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水泵机组运行分析

发布时间：2009/6/15 阅读次数：1130 字体大小: 【小】【中】【大】

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1泵组的水锤压力和倒转转速计算
　　高扬程电泵站水泵机组的水锤值特别大，为保证泵组安全运行，在水泵机组上增设惯性飞轮，增加GD2值，则可延长缓闭阀的关闭时间，降低管道中的水锤压力；延缓水泵机组开始倒转的时间，削减水泵倒转转速在额定转速之内。
　　运转中的水泵突然失去电源后，水泵的转速变化过程是：额定转速（断电开始） →正转减速→水泵转速减至零，开始倒转→ 倒转加速（在倒流水体作用下）→倒转至额定转速及最大转速。
　　压力钢管内水流速度的变化过程是：额定流速（断电开始）→正向上水减速→流速减至零，开始倒流→倒流加速 →倒流至额定流速。
　　把水泵转速变化和水流速度变化用时间图表示如图1。
　　从图1时间关系看出，在管内水流开始倒流时，水泵转轮并不马上反转，而需经一制动时间，但在水体倒流期间，当倒流流速达到一定速度时，克服缓闭阀的油压或者弹簧作用力，就开始缓慢关闭阀板，故在此认为阀板关闭是从倒流达到额定流速开始，控制倒转转速在阀板关闭瞬间为额定转速的关闭时间是tso；控制倒转转速在阀板关闭瞬间为最大转速的关闭时间是tsm。

　　(1) 控制倒转转速在阀板关闭瞬间为额定转速的关闭时间tso（tso以后转速从额定值开始衰减）
　

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　　(2) 控制倒转转速在阀板关闭瞬间为最大转速的关闭时间tsm（tsm以后转速从最大值开始衰减）
　

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在（1）（2）式中：
　　t2——水泵转速减至零的时间（开始倒转），t2=τ2tw；
　　τ2——水泵开始倒转的无量纲时间（查图2，事故停泵最不利参数出现时刻计算图）;
　　tw——管道水柱的惯性时间常数，表示在惯性作用下，管中水流由初始流速至零所需的时间（刚性水柱理论），即：tw=LV/gH；
　　L——压力管道长度，m；
　　V——压力钢管内水流速度，m/s；
　　H——泵站扬程，m;
　　ta——水泵机组转动部分（主要包括转子以及附加的惯性飞轮）的惯性时间常数，表示在惯性作用下转动部分由初始转速至零转速所需要的时间，即：ta=

　　GD2——水泵机组转动部分（主要包括转子以及附加的惯性飞轮）的转动惯量，当GD2用kg·m2表示时要换算为t·m2代入上式计算ta;
　　n0——水泵的额定转速，r/min；
　　N0——水泵的额定功率，kW；
　　t1——管内流速减至零的时间（开始倒流），t1=τ1tw;
　　τ1——管内流速减至零的无量纲时间（查图2）；
　　t3——水泵达到最大倒转转速的时间（开始倒转至最大倒转速）,t3=τ3tw；
　　τ3——水泵达到最大倒转转速的无量纲时间（查图2）。
　　(3) 控制倒转转速在阀板关闭瞬间为额定转速的压力上升值
　

 

　　(4) 控制倒转转速在阀板关闭瞬间为最大转速的压力上升值是

　　对于缓闭蝶阀而言，由于断电的同时，蝶阀就开始关闭，所以其总关闭时间tF的整定值应大t1 tw，则产生水锤的关闭时间仍认为从倒流达额定流速开始，即
　

水锤压力升高值计算同（3）式。
　　由于水泵从减速至零开始倒转，故在总关闭时间tF内，倒转速的加速时间为
　

 
从（6）式看出tF大，ta亦大，反之亦然。当蝶阀关闭时，由于不再有水流，所以倒转转速逐渐衰减，因此可用公式（7）求得蝶阀关闭时的倒转转速
　

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2泵组电动机启动转矩核算
　　从第一部分计算公式中看出，增加GD2值是降低管道水锤压力、削减水泵倒转转速的一个重要参数，特别是在高扬程泵站这样特殊情况下，特意增设惯性飞轮（见图3），可减少泵站级数，降低工程投资，而只需增加飞轮和其支撑机构的费用及可能增加的电动机造价。与其他水锤削减措施相比，运行更加方便、安全、可靠。但增设惯性飞轮后GD2的增加将会使电动机的启动时间延长，严重时会造成启动困难。为此，必须对厂家配套的电动机启动力矩进行复核计算，当泵组启动困难或启动时间太长时，考虑更换启动力矩大的电动机。

　　电动机带动的水泵机组，在启动过程中的力矩平衡方程式可用下式表示
　


式中ME——电动机启动过程中的转矩，kg·m；
　　MH——水泵转论启动过程中的阻转矩，kg·m；
　　MC——机组转动时的机械阻转矩，包括轴承摩擦力矩及风损转矩等，kg·m；
　

 
　　当电动机启动转矩ME大于水泵转轮阻转矩MH和机械阻转矩MC时，就能把剩余转矩传给转子，使它加速，所以称

为机组的加速惯性力矩。
　　把（8）式写为
　

 
　　则泵组转速从零到稳定转速n0所需的时间为t
　

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　　在泵站设计计算时，可从电机样本中查得启动转矩与额定转速之比，利用（12）式计算出电机的额定力矩后，则可求得启动力矩ME。
　

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式中N0——额定功率，kW；
　　n0——额定转速，r/min。
　　水泵启动阻力矩，我们可以从水泵特性曲线图中N-Q曲线查得各种型式水泵的起始功率值，利用（12）式则可求出启动阻力矩MH。
　　此时可利用（11）式求出水泵机组得启动时间t。
　　例如：某泵站一台6B20型水泵，设计扬程20 m，流量44.5 L/s，额定转速1450r/min，配套电机型号为JO2-62-4型，17 kW，1 450 r/min，启动转矩/额定转矩=1.3，求泵组启动时间。
　　解：电机启动转矩：
　　额定转矩
　

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　　水泵阻转力矩：
　　查6B20型水泵特性曲线，起始功率为4.5 kW，考虑摩损、风阻为0.5 kW，则起始阻转功率为5 kW，则起始阻转力矩为
　


　　在电动机启动时，由于启动电流很大，会使电动机端电压下降，所以应根据不同的启动方式，复核其启动力矩及启动时间。鼠笼型电动机的力矩与其端子上的电压的平方比成正比，当启动时，在电压值变动等于电压损失ΔU的条件下，电动机的新的启动力矩值应按下式计算
　


式中MQ——新的启动力矩；
　　ME——启动力矩；
　　UQ——启动时电动机端子上的电压，UQ=Ue-ΔU；
　　Ue——工作时的正常电压。
　　现仍以前例计算，当启动电压损失为15%，若额定工作电压为380 V，电动机端子上的启动电压是
　

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3惯性飞轮尺寸计算确定
　　在电动机上增加GD2值，其成本会增加，是不经济的。为提高机组的GD2值，特意增设惯性飞轮是一种降低水锤压力、削减倒转转速的一个好办法。根据一、二部分计算合理确定的GD2值，由两部分组成，一是水泵机组原有的GD2值，另一是需增设的惯性飞轮GD2值。计算确定的惯性飞轮尺寸，必须与水泵的结构尺寸相匹配，并结合泵组的安装条件确定，应尽可能减少飞轮所需的材料和投资。在设计时可分别选取不同的尺寸，通过试算确定等于GD2F值的飞轮尺寸。

　　惯性飞轮的转动惯量可由下式计算（图4）
　

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式中

——需增设的惯性飞轮的转动惯量，kg·m2；
　　D2——飞轮外径，m；
　　D1——飞轮内径，m；
　　B——飞轮宽度，m；
　　γ——飞轮材料铸钢比重，γ=7.85×103 kg/m3。

参考文献


［1］姬萍，赵锁明．适用于高扬程泵站的油压缓闭逆止阀研制与应用［Ｒ］．青海水电设计院,1992.12．
［2］徐仲梅．水泵电动机直接启动问题的探讨［Ｒ］．建筑工程部给排水设计院，1965.7．
［3］刘竹溪，刘光临．泵站水锤及其防护［M］．北京：水利电力出版社，1988.10．

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