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多台泵并联、多台泵串联的好处


更新日期:2021-05-07 18:36:55
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在液压系统中,动力泵的能量消耗往往是一个重要但又被忽视的运行成本。虽然多年来,水泵本身的效率越来越高,但是在一个设计低效的系统中安装一个高效的水泵,可以带来许多经营上的好处。同样,为满足系统的需要而依赖一台泵,可能导致重复备份造成巨大的资本成本,在多种操作条件下运行效率低下,以及对成功运行的系统要求提出挑战。与系统设计一样,考虑泵站的结构可以揭示提高泵站系统效率的途径。

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图1: 比较并联运行和串联运行的混合泵曲线示例

为什么要考虑多泵配置?

配置多个泵有许多好处,而不是依赖于一个单一的泵系统。考虑到这些备选方案来处理泵的尺寸,就有更多的机会来利用成本节约和改进泵的操作,以及在系统的操作中创造额外的灵活性。

使用多泵配置的主要好处是将系统的工作量分散到许多小型泵上,而不是依赖于单个大型泵。在大流量和大扬程要求的情况下,定制的单泵可能比收集较小的泵更昂贵。这些较小的泵更有可能是现成的组件,更可靠,更具成本效益的维护和更容易安装。同样,还需要一个更小的发动机,从而再次提高资本成本,并有望在整个系统生命周期内实现长期节能。通常,软件可以简化对不同泵替代方案的重复性和资本成本的分析,为工程师在设计过程中的经济决策提供信息。

在运行过程中,多台泵提供了几个潜在的操作点,从而为系统创造了灵活性。一个泵的集合允许一个泵满足低流量的需求,而几个泵一起可以满足更高的流量需求。设计多个泵连续运行也允许改进冗余措施。在单泵系统中,需要一个完全冗余的泵在维护或紧急情况下保持流量。如果一台泵出现问题或需要维护,多台泵可以确保满足大多数流量要求。这也比完全冗余泵更具成本效益,特别是在大型高扬程或高流量泵的情况下。在许多情况下,设计方案的分析是通过软件加速的,以比较不同的运行条件和测试泵的运行在不完美的情况下。

Figure-1

图2: 陡峭和平坦的系统曲线并联和串联操作的比较。操作点是泵和系统曲线的交点

串联泵与并联泵

泵可以串联、并联或多种结构组合。当相同的流量通过每个泵时,串联泵增加每个泵的扬程。水泵并联运行时扬程相同,对流量的贡献潜在可变。每个并联泵通常具有相同的进口和出口条件,因此要求相同的扬程才有效。通过一些例子可以看出,由于扬程的要求,不同大小的并联泵组合可能会导致运行问题。图1演示了每种结构中运行的泵如何对复合泵曲线作出贡献。泵和系统曲线证明是有用的时候,比较配置和确定潜在的操作条件。

泵与系统相互作用的系统方面

在几乎所有情况下,流量将增加运行一个额外的泵。流量的增加量取决于系统的压力要求和复合泵曲线。该系统的需求---- 拥有属性曲线---- 有两个主要组成部分。

第一个部件,静压头,描述了泵必须克服的扬程,而不管流量大小。静压头可以包括从系统进口到系统出口高度或压力差的变化。静水头要求是系统曲线为零流量的地方。

第二部分,摩擦头,随着流量的增加而增加压头的需求。摩擦头还可以捕捉部件的损失,这表明系统曲线的斜率可以随着操作条件的改变而改变,比如阀门的位置。

附加泵的有效性在很大程度上取决于系统。对于摩擦阻力小的情况,因此系统曲线平坦,并联运行的泵应比串联运行相同的泵增加更多的流量。在高摩擦扬程(如狭窄、粗糙的多部件管道)的情况下,串联运行的泵可以提供更大的扬程,以满足系统在较高流量下的要求。

每个系统中的每个配置产生的流速可以在图2中找到。注意,在所有情况下,流量将略微增加相比,单一泵曲线,但与一个大大不同的流量回报率运行一个附加泵。

外推泵系统的概念揭示了一个系统可以通过分级几台泵实现的各种工作条件。在各种系统要求下,通过选择性地运行泵可以节省能源。

Figure-2

图3: 异种泵并联表明在系统工作点没有小泵的贡献

异种泵配置

并联或串联使用不同的泵也有好处。虽然阶段的概念主要适用于统一的泵站,其中每个平行泵是相同的,不同的水泵同样可以提供额外的运行点,一个可变需求的系统。例如,当需求变化时,操作一个与一个小泵平行的大泵可以确保灵活性。通过改变泵的运行方式,小型泵可以满足小型泵的需求,大型泵可以满足大型泵的需求。这可以节省能源,同时也提供了经营效益,因为每个泵可以运行更接近其最佳效率点(BEP)。

虽然不同的泵并联运行可以提高各自独立运行时的运行效果,但同时运行的改进很大程度上取决于各自泵的泵曲线和系统曲线。

想象一个情况下,一个低流量,低扬程泵正在与一个更大的高流量,高扬程泵竞争。与此同时,这些截然不同的泵曲线将在相同的扬程上升总和如前所述。图3显示了一个小型泵在并联运行不同泵和系统要求超过小型泵死压时所能做出的有限贡献。

在严重情况下,较大泵的最低扬程可能超过较小泵的死区扬程,表明在大泵运行时,小泵不能有助于增加流量。如果不用止回阀或类似的隔离阀解决,这种不匹配还可能导致通过小型泵的回流问题。

多台异种泵也可串联使用,解决管道输送过程中的运行问题。例如,想象一条海拔变化剧烈的长输管道。由于压力要求随着管道长度的增加而增加,单个泵就需要在泵排出口处增加大量的压力。以这种高压为基础,当管线的高度下降时,也会有同样的高压。

流体可能会经历的压力下降,在高海拔进一步下降的管线空化。增压泵不依赖于单个泵,它可以帮助避免超过管道的压力限制,或者确保管道中间有足够的压力来避免汽蚀。同样,增压泵可以帮助一个小型泵满足系统的要求,在其他情况下。

如何考虑泵的配置

虽然在概念上很容易组合复合泵曲线,但是通常很难管理配置方案、泵选项、系统条件等。正如许多工程问题一样,考虑软件是一种可行的方法,可以快速而充分地调整泵的尺寸。在许多情况下,软件可以根据用户输入自动生成复合泵曲线和系统曲线,根据系统变化自动重新分配操作点。随着泵的操作点自动确定,它也方便检查在每个工况的边界警报接近。软件可以在实现之前提供对设计缺陷的洞察力,在问题发生之前解决它们。


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