魏化强

(山钢集团济南分公司，山东 济南 250100)

确定管路特性曲线方程的方法

魏化强

(山钢集团济南分公司，山东 济南 250100)

水泵用途广泛、保有量大，电力消耗约占生产企业能源动力成本的10%～30%,如何降低成本是每个生产企业深入研究的问题。一方面由于设计时高估实际需求的流量与扬程，另一方面，随着后端工艺的调整、优化，本身降低了实际需求，如果不对原有水泵进行降低运行参数的节能改造，势必形成"大马拉小车"现象，造成能源浪费，成本增加。本文详细介绍了节能改造前，利用现有有限资料与现场数据，确定连接水泵的管路的曲线方程的方法。

泵特性曲线及方程;管道特性曲线及方程;管路综合阻力参数

如图 1所示，是一个典型的离心泵供液系统，其进口侧通常管路由底阀、进口管段、弯头、进口管变径、进口阀等部件组成；出口侧管路通常由出口管变径、出口管段、止回阀、出口调节阀、出口切断阀、弯头、用户以及管网等组成。其中底阀用于液面低于泵中心线，不具备自然灌泵条件的泵，是为了防止介质倒流至池，提供必须的灌泵条件而安装的；进口管变径是为了给流体创造最佳的进泵条件以及方便配管，降低水力损失；进口阀门主要为了检修时切断介质所用；出口管变径主要是为了使泵速度水头转化为压力水头，提供介质的推动力以及方便配管；止回阀是为防止突然停泵或下游突然关闭阀门产生水击现象对泵产生破坏等不利影响而设置的；出口调节阀作为调节流量与压力管件，其大部分时间处于开启状态，因此对严密性要求较低；出口切断阀是为检修时能够隔离介质而设的，对严密性能要求较高，泵运行时其为全开状态。可见，整个供液可通过调节出口调节阀开度大小来调节主管上流量与压力，其余部件水力特性不变。为了调节可视化与便于检测，泵系统一般配备有进口压力表、出口压力表、主管压力表以及流量表等必要的测量设备。

1.底阀;2.进口管段;3.进口阀;4.进口弯头;5.进口管变径;6.进口压力表;7.泵;8.出口压力表;9.止回阀;10.出口调节阀;11.出口切断阀;12.主管压力表;13.出口弯头;14.流量表;15.用户;16.管网;17.池

图1 一般泵及管路供液系统的组成

2 管道特性曲线及方程数学模型的建立[1-4]

为方便叙述，在不影响问题本质前提下，将泵输送的介质假定为水。如图 1所示，设泵进水口、出水口、主管上压力依次为P1、P2、P3，主管上流量为Q由于其进水侧管路上的底阀、进水管端、弯头、进水管变径、进水阀等管件均为串联连接，所以假设其阻力综合参数之和为K'1；出水侧管路通常由出水管变径、出水管段、止回阀、出水切断阀、弯头、用户设备以及管网等水力部件组成，对于一个生产稳定生产的常态系统，其各自的阻力综合参数保持不变，它们之间也是串联连接，设定其阻力综合参数之和为K'2；由于出水调节阀开度是可调节大小的，假设其综合阻力参数为变量K.令：

K0=K'1+K'2

(1)

将K0定义全管路综合阻力参数，则管路特性曲线方程为：

H=H0+ K'1Q2+KQ2+ K'2Q2=H0+(K0+K)Q2

(2)

对于简单管路系统，H0通过实地测量可知，K0可通过分析管路串并联关系，查阅手册，再利用水力学叠加原则计算得知。然而现在企业中管路连接复杂，特别是用户设备如换热器、精馏塔等化工设备的阻力特性难以用公式表达，即使用公式计算出，可靠性仍差，偏离实际情况，缺乏实用价值。因此，一般地认为H0、K0为未知常量，K为未知变量。我们需要对系统进行调节试验，利用系统安装的仪表测量，得到两组参数后，代入式2计算得出。记录正常生产的循环水系统的各个压力值与流量大小，视为第一组数据。对于正在运行的生产系统，特别是循环水系统，其用户基本上都是各种换热器设备，试验水量小于正常量一般是不允许的。因此，调节试验时，要把系统流量调大，即将调节阀门开度增大，得到另一组参数。假定正常生产时为状态1，则各对应参数为P11、P21、P31、Q1，出口调节阀阻力综合参数为K1，水头损失为H1；将阀门开大后，假定此时为状态2，则各对应参数为P12、P22、P32、Q2，出口调节阀阻力综合参数为K2，水头损失为H2。两种状态下，全管路综合阻力参数K0值不变。所以有：

H1=H0+(K0+K1)Q12

H2=H0+(K0+K2)Q22

(3)

对于两种状态下的水泵，则有如下关系式：

H1= (P21-P11)/ρg；H2= (P22- P12)/ρg；

(4)

对于两种状态下的出水调节阀门则有如下关系式：

在相同热流密度的情况下，最大热应力σ随微通道分支数n的增大而减小。当热流密度为55W/cm2时，微通道分支数为n =8，与n=3、4、6时的最大热应力相比，分别降低29.9%、20.4%、8.2%，降低了0.12、0.072、0.025GPa。

K1Q12=(P31-P21)/ρg

K2Q22=(P32-P22)/ρg

(5)

式中：ρ——密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2

将式4、式5代入式3后并简化得出：

(2P22-P12-P32)/ρg=H0+K0Q22

(6)

将两组现场测试数据代入式6，联立可求得H0与K0。将H0与K0代入式2：H=H0+(K0+K)Q2，便可得出其管路特性曲线。特别的，当将出水阀门全开，也即K≈0时，管路特性曲线方程为：

H=H0+K0Q2

(7)

3 结语

式6给出了依靠泵组自带的压力与流量表，就能推导出管路特性曲线方程的方法。理论上，管路特性曲线形态是一条较严格的二次抛物线。该方法克服理论上不能准确计算管路特征曲线中阻力综合参数的弊病，用实验加理论的方法给予解答。

结合水泵样本给出的泵特性曲线，在同一坐标图中绘制这两条曲线，便可考量某一具体水泵的节能潜力与方向，为下一步节能改造奠定计算基础。

[1] 郭立君，何 川.泵与风机[M].3版..北京：中国电力出版社，2004.

[2] 沈阳水泵研究所.叶片泵设计手册[M].北京：机械工业出版社，1983.

[3] 张也影.流体力学[M].2版.北京：高等教育出版社，1999.

[4] 校力波.一种确定水泵工况点的新方法[J].世界采矿快报.1999 (8):40-43.

(本文文献格式：魏化强.确定管路特性曲线方程的方法[J].山东化工，2016，45(14)：83-84.)

2016-05-16

魏化强(1984-)，安徽宿州人，大学本科，工程师，主要从事、泵类、制冷设备及其他煤化工设备的管理与维护工作。

TH311

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1008-021X(2016)14-0083-02