离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析

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1、第4期聂建英等．离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析485离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析聂建英于洋罗雄麟(中国石油大学自动化研究所，北京102249)摘要在过程控制领域中，流体运送系统中流量调节方法主要有节流调节和离心泵变频调速调节。将离心泵的变频调速调节与节流调节进行比较，分析并证明了节流调节能耗大但受干扰波动程度相对较小，调节较快;而变频调节存在流量较低时会使阀后压力过低，及在流量设定值或容器压力变化时动态响应时间较节流调节要慢的问题。通过推导及模拟仿真表明:变频调节在过程控制中是存在一定局限性的。关键词流量调节变频调节节流调节离心泵中图分类号TH311文献标识码A文章编号1

2、000-3932(2013)04-0485-05目前过程控制领域中，流体运送系统中流量1问题的提出＊［4］调节方法主要有节流调节和离心泵变频调速调在图1中，通过节流方式使流量从Q0调至［1］节。节流调节是通过调节阀门开度以改变管路Q1时，阀门开度变小，管路特性曲线从R0变成特性曲线达到改变流量来满足工况需求，但是此R1，泵转速保持n0不变，扬程从H0上升到H1，工过程中大部分能量都被消耗在了阀门的节流环节况点由A变为B，此时消耗的功率正比于面积以及冗余设计而导致的泵出口阀压降上面。20H1OQ1B。而变频调节则是在不改变阀门开度即世纪80年代初发展起来的变频调速技术是在不管路阻力特性R0的

3、条件下改变离心泵的特性曲改变管路特性曲线的基础上改变泵的转速以调节线，即转速从n0变为n1时，扬程也从H0下降到流量［2］，避免了消耗在阀门上的能量，因此变频调H2，工况点由A变为C，此时消耗的功率正比于面节比节流调节更节能，但变频调节方式并不总是积H2OQ1C。很明显，SH1OQ1B＞SH2OQ1C，变频调节比［5～8］节流调节要更节省能量。符合要求的。在通过改变转速来调节流量的过程中，扬程(压力)也会一同改变，甚至比流量改变得更快，因此可能会导致流体压力过低而无法满足工艺要求。鉴于变频调节在流量较低时的不易调节而节流调节能耗大的考虑，笔者提出了结合两种调节方式并取其各自优点的调节方案—

4、——离心泵的变［3］频调速与节流分程协调控制。该方案将流量的变化分为3个区间，低流量阶段使用节流调节，泵图1离心泵与管路特性曲线的转速不变;中间阶段节流与变频调节同时进行;但在单独使用变频调速调节流量时，根据离高流量阶段使用变频调节而阀门开度保持不变。［9］心泵的比例定律，若离心泵的转速变化小于此方案既能满足低流量时系统对压力的要求，又20%，则流量Q、扬程H随转速n变化的趋势为:可以起到较好的节能作用。QnH2111n1笔者通过对两种调节方式稳态时的压力变化Q=n，H=(n)0000及操作条件突变时动态响应的比较分析和仿真验证，证明了在过程控制中单独使用变频调速调节*收稿日期:2012-

5、11-19(修改稿)存在一定的局限性。基金项目:国家自然科学基金资助项目(20976193)486化工自动化及仪表第40卷［11］也就是说，流量从Q0变为Q1的同时，扬程会合系数;管路损失为:2从H0变为H2，甚至比流量变快得更快。若此时ΔpL=bL1-2Q2没有阀门对流体能量的储存，在流量低到一定程l+∑l11-2eρgbL1-2=(λD+∑ξ)·2(πD2)度时可能会致使阀后压力过低而达不到后续流程4中对流体压力的要求。除此之外，转速的改变是由此可得节流调节时的阀前压力:一个动态过程，对于管路流量设定值变化或者末ρ2p2=(c－bL－2)Q+bQ+a－ρg(z2－z1)(2)2A端容器

6、内部压力有突变的情况，相比节流调节而同理在图2中“3”(阀后)与“4”(末端容器)言，由于变频调节的特性，流量的调节可能不会及流体截面之间写出伯努利方程，可得节流调节时时达到要求。而节流调节由于阀门的“储能”作阀后压力:用，可以在改变流量的同时满足压力要求，且在操ρ2作条件有突变时也能有较快的响应速度。p3=(bL3-4－2)Q+ρg(z4－z3)(3)2A节流调节能耗大，而变频调节在节能的同时式(2)、(3)组成了节流调节流量与阀前、后可能存在阀后压力不足和调节慢的问题，下面将压力之间的稳态数学模型。以图2中所示系统为从稳态与动态的角度对两种调节方式在流量控制3例，其中离心泵的额定流量Q

7、0=0．05m/s，扬程性能方面的影响进行比较分析。H0=55m，转速n0=2950r/min，管路管径设为d2节流调节与变频调节的稳态比较与分析=0．3m;得到图3a中节流调节时阀前、后压力的图2为简单的流体输送系统示意图，通过对性能曲线。管路出口流量进行反馈来控制阀门开度或泵的转变频调速时，泵的扬程沿管路特性曲线H=速(变频器)。2ΔpH0+bL1-4Q变化，其中H0=Δz+。由此可得变ρg频调节时阀前压力:ρ2p2