泵的應用背景
   泵的重要性
   從泵的性能范圍看，巨型泵的流量每小時可達幾十萬立方米以上，而微型泵的流量每小時則在幾十毫升以下。泵的壓力可從常壓到高達19.61MPa（200kgf/cm2）以上，被輸送液體的溫度最低達-200℃以下，最高可達800℃以上。泵輸送液體的種類繁多，諸如輸送水（清水、污水等）、油液、酸堿液、懸浮液、和液態(tài)金屬等。

   在化工和石油部門的生產(chǎn)中，原料、半成品和成品大多是液體，而將原料制成半成品和成品，需要經(jīng)過復雜的工藝過程，泵在這些過程中起到了輸送液體和提供化學反應的壓力流量的作用，此外，在很多裝置中還用泵來調節(jié)溫度。

   在農業(yè)生產(chǎn)中，泵是主要的排灌機械。我國農村幅原廣闊，每年農村都需要大量的泵，一般來說農用泵占泵總產(chǎn)量一半以上。

   在礦業(yè)和冶金工業(yè)中，泵也是使用最多的設備。礦井需要用泵排水，在選礦、冶煉和軋制過程中，需用泵來供水等。

   在電力部門，核電站需要核主泵、二級泵、三級泵、熱電廠需要大量的鍋爐給水泵、冷凝水泵、循環(huán)水泵和灰渣泵等。

   在國防建設中，飛機襟翼、尾舵和起落架的調節(jié)、軍艦和坦克炮塔的轉動、潛艇的沉浮等都需要用泵。高壓和有放射性的液體，有的還要求泵無任何泄漏等。

   在船舶制造工業(yè)中，每艘遠洋輪上所用的泵一般在百臺以上，其類型也是各式各樣的。

   其它如城市的給排水、蒸汽機車的用水、機床中的潤滑和冷卻、紡織工業(yè)中輸送漂液和染料、造紙工業(yè)中輸送紙漿，以及食品工業(yè)中輸送牛奶和糖類食品等，都需要有大量的泵。

   總之，無論是飛機、火箭、坦克、潛艇、還是鉆井、采礦、火車、船舶，或者是日常的生活，到處都需要用泵，到處都有泵在運行。正是這樣，所以把泵列為通用機械，它是機械工業(yè)中的一類主要產(chǎn)品。

   幾種常見的泵， 下面列舉了幾種常見的泵：

   （1）離心泵
   離心泵是非容積式泵，其流量隨著壓力的變動有大幅度的變化。離心泵特性曲線和性能參數(shù)是泵內流體運動參數(shù)的外部表現(xiàn)形式，泵內流體的運動狀況由泵的轉速和泵的幾何參數(shù)所決定，其效率隨轉速、流量、揚程變動而變化。工業(yè)生產(chǎn)中，離心泵約占泵總數(shù)的80%。

   離心水泵主要用于輸送類似清水的介質。按介質的不同，離心水泵可分為清水泵、鍋爐給水泵及熱水泵等。如果按結構分，也可分為臥式離心泵、液下泵、管道泵等。非金屬材料，尤其是新型工程塑料，與金屬材料相比有較好的耐腐蝕性能，而單位體積的價格比高級金屬低得多，制造也容易，因此隨著非金屬材料的飛速發(fā)展，非金屬離心泵在化工、醫(yī)藥等行業(yè)應用也越來越廣。

   （2）轉子泵
   轉子泵是容積式泵的一種形式，其通過轉子與泵體間的相對運動來改變工作容積，進而使液體的能量增加。工業(yè)生產(chǎn)中，除離心泵外，轉子泵約占泵總量的10%。由于使用者一般對離心泵都比較熟悉，也比較偏愛，因此常會造成在一些適合使用轉子泵的場合中選用了離心泵。

   轉子泵按其結構和原理，可分為齒輪泵、螺桿泵、凸輪泵（羅茨泵）、撓性葉輪泵、滑片泵、軟管泵等。轉子泵是一種旋轉的容積式泵，具有正排量性質，其流量不隨背壓變化而變化。優(yōu)先選用轉子泵的場合有：粘性液體、需要計量的場合、需要自吸的場合、含有氣體的場合、小流量場合、高壓力場合、以及要求對介質柔和的泵、需要反轉的泵等。

   （3）往復泵
   往復泵是容積式泵的另外一種形式，通過活塞或柱塞在缸體內的往復運動來改變工作容積，進而使液體的能量增加。往復泵包括活塞泵和柱塞泵，適用于輸送流量較小、壓力較高的介質。當流量小于100m3/h/排出壓力大于10MPa時，往復泵有較高的效率和良好的運行性能。

   （4）齒輪泵
   齒輪泵也稱齒輪油泵。齒輪泵也屬于容積式泵，只是用于輸送介質，通常要求齒輪泵的穩(wěn)定性精度誤差不超過±5%。齒輪泵可以輸送易燃、易爆、腐蝕、資料等各種液體，在化工和石油化工裝置中經(jīng)常使用。

   （5）潛水泵
潛水泵是電動機和水泵組裝為一體的電力排灌設備，結構簡單緊湊，機組潛入水中工作無須建筑泵房，使用方便，在民用生產(chǎn)中應用尤其廣泛。

   變頻器在泵上的節(jié)能應用
   通過流體力學的基本定律可知：離心泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P有如下關系：Q∝n、H∝n2、P∝n3，即流量與轉速成正比、壓力與轉速的二次方成正比、軸功率與轉速的三次方成正比。

   以一臺水泵為例，它的出口壓頭為H0（出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓力差），額定轉速為n0，閥門全開時的管阻特性為r0，額定工況下與之對應的壓力為H1，出口流量為Q1。

   在現(xiàn)場控制中，要求管網(wǎng)壓力不得低于H3，在此范圍內調節(jié)系統(tǒng)供水流量，通常采用水泵定速運行，調節(jié)出口閥門開度控制流量。當流量從Q1減小50%至Q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞1，系統(tǒng)工作點沿方向I由原來的A點移至B點。受其節(jié)流作用使得泵口壓力由H1變?yōu)镠2，管網(wǎng)壓力則因為節(jié)流原因降至H3。

   水泵軸功率實際值（KW）可由公式P=QH/(ηcηb)×10-3得出。其中，P、Q、H、ηc、ηb分別表示功率、流量、壓力、水泵效率、傳動裝置效率（如直接傳動為1）。假設總效率（ηcηb）為1，則水泵由A點移至B點工作時，電動機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和BQ2OH2的面積差。如果采用調速手段改變水泵的轉速n，當流量從Q1減小50%至Q2時，那么管網(wǎng)阻特性為同一曲線r0，系統(tǒng)工作點沿方向Ⅱ由原來的A點移至C點，水泵的運行也更趨合理。在閥門全開，只有管網(wǎng)阻力的情況下，系統(tǒng)滿足現(xiàn)場的流量要求，能耗勢必降低。此時，電動機節(jié)省的功耗為AQ1OH1和CQ2OH3的面積差。比較采用閥門開度調節(jié)和水泵轉速控制，顯然使用水泵轉速控制更為有效合理，具有顯著的節(jié)能效果。

   另外，從1中還可以看出：閥門調節(jié)時使系統(tǒng)壓力H升高，這將對泵體和閥門的密封性能形成威脅和破壞。而轉速調節(jié)時，系統(tǒng)壓力H隨泵轉速n的降低而降低，因此不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

   從上面的比較不難得出：當現(xiàn)場對水泵流量的需求從100%降至50%時，采用轉速調節(jié)將比原來的閥門調節(jié)節(jié)省BCH3H2所對應的功率，理論節(jié)能率在75%以上。

   與此相類似的，如果采用變頻調速技術改變泵類轉速來控制現(xiàn)場壓力、溫度、水位等其他過程控制參數(shù)，同樣可以依據(jù)系統(tǒng)控制特性繪制出關系曲線得出上述的比較結果。因此，采用變頻調速技術改變電動機轉速的方法，要比采用閥門、擋板調節(jié)更為節(jié)能經(jīng)濟，設備運行工況也將得到明顯改善。

   變頻器在泵上的控制特點
   變頻器控制泵具有以下幾個特點：

   （1）電動機的再起動
   一些要求高效率運行的泵，通常要求工頻電源供電與變頻器供電隨時可以相互切換。例如，某小區(qū)采用深井地熱水供暖，3臺45KW電動機——水泵機組供暖，由1臺變頻器控制，最高頻率為50Hz，供水量最大時為3臺機組均以工頻電源供電運行。該系統(tǒng)隨氣溫變化和晝夜對供暖要求的不同，3臺機組可以分別以：2臺工頻運行，1臺變頻（50Hz以下）運行；1臺停運，1臺工頻運行，1臺變頻運行；2臺停運，1臺變頻運行。這樣幾種運行方式既滿足了供熱需要，又提高了運行效率，并能起到節(jié)能的目的。但是在這樣的運行過程中，特別是從工頻電源切換到變頻器運行時，要求變頻器必須具有轉速跟蹤功能。這樣電動機從電網(wǎng)切離后，在滑行情況下平滑切換，實現(xiàn)空轉再起動功能，從而提高了連續(xù)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

   （2）自診斷連續(xù)運行
   用于生產(chǎn)設備中的泵經(jīng)常會由于電源干擾發(fā)生跳閘事故，且原因難以查找。當發(fā)生異常工況時，變頻器可首先進行自診斷，如果系統(tǒng)沒有問題則自動復位后再起動，而且在這段時間內應利用速度檢測功能找出自診斷過程中電動機降速的原因，并使其達到原速度，即要求系統(tǒng)應該肯異常停機恢復功能。

   （3）免跳閘運行功能
   泵傳動具有下降轉矩特性，有效的過載保護功能是使其運行在過轉矩檢測方式下。此時，一旦達到設定的過載電流值，變頻器的輸出頻率就降低，即在運行中失速。對于這種具有下降轉矩特性的負載，變頻器可在平衡點作短時間運行，待負載下降后再自動恢復到原來所設定的頻率。

   （4）電磁噪聲
   把變頻器應用于泵負載時，還應該注意電動機產(chǎn)生的電磁噪聲。利用正弦波PWM變頻器控制通用電動機時，會因諧波的影響產(chǎn)生噪聲。為此，可在變頻器與電動機之間裝設電抗器（約為阻抗的3%～4%），也可將U/f降低到負載相適應的程度，便可使噪聲降低5～10dB。另外，目前已有面向中、小容量電動機的低噪聲PWM變頻器產(chǎn)品，其低速區(qū)域噪聲約降低20dB，效果良好。

   （5）電動機的溫升
   利用正弦波PWM變頻器對通用電動機調速時，流過電動機的電流比應用工頻電源時的電流約大5%，特別是低速運行時，電動機冷卻風扇的冷卻能力下降，此時必須降低負載轉矩或限定運行時間。然而，當?shù)退贂r的負載轉矩和轉速的二次方或三次方成正比下降時，則沒有溫升問題。為了起到有效的保護作用，可在電動機內裝設熱敏電阻元件，但此方式使電動機造價高、結構相對復雜。如果利用變頻器系統(tǒng)軟件進行保護，即根據(jù)電動機的電流、輸出頻率、運行時間以及電動機冷卻能力等對電動機繞組溫度進行仿真與控制，則是一種有效的保護方式，這種保護方式隨運行頻率變化，由于可以自動改變保護特性，故可以在整個控制范圍內保護電動機。

   變頻器在離心水泵上的應用
   離心水泵的調速方式
   離心泵所以能把水送出去是由于離心力的作用。水泵在工作前，泵體和進水管必須灌滿水以形成真空狀態(tài)，當葉輪快速轉動時，葉片促使水很快旋轉，旋轉著的水在離心力的作用下從葉輪中拋出去，泵內的水被拋出后，葉輪的中心部分形成真空區(qū)域。水源的水在大氣壓力（或水壓）的作用下通過管網(wǎng)壓到了進水管內，這樣循環(huán)不已，就可以實現(xiàn)連續(xù)抽水。在此值得一提的是：離心泵起動前一定要向泵殼內充滿水，否則將造成泵體發(fā)熱、振動、出水量減少，對水泵造成損壞（簡稱汽蝕），造成設備事故。

   目前離心泵的兩種主要流量調節(jié)方式分別是出口閥門調節(jié)和泵變轉速調節(jié)。泵變轉速調節(jié)節(jié)約的能耗比出口閥門調節(jié)大得多，這點可以從兩者的功耗對比分析中看出，通過離心泵的流量與揚程的關系，可以更為直觀地反映出兩種調節(jié)方式下的能耗關系。通過泵變轉速調節(jié)來減小流量還有利于降低離心泵發(fā)生汽蝕的可能性。當流量減小越多時，變速調節(jié)的節(jié)能效率也越高，但是，泵變轉速過大時又會造成泵效率降低，越出泵比例定律范圍。因此，在實際應用時應從多方面考慮，在兩者之間綜合出最佳的流量調節(jié)方法。

   鍋爐給水泵的變頻調速改造
   在鍋爐調和中，給水泵系統(tǒng)通過向鍋爐不間斷供水，以保證鍋爐的正常運行。某廠現(xiàn)有鍋爐5臺，其中SHL35-16-P型2臺，SHL20-13-P型1臺，T-18A-13型2臺，總蒸發(fā)量為126t/h，供給本廠及相鄰各廠的生產(chǎn)和生活用蒸汽。實際運行中爐前蒸汽壓力較低，夏季一般為0.4～0.6MPa，冬季一般為0.5～0.7MPa，蒸發(fā)量變化較大，夏季為20～35t/h，冬季為90～110t/h。與鍋爐相配套的給水泵型號為4GC-8X5，共6臺，分為2組，每組3臺，通過母管向各臺鍋爐供水。每臺泵的額定流量為55m3/h，揚程為19m，驅動電動機額定功率為55KW。運行方式是夏季開1～2臺，冬季開2～3臺，其余備用。運行時，由于鍋爐給水泵的供水能力大于鍋爐的蒸發(fā)量，尤其是當鍋爐負載越輕時，兩者的差值越大，因此必須實行流量調節(jié)。傳統(tǒng)的給水泵是連續(xù)恒速運行的，流量調節(jié)通過控制閥和回流支路來實現(xiàn).

   （1）變頻改造的可行性
   通過控制閥和回流支路這兩種方法都存在明顯的缺陷：采用控制閥時，隨著閥門開度的減小，水泵出口壓力上升，達到2MPa以上，閥門兩側的壓差將增大，達到1.3MPa以上，遠遠大于原設計的水泵出口壓力高于鍋爐鍋筒壓力0.5MPa（包括給水垂直落差及管路壓降）的要求，不但造成能量的浪費，而且使得水泵的振動和磨損加大，壽命縮短。采用回流支路調節(jié)時，大量水的回流同樣造成能量的無謂消耗。

   因此，對給水系統(tǒng)實施技術改造，降低水泵的出口壓力，消除回流，減少能源消耗和設備磨損，已成大勢所趨。

   眾所周知，離心水泵的運行遵循如下規(guī)律：流量Q與轉速n與正比，揚程（壓力）H與轉速n的二次方成正比，軸功率P與轉速n的三次方成正比，電動機的轉速n與電源的頻率f成正比，因此改變電源可改變電動機即給水泵的轉速。

   這里，4GC-8X5型鍋爐給水泵是通用的多級離心泵，供輸送110℃以下清水及物理化學性質類似于水的其它液體，適用于工業(yè)鍋爐給水、工廠或城市給排水等。該型號泵比轉速為80，為5級離心泵。

   變頻調速技術是電力電子技術和微電子技術相結合的產(chǎn)物，以其優(yōu)異的調速特性和顯著的節(jié)能效果，在國民經(jīng)濟的各個領域了廣泛的應用。當今，變頻調速已成為交流電動機轉速調節(jié)的最佳方法。水泵采用變頻調速后，給水流量的調節(jié)就可通過改變轉速的方法來實現(xiàn)，此時控制閥可開到最大開度，回流支路可切除，既能夠方便地調節(jié)流量，又可降低能量消耗，使這一問題圓滿的解決。

   （2）變頻改造方案
   在本鍋爐給水泵系統(tǒng)的改造方案中，可以實施以下兩種方案：

   一是恒壓供水，通過變頻調速，使水泵的出口壓力略高于鍋爐鍋筒壓力，且為一個恒定值，可使水泵出口壓力得以降低。但其出口壓力必須大于鍋筒的最大壓力，否則當鍋爐鍋筒壓力大于水泵出口壓力時，將無法保證鍋爐正常上水。當鍋筒壓力較低時，與水泵出口壓力的差值仍然較大，上述現(xiàn)象仍不能有效改善。

   二是差壓供水，分別取鍋爐鍋筒及水泵出口的壓力，送入差壓變送器，其壓差信號經(jīng)PID調節(jié)器與設定值（給定）進行比較后，送到變頻器，控制電動機（水泵）的轉速，構成閉環(huán)控制系統(tǒng).

   運行中隨著鍋爐鍋筒壓力的變化，變頻器的輸出頻率將自動改變，水泵的轉速也相應改變，始終使水泵的出口壓力跟蹤且大于鍋爐鍋筒壓力，其差值保持在設定值。這樣在絕大部分時間里，水泵的運行速度將低于額定轉速，因此不但水泵的功率消耗將大幅度降低，而且水泵的磨損也大為減輕。顯然，第二種方案在節(jié)能效果、安全性、頻繁操作程度的等各個方面皆優(yōu)于第一種方案。

   于是，在本系統(tǒng)中選擇了第二種方案。每組泵（3臺）安裝1臺變頻器（東芝55KW變頻器），為提高設備運行的可靠性，設置了工頻旁路，這樣同組3臺泵中的任意1臺都可選擇工頻或變頻運行，并且可方便快速地進行切換。這樣一來，既可1臺變頻運行，又可2臺變頻并聯(lián)運行，也可變頻和工頻并聯(lián)運行。

   （3）變頻運行效果
   該項目自調試完畢正式投入運行后，設定差壓值為0.45MPa，關閉回流支路，打開控制閥。運行時隨著鍋爐鍋筒壓力的變化，變頻器輸出頻率（即水泵轉速）也隨之改變，一般在30～40Hz之間，水泵出口壓力保持在1MPa左右，壓差始終穩(wěn)定在0.45MPa。經(jīng)過長時間的運行觀察來看，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作方便，效果非常顯著。

   為了對比改造前后的效果，用DTYC-92A型三相異步電動機經(jīng)濟運行測試儀分別對給水泵的3種運行方式進行了測試，即：工頻運行、工頻運行打開回流支路和變頻運行。每種方式均測15min，4組數(shù)據(jù)。測試記錄見.

   根據(jù)統(tǒng)計，改造后運行半年來的耗電量與上年同期的對比得出6個月的平均節(jié)電率為78.67%，累計節(jié)電22萬KW?h。改造前，由于水泵運行壓力很高，水泵的磨損非常嚴重，通常每兩周即須檢修一次。改造后，檢修周期大大延長，因此節(jié)約了大量的維修費用。由此可見，全部投資不到一年即可收回，經(jīng)濟效益十分顯著。

   變頻器在計量泵上的應用
   （一）泵的流量計量和計量泵的變頻控制
   離心泵是泵中最常見的類型，它通過葉輪放置帶動流體。離心泵的輸出流量很大程度上信賴于泵的出口壓頭和液體特性（比重、黏度、懸浮率），如其流量曲線如圖4-4所示。這種特性使得離心泵不適合對自身流量進行計量，必須對其增加控制裝置，最常見的是增加一個控制閥。離心泵流量測的精度不可能達到很高水平，因為離心泵參數(shù)的任何烴化都可能改變流量。例如，流體溫度的變化會改變黏度并影響泵的出口壓頭，如果沒有矯正性裝置最終會使被測流量發(fā)生變化。所以一般情況下，離心泵的流量測量只能在給下工況附近進行。
   而容積式泵的流量測量則可以更精確。無論這種泵采用的是回轉式或往復式設計，每一轉或一沖程都會吸入一定容積的流體。和離心泵不同，容積式泵沒有流量曲線。輸出流量如果隨出口壓力變化，這種現(xiàn)象和泵的設計特性（死區(qū)容積比，內部和外部泄漏）、密封裝置彈性和輸送流體的可壓縮性有關。圖4-4所示為離心泵和容積式泵的流量曲線，從圖中可看出容積式泵流量與壓力基本無關。容積式泵是靠容積變化來輸送流體的，因此它不能和控制閥相連�？刂崎y的逐級閉合不會明顯改變泵的吸入率和流量，反而會造成超壓的可能性。在不需要高精度測量的情況下，容積式泵可以連接一個旁路閥，但現(xiàn)在這種設計方式已不太常見�，F(xiàn)在更常見的是使用調速技術，很大程度上是因為這種技術具有價格優(yōu)勢和不斷增強的可靠性。容積式泵的輸出速率取決于泵腔的幾何設計特性，輸出速率在回轉式泵中是轉速的函數(shù)，在往復式泵中則是沖程頻率的函數(shù)。窖式泵轉速越大，單位時間泵吸入流體的容積就越大。容積式泵轉速和輸出流量之間線性相關，僅在一定程度上受泵窖效率的影響。
   在測量精度要求較高的場合需要使用計量泵。計量泵是一種往復式窖泵，它具有排量調節(jié)功能。輸出流量泵流量調節(jié)量也是泵轉速的函數(shù)。計量泵的排 量調節(jié)可通過以下兩種設計方案達到。
   第一種方案是采用一種機械子系統(tǒng)使泵沖程長度在0～100%之間變動。這種方案有多種設計方式，包括可調偏心軸式（最常用）、轉動曲柄式、樞軸傳動式，上述所有類型在加工行業(yè)中都經(jīng)常使用。更簡單的活塞空動式也可使用，但如果活塞是凸輪和彈力回復式，就只能用于工作量較小的場合。
   第二種設計方式是液力空動式，此類計量泵采用液壓式隔膜。液壓式隔膜同活塞安裝在一起，液壓旁路安裝在油回路上，位于活塞和隔膜之間�；钊M行連續(xù)的機械式往復運動，當旁路閉合時和隔膜連接。隔膜輸出的排量是活塞排量調節(jié)量的一部分。這種設計方式中泵的流量也可通過改變旁路的位置在0～100%之間調節(jié)。流量調節(jié)量為0時，泵的整個徨過程中液壓旁路都是打開的，流量調節(jié)量為100%時，泵的整個徨過程中液壓旁路都是關閉的，這里提供了一系列液壓旁路打開和關閉之間的位置。這種設計方式在旁路關閉時產(chǎn)生整個泵系統(tǒng)中流量流量和壓力的峰值，因此它只限使用于公稱流量較低的場合，一般低于2m3/h。此類泵加壓側的設計形式非常簡單，易于保養(yǎng)和維修，只需要很小的安裝面積。
   有時需要進行在線和連續(xù)調節(jié)，調節(jié)時可以使用變頻器，其作用到計量泵的沖程調節(jié)裝置上，以達到計量要求。在線和連續(xù)調節(jié)有兩種基本的調節(jié)方式。其中，開環(huán)控制系統(tǒng)是最簡單的，它的初始數(shù)據(jù)由流量傳感器或指令器給出。這類數(shù)據(jù)會扣除要求達到的流量值，同時對流量進行相應調整。開環(huán)控制系統(tǒng)控制效果較好并且安裝便宜。需要進行非線性流量調節(jié)和精度要求較高時可以使用更復雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)來完成。例如pH值調節(jié)，它使用傳感器來測量相應的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被轉換成輸入信號，即最常見的4～20mA的電流信號或0～10V的電壓信號。輸入信號同設定值進行比較后，由比例積分微分控制(PID)輸出信號（4～20mA，0～10V）并作用于流量調節(jié)裝置（這里指變頻器）。在pH值調節(jié)的例子中，酸或堿的投入比例由原始pH值和期望達到的pH值之間的偏差來決定。
   綜合來看，計量泵配以調速控制系統(tǒng)，可以提供更高的測量精度。它們的流量和泵轉速成正比，在開環(huán)工作方式下測量的精確度可達±5%以內。
技術支持
齒輪泵技術支持(一)
齒輪泵技術支持(二)
螺桿泵技術支持(一)
螺桿泵技術支持(二)