以通过电子仪表和DCS系统直接进行采集。
2 数学模型建立
2.1 性能曲线测定
系统可实现单台泵在定转速和变转速下的性能曲线测定。1） 在定转速下，通过调整离心泵出口阀来改变泵流量，同时测定各工况下离心泵的进出口压力、功率等参数，从而在计算机中绘制离心泵扬程、功率、效率的性能曲线。2） 调节变频器，测量单台泵在不同转速下的流量、进出口压力、功率等参数，绘制离心泵在不同转速下的性能曲线。
下面介绍具体的逻辑运算流程。
1） 介质在泵中流速的计算公式：
Cs=Q
Ds2 （1）
Cd=Q
Dd2 （2）
式中：Cs，Cd分别为介质在泵进、出口处的流速，m/s;Q为离心泵的流量（即离心泵机组流量计显示数字），m3/s;Ds，Dd分别为泵进、出口法兰的管道内径，m。
2） 离心泵扬程的计算公式：
H=+Zsd+ （3）
式中：H为扬程，m;Ps，Pd分别为泵进、出口处的压力，Pa;ρ为输送介质的密度，g/cm3;g为重力加速度，m/s2;Zsd为泵进、出口测压点的垂直距离，m。
3） 离心泵有效功率的计算公式：
Ne= （4）
式中：Ne为离心泵的有效功率，kW。
4） 轴功率的计算公式：
Nz=No·ηD·ηce （5）
No=cosφ （6）
式中：Nz为轴功率，kW;No为电机的输出功率，kW;ηD为电动机的效率;ηce为传动装置的效率;U为电机输入线电压，V;I为电机输入线电流，A;cosφ为电机功率因数。
2.2 串并联性能分析
2台或多台泵的串并联可通过设计的工艺管路阀门来实现。以2台泵串联为例进行分析：根据泵的扬程—流量特性曲线测定方法分别获得离心泵的Hpump单和Hpump双的扬程—流量特性曲线，再根据管路阻力特性曲线方程得到管路特性曲线Hpipe，完成性能分析，对比A，B，C，D代表的工况点特性，得出泵对应于管路系统的串联适用程度（如图2所示）。
管路阻力特性曲线方程为：
H=+Z排-Z吸+kQ2 （7） Hpot=+Z排-Z吸 （8）
kQ2=λ+∑ζ （9）
式中：p吸，p排分别为吸液面和排液面上的压力，MPa;Z吸，Z排分别为吸液面和排液面的位高，m;Q为装置的流量，m3/s;λ为介质的沿程阻力系数;l为装置管路长度，m;d为管道当量直径，m;C为管道内介质流速，m/s;ζ为局部阻力损失系数。
同理，可分析离心泵对应于管路系统的并联适用程度。离心泵串并联的适用程度与泵的扬程—流量特性曲线和管路阻力特性曲线的陡直程度密切相关。
2.3 能效评价
2.3.1 离心泵经济运行评价指标 以离心泵的实际运行效率作为泵经济运行的评价指标，即：
ef泵= （10）
式中： ef泵为离心泵的实际运行效率;t为第i次载荷的记录时间，h。根据GB/T 13469—2008《离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵系统经济运行》，得出泵经济运行判别依据（见表1）。
2.3.2 电机经济运行评价指标 采用电机输入电流与额定电流的比值作为电机经济运行评价指标，即：
ef电机= （11）
式中：I为电机输入线电流;Ie为电机额定电流。根据GB/T 12497—2006《三相异步电动机经济运行》，得出电机能效判别依据（见表2）。
离心泵的工作效率与其运行所在的工况点密切相关，通过改变运行工况点参数可以获得不同工作载荷期内的经济运行评价结果，对机组在一定载荷变化期内的运行情况进行评估。
3 计算机处理系统
计算机处理系统的逻辑框架如圖3所示。
系统界面设计采用基于.NET平台的MVC模式。该平台由微软公司开发，版本不断更新进步。MVC是一种软件开发架构，它把数据处理、程序输入输出控制及数据显示分离开来，并且描述了不同部件对象间的通信方式，如能耗评价模块的子界面包括参数录入界面、能效评价界面和判定结果显示界面等。MVC把系统组成分解为Model（模型）、View（视图）、Controller（控制器）三部分，这三部分的层次结构并不明显，向下依赖关系也并不显著，而是以最少的耦合协同工作，便于系统各部分之间的修改，从而大幅度提高了软件的灵活性、封装性、可维护性及可修复性。
4 结语
根据工程实践需要，本课题设计开发出离心泵性能分析及能效评价系统，集离心泵性能参数测定、串并联特性分析和能效评价功能为一体，改变了测试系统的工艺路线及功能模块，适应于生产、使用企业对离心泵节能改造方面日益突出的需求。
参考文献
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Research on The Performance Analysis and Energy Efficiency
Evaluation System of Centrifugal Pumps
YANG Hairui， HAO Jiao*， LI Rui， CHEN Hao， CHANG Shulei
（School of Mechanical Engineering， Liaoning Shihua Univeisity， Fushun Liaoning 113001， China）
Abstract： Centrifugal pumps are widely used in industrial and agricultural fields， and the analysis and research on performance of centrifugal pumps are significant for energy conservation. In this paper it researches and develops the performance analysis and energy efficiency evaluation system of centrifugal pumps， elaborates the system design scheme， establishes mathematical model， determines the logical framework of computer processing system， and puts forward the logic expansion of centrifugal pump， motor feedback selection optimization， in order to provide theoretical basis for centrifugal pump energy saving transformation.
Key words： centrifugal pumps; performance analysis; energy efficiency evaluation; system
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