離心泵變頻控制對分支管路流量控制性能的影響分析

羅雄麟 葉松濤 許 鋒

(中國石油大學自動化研究所，北京 102249)

離心泵作為一種通用的流體輸送機械，用來增加流體能量，克服流量阻力，達到沿管路輸送流體的目的[1]。分支管路作為流體傳輸的重要輸運工具，廣泛應用于煉油化工領域，是加熱爐、換熱網絡、反應器及鍋爐等設備中普遍的流量分配輸送裝置[2]。

由于工藝條件或生產要求的變化，需要對總流量和各分支流量進行調節，以滿足系統對流量的要求。目前，流體運送系統中流量調節的方法主要有節流調節和離心泵變頻調速調節。節流調節是靠改變管路特性曲線來改變流量的，通過改變閥門開度來調節流量的大小以滿足工況需求，但是此過程中大部分能量都被消耗在了閥門的節流環節和冗余設計泵的出口閥壓降上面。變頻調速方法是在不改變管路特性曲線的基礎上改變泵的特性曲線來調節流量，避免了消耗在閥門上的能量，因此變頻調節與節流調節相比的主要優勢是節能[3～5]。

針對簡單的無分支管路的流體輸送系統，筆者已經通過對比兩種調節方式穩態時的壓力變化和操作條件突變時動態響應情況，說明了變頻調速調節在實際應用中存在的不足[6～8]。而針對調控要求更加復雜的分支管路流體傳輸系統，離心泵變頻調節的節能優點和壓力不足的缺點有何變化，對于在分支管路設計、系統控制方案設計及實際流量調控操作中都具有重要意義。

1 分支管路及模型基礎①

在實際的工藝流程中，流量設定值往往隨著工況的不同而發生改變。對于分支管路系統，流體在分支管路中流量調控效果的好壞，很大程度上決定了這些裝置運行是否安全、經濟。例如在加熱爐支路平衡控制中，通過對分支管路流量的調控，實現出口溫度的平衡，避免了爐管結焦和能量損失[9,10]。

圖1為常見的分支管路系統示意圖，通過對總流量進行反饋來控制總閥門開度或泵的轉速(變頻器)，通過對分支流量進行反饋來控制分支閥門的開度。

為簡化起見，假定流動為平推流，在管子徑向方向上無速度梯度，略去傳導項，并用(-F)表示按單位體積計算管路中的流體對外界所作用的力,即摩擦力。動量衡算式為[11]：

式中G——源，G=grad(P+ρgz)；

Γ——性質，Γ=ρu。

對總管長L和4個分支管路分別積分，得到管路動態方程：

(1)

圖1 常見的分支管路系統示意圖

(2)

式中A——管路橫截面積,m2；

L——管路長度,m；

p4、p5——分支管路分叉口和匯合口的壓力；

Q——各流體體積流量,m3/s；

z——各流體截面中心到基準面的垂直距離,m；

ρ——流體密度,kg/m3；

Δp——泵提供的壓力，Pa；

ΔpC——閥門壓降損失，Pa；

ΔpL——所取流體截面之間管路的壓力損失，Pa。

閥門壓降為：

ΔpCi=bCiQi2

(3)

變頻調節中閥門開度保持一定，通過改變泵的轉速來改變流量。轉速改變時離心泵提供的壓力為：

(4)

其中a、b、c為多項式擬合系數。

管路損失為[12]：

ΔρLi=bLiQ2

(5)

式(1)～(5)組成了分支管路系統的數學模型。

2 分支管路閥門開度對流量控制的影響分析

分支管路流體傳輸系統對流量調控的要求更加復雜，流量調節通常有兩種情況：改變總流量后相應地分配各分支流量的設定值和改變各分支流量而保持總流量不變[13]。總流量的調節可通過節流或者離心泵變頻調控，而分支管路流量的調節則是通過調節各分支管路上閥門的開度來實現的。在系統額定工況下，分支管路閥門開度的大小也將會對系統的流量調控性能產生影響。

以此分支管路系統流量調節為例進行仿真分析。輸送流體為水，泵型號為150Y-150×2B離心泵，揚程H0=300m，轉速n0=2950r/min=49.17r/s。在保證總流量不發生改變的情況下，通過協調4個分支管路閥門開度來實現分支管路流量調節。在分支管路閥門開度保持在100%、80%、70%時，分別增大分支管路1流量設定值的10%、10%、20%。該過程分支管路系統動態響應曲線如圖2所示。

a. 分支管路閥門開度100%時

b. 分支管路閥門開度80%時

c. 分支管路閥門開度70%時

可以看到，當分支閥門開度在100%時，由于閥門開度已經是最大值，無法自由調控，流量雖然由0.013 3m3/s增加到0.013 5m3/s(增加了1.5%)，但仍無法滿足10%的調控要求。當分支閥門開度在80%時，分支流量能夠在設定值上、下10%的范圍內順利調控。當分支閥門開度在70%時，分支流量能夠在設定值上、下20%的范圍內順利調控。

綜上所述，在分支管路流量的調節控制應用中，分支閥門平時開度在100%時無法滿足調控要求，盲目調控將對系統造成較大擾動。閥門平時開度在80%和70%時，分別可實現對流量10%和20%的調節。在具體應用中，應根據系統實際的調控要求，正確選擇分支管路閥門開度值。

3 分支管路閥門開度對離心泵變頻控制節能性能的影響分析

分支管路閥門開度的不同會對系統的流量調控性能產生影響，也必然會對系統的節能效果產生影響。對于簡單的無分支管路和分支流量不做調節的簡易分支管路，在考慮離心泵變頻調控的節能效果時可以假設分支閥門開度為100%，而對于實際應用中的復雜分支管路，由上節所述可知，出于對分支管路流量調控的目的，分支管路平時閥門開度應保持在70%～80%。故應從實際出發，重新衡量離心泵變頻調節在分支管路中的節能性能。

現以70%和100%開度為例，分別采用節流控制和變頻調速，得到不同調節和閥門開度下的離心泵軸功率曲線(圖3)[14]，將變頻調速在不同閥門開度下所消耗的泵功率與節流調節所耗功率對比得到節能效率曲線(圖4)。

圖3 離心泵的軸功率曲線

圖4 不同閥門開度相較于節流調節的節能效率

由圖3可以看出，相同流量下，閥門開度越小，變頻控制時泵所耗的軸功率越高，但仍小于節流調節所耗的泵功率。證明雖然變頻調節比節流調節節能，但由于分支管路閥門開度降低，其耗能增加，節能效果減弱，經濟效益降低。

由圖4可以看出，在分支管路閥門開度100%時變頻調節相較于節流調節還能保持不錯的節能效率(15%～50%)，但在閥門開度降為70%后其節能效率也相應降低為2%～45%。以在本系統的額定流量Q0=0.038m3/s時的節能效果為例，相較于節流調節，變頻調節在分支管路100%時的節能效率為18.8%，而在70%開度時僅為5.8%。

故變頻調節的節能優點是以分支閥門全開的狀態為前提的，即在簡單的無分支管路或分支流量不做調節的簡易分支管路中節能優勢明顯，而對于實際生產中常見的復雜分支管路，變頻調節的節能效果大打折扣。

4 節流調節與變頻調節的穩態比較

針對簡單的無分支管路的流體輸送系統，筆者已經通過對比兩種調節方式在穩態時的壓力變化，說明了變頻調速調節在實際應用中存在不足[6]。而對于更加復雜的分支管路系統(圖1)，現通過分析不同調節方式對總閥閥后壓力的變化，驗證其在低流量時壓力不足的缺點依舊存在。

4.1 節流調節

采用節流調節，在圖1中“1”(吸液容器)與“2”(閥前)流體截面之間列出伯努利方程：

(6)

根據文獻[15]，Δp可擬合為Q的一元二次多項式：Δp=a+bQ+cQ2。管路損失為[11]：

ΔpL=bL1-2Q2

由此可得節流調節時閥前壓力p2：

(7)

同理在圖1中“3”(閥后)與“5”(末端容器)流體截面之間列出伯努利方程，可得節流調節時閥后壓力p3：

(8)

式(7)、(8)組成了節流調節流量與閥前、后壓力之間的穩態數學模型。

4.2 變頻調節

(9)

若此時的閥門開度保持不變，則閥后壓力p3′為：

(10)

圖5 分支管路系統流量響應曲線

由圖5可知，相同流量時，采用不同調節方式所得到的閥后壓力不同。采用節流調節方式，比同流量條件下采用變頻調節方式所獲得的閥后壓力大。采用變頻調節方式，會因為閥后壓力不足而影響到后續工藝流量的正常進行，而節流調節在流量較低時也可滿足工藝對閥后壓力的要求。

5 結束語

論證了在實際應用中分支閥門開度全開的不合理性并給出了依據不同流量調控目標對應建議的閥門開度值。將變頻調節在不同開度值下泵的軸功率與節流調節對比，證明了分支管路實際應用中變頻調節節能優勢的減弱。其次，針對分支管路模型，將離心泵的變頻調速調節與節流調節進行比較，分析并驗證了變頻調節存在當流量較低時閥后壓力過低，滿足不了后續工藝要求的缺點。鑒于變頻調節節能優點的減弱和低流量時壓頭依舊過低的缺點，最終進一步得出結論：變頻調節在分支管路流量控制中是存在一定局限性的。