高 浩 謝軍龍 黃 慶 濮冬青

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閉式水系統(tǒng)氣囊罐對泵啟停瞬態(tài)作用研究

高 浩 謝軍龍 黃 慶 濮冬青

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430074）

探討以乙二醇溶液為流動介質(zhì)的閉式水系統(tǒng)的定壓裝置中氣囊罐在離心泵開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)對定壓點(diǎn)的壓力作用情況，以某大型閉式冷卻水系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺，分別對設(shè)計(jì)工況下有無氣囊罐作用時(shí)進(jìn)行離心泵的開關(guān)機(jī)操作，氣囊罐作用時(shí)，能滿足水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定壓點(diǎn)的壓力需求，在四種不同穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)下的離心泵進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作，定壓點(diǎn)壓力變化趨勢和波動幅值大致一致，在四種不同加速時(shí)間下進(jìn)行離心泵的開機(jī)操作，氣囊罐均能對定壓點(diǎn)壓力有較好的響應(yīng)變化。

閉式水系統(tǒng)；氣囊罐；離心泵；瞬態(tài)

0 前言

離心泵在中央空調(diào)水系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，針對穩(wěn)態(tài)過程的研究和開式水系統(tǒng)中離心泵啟動瞬態(tài)過程日益增加，但在閉式水系統(tǒng)中，由于需要定壓裝置給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)壓力來維持系統(tǒng)內(nèi)的水力工況穩(wěn)定，離心泵啟動和停止會對離心泵入口壓力造成較大的瞬態(tài)效應(yīng)，所以對閉式水系統(tǒng)中離心泵的啟動和停止過程進(jìn)行研究愈發(fā)重要。離心泵啟動的瞬態(tài)效應(yīng)壓力波動與泵的內(nèi)特性和管道的外特性以及泵的啟動時(shí)間有關(guān)。Duplaa[1]等對一臺單級蝸殼式低比轉(zhuǎn)速離心泵啟動過程中的水力性能分別進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)泵進(jìn)口壓力在啟動后存在突然降低行為；隋容娟[2]在離心泵出口分別采用閘閥、截止閥和球閥，進(jìn)行啟動試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閘閥啟動時(shí)比較平穩(wěn)，而球閥啟動時(shí)脈沖現(xiàn)象比較明顯。Lefebvre[3]等人在一個(gè)閉式試驗(yàn)臺上進(jìn)行了啟動試驗(yàn)，啟動時(shí)間約為0.6s，他們通過控制全過程流量的方式測試啟動過程的轉(zhuǎn)速和揚(yáng)程；胡征宇[4]等人在離心泵出口開度分別為全關(guān)、30%、60%和90%的開度下進(jìn)行開機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閥門開度越大，試驗(yàn)揚(yáng)程與穩(wěn)態(tài)估算揚(yáng)程差別越大。Grover[5]等人重點(diǎn)對啟動過程離心泵葉輪的轉(zhuǎn)動慣量和內(nèi)部流體的流動慣性對啟動性能的影響進(jìn)行了理論計(jì)算研究；Thanapandi[6,7]等人對兩個(gè)不同管路系統(tǒng)上的離心泵進(jìn)行了啟動和停機(jī)試驗(yàn)，啟動時(shí)間約1.2s，他們認(rèn)為離心泵在較慢的啟動過程中水力特性和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)基本符合；江振興[8]在閉式水管網(wǎng)中采用膨脹水箱作為定壓裝置，對離心泵的啟停進(jìn)行了瞬態(tài)試驗(yàn)并對管網(wǎng)安全運(yùn)行提出建議。

在本閉式試驗(yàn)臺中離心泵的每次開啟都會造成入口定壓點(diǎn)壓力值急劇降低，從而使系統(tǒng)最高點(diǎn)壓力達(dá)不到壓力要求而出現(xiàn)負(fù)壓，補(bǔ)水泵會自動開啟往系統(tǒng)中補(bǔ)充乙二醇溶液，離心泵關(guān)閉時(shí)，定壓點(diǎn)壓力短時(shí)間內(nèi)急劇上升觸發(fā)泄壓閥開啟而使乙二醇溶液外泄至儲液箱中，由于乙二醇溶液的反復(fù)吞吐會使其變質(zhì)，所以一個(gè)體積合適能容納系統(tǒng)由于離心泵開啟關(guān)閉的囊式氣囊罐非常必要。本文在此實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了有無氣囊罐時(shí)的離心泵開機(jī)和關(guān)機(jī)的瞬態(tài)操作進(jìn)行定壓點(diǎn)的壓力對比，另對四種不同離心泵穩(wěn)定工況下的狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行了開關(guān)機(jī)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，以及在四種不同啟動時(shí)間的開機(jī)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析。

1 離心泵開關(guān)機(jī)瞬態(tài)壓力波動實(shí)驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)原理圖

本試驗(yàn)平臺工作介質(zhì)采用乙二醇溶液，定壓源采用全自動定壓補(bǔ)水裝置，通過管道與離心泵入口管段連接，連接管道設(shè)截止閥，氣囊罐為自動補(bǔ)水定壓裝置配套裝置一部分，氣囊罐總體積為0.35m3，有效容積為0.12m3，預(yù)充氣壓為0.2MPa。定壓點(diǎn)設(shè)置壓力為0.24MPa，系統(tǒng)最高點(diǎn)為26m，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為35.8m3/h，揚(yáng)程為0.77MPa，水泵運(yùn)行頻率為40.3Hz。離心泵變頻啟動時(shí)間為默認(rèn)時(shí)間為10s，關(guān)閉時(shí)間為8s。系統(tǒng)內(nèi)所含乙二醇溶液體積約為1.5m3。數(shù)據(jù)采集采用MOXA采集模塊進(jìn)行離心泵入口定壓點(diǎn)的壓力采集，最快可達(dá)100ms每次，由于壓力采集儀器響應(yīng)限制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取0.6s每次，能基本反映出壓力波動規(guī)律，實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)原理圖如圖1所示。

1.1 氣囊罐有無作用時(shí)離心泵開機(jī)瞬態(tài)

圖2 有無氣囊罐開機(jī)定壓點(diǎn)壓力波動

如圖2所示，由無氣囊罐作用曲線可以看出，水系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，離心泵入口管段定壓點(diǎn)壓力為0.266Pa，關(guān)閉連接自動補(bǔ)水定壓裝置管段截止閥，此時(shí)氣囊罐無作用，1.8s時(shí)離心泵變頻啟動，定壓點(diǎn)入口流體因?yàn)榱黧w慣性，動壓增加，靜壓減小，壓力開始快速下降，約6.6s后壓力下降到0.157MPa，隨后在水流回流動壓作用下1.2s內(nèi)壓力上升至0.162MPa，約3.6s后壓力達(dá)到穩(wěn)定。離心泵啟動壓力穩(wěn)定時(shí)間約為10.2s，造成泵入口定壓點(diǎn)壓力下降0.104MPa。由氣囊罐作用曲線可以看出，水系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，離心泵入口管段定壓點(diǎn)壓力為0.264MPa，打開連接自動補(bǔ)水定壓裝置管段截止閥，自動定壓補(bǔ)水裝置調(diào)至手動模式，此時(shí)補(bǔ)水泵無作用，氣囊罐與水系統(tǒng)連接作用，由圖可知在流體慣性和氣囊罐囊內(nèi)氣體作用下，離心泵變頻啟動定壓點(diǎn)壓力快速下降，約6.6s左右下降至0.209MPa，隨后在氣囊和流體回流作用壓力迅速回升，0.6s后壓力上升至0.224MPa，而后壓力緩慢回升，在約4.2s后壓力趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為0.241MPa，離心泵啟動壓力穩(wěn)定時(shí)間約為11.4s，造成定壓點(diǎn)壓力下降0.023MPa。通過對比看出，有無氣囊罐作用時(shí)離心泵開機(jī)壓力波動趨勢大致相同，穩(wěn)定時(shí)間也相似，和無氣囊罐作用時(shí)相比，離心泵變頻快速啟動壓力下降幅值減少了0.052MPa，穩(wěn)定后壓力下降值減少了0.079MPa。

1.2 氣囊罐有無作用時(shí)離心泵關(guān)機(jī)瞬態(tài)

圖3 有無氣囊罐關(guān)機(jī)定壓點(diǎn)壓力波動

如圖3所示，由無氣囊罐作用關(guān)機(jī)曲線可以看出，離心泵正常運(yùn)行，入口定壓點(diǎn)壓力為0.241MPa，關(guān)閉連接自動定壓補(bǔ)水裝置截止閥，氣囊不作用，離心泵變頻關(guān)機(jī)，入口管段定壓點(diǎn)處動壓迅速減小，靜壓急劇增大，在約0.6s左右定壓點(diǎn)壓力上升至0.334MPa，而后在流體和葉輪的綜合作用下壓力有一下降的過程，約1.2s下降至0.313MPa，隨后在流體動壓作用下壓力持續(xù)上升，約6s后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為0.395MPa，從運(yùn)行到關(guān)閉，定壓點(diǎn)壓力上升0.154MPa。由氣囊罐作用關(guān)機(jī)曲線可以看出，離心泵正常運(yùn)行，定壓點(diǎn)壓力為0.241MPa，打開連接自動定案補(bǔ)水裝置截止閥，并將其設(shè)置為手動模式，氣囊罐作用。離心泵斷電，變頻關(guān)機(jī)，葉輪減速動壓減小，靜壓增大，在氣囊罐和流體動壓作用下，約0.6s左右定壓點(diǎn)壓力迅速上升至0.303MPa，隨后在離心泵葉輪作用下壓力下降至0.279MPa，隨后在流體和氣囊作用下，壓力在1.2s左右緩慢上升至0.303MPa，隨后壓力緩慢下降，約7.2s左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定壓力為0.267MPa，定壓點(diǎn)壓力比運(yùn)行時(shí)上升了0.026MPa，通過兩曲線對比得出，有無氣囊罐作用時(shí)離心泵關(guān)機(jī)，定壓點(diǎn)壓力波動趨勢大致相同，壓力穩(wěn)定時(shí)間也相似，在離心泵關(guān)閉時(shí)，與沒有氣囊罐作用相比，有氣囊罐緩沖時(shí)，定壓點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)定壓點(diǎn)壓力下降了0.128MPa。

1.3 氣囊罐作用時(shí)離心泵不同運(yùn)行工況下開關(guān)機(jī)瞬態(tài)

調(diào)節(jié)分支管路閥門開度，使離心泵的穩(wěn)定運(yùn)行工況點(diǎn)分別為=46.9m3/h，=0.705MPa；=56.8m3/h，=0.653MPa；=65.8m3/h，=0.603MPa；=75.6m3/h，=0.54MPa；將自動補(bǔ)水定壓裝置設(shè)為手動模式，開啟連接氣囊罐截止閥，在系統(tǒng)靜止且定壓點(diǎn)壓力一致情況下，對四種工況下離心泵進(jìn)行變頻啟動操作，結(jié)果如圖4所示，由于流體慣性作用，定壓點(diǎn)壓力在6s內(nèi)快速下降至最低值0.219MPa左右，然后在1.8s內(nèi)有一個(gè)上升然后下降的壓力波動，而后在3s內(nèi)壓力上升基本達(dá)到穩(wěn)定值，穩(wěn)定壓力為0.246MPa左右，四種工況下壓力波動和下降幅值均趨于一致。因?yàn)楸眠\(yùn)行電機(jī)發(fā)熱，所以系統(tǒng)溫度有些許上升從而開機(jī)操作時(shí)靜止壓力略微不同，但基本不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以，當(dāng)離心泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)處于不同工況點(diǎn)時(shí)，該氣囊罐均能較好滿足離心泵開機(jī)時(shí)緩沖壓力的作用。在離心泵處于以上四個(gè)穩(wěn)定工況點(diǎn)時(shí)進(jìn)行變頻關(guān)機(jī)操作，結(jié)果如圖5所示，四種工況下關(guān)機(jī)離心泵關(guān)機(jī)入口管段定壓點(diǎn)處壓力波動基本處于一致，在流體動壓和葉輪的作用下，靜壓迅速增大，大約0.6s內(nèi)達(dá)到最大值0.299MPa，在接下來1.8s內(nèi)壓力有一個(gè)下降然后上升的波動，6s后壓力緩慢下降至0.28MPa達(dá)到穩(wěn)定。所以，當(dāng)離心泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)處于不同工況點(diǎn)時(shí)，該氣囊罐均能較好滿足離心泵開關(guān)機(jī)時(shí)緩沖壓力的作用。

圖4 無氣囊罐泵不同工況點(diǎn)關(guān)機(jī)定壓點(diǎn)壓力波動

圖5 無氣囊罐泵不同工況點(diǎn)開機(jī)定壓點(diǎn)壓力波動

1.4 氣囊罐作用時(shí)離心泵不同啟動時(shí)間下開機(jī)瞬態(tài)

圖6 不同啟動時(shí)間離心泵啟動定壓點(diǎn)壓力波動

打開連接自動定壓裝置截止閥，將自動定壓補(bǔ)水裝置調(diào)為手動模式，此時(shí)氣囊罐單獨(dú)作用。更改變頻器的加速時(shí)間，使電機(jī)帶動水泵分別以5s、7s、9s、11s啟動。啟動瞬間水泵入口定壓點(diǎn)的壓力變化情況如圖6所示。系統(tǒng)靜止時(shí)，定壓點(diǎn)壓力為0.268MPa，1.8s時(shí)，通過變頻器啟動電機(jī)，當(dāng)加速時(shí)間為5s時(shí)，葉輪由靜止到快速旋轉(zhuǎn)，離心泵入口流體靜壓快速轉(zhuǎn)為動壓，氣囊罐內(nèi)氣體壓迫囊內(nèi)乙二醇溶液進(jìn)入系統(tǒng)，在兩者作用下定壓點(diǎn)壓力約3.6s快速下降由0.08MPa至0.188MPa，在氣囊罐和流體回流的共同作用下，壓力開始回升，約0.6s壓力上升至0.218MPa，而后在三者綜合作用下壓力有一個(gè)緩慢下降的階段，約1.2s壓力下降至0.211MPa，而后在氣囊罐作用下約3.6s壓力上升至0.244MPa并達(dá)到穩(wěn)定，能滿足定壓點(diǎn)的壓力需求，從開機(jī)到壓力穩(wěn)定，定壓點(diǎn)最低壓力為0.188MPa，壓力波動時(shí)間為7.8s。當(dāng)離心泵分別以7s、9s、11s啟動時(shí)壓力波動趨勢與5s啟動時(shí)基本一致，7s啟動時(shí)，從開機(jī)到壓力穩(wěn)定，定壓點(diǎn)最低壓力為0.2MPa，壓力波動時(shí)間為9.6s，穩(wěn)定壓力約為0.242MPa；9s啟動時(shí)，從開機(jī)到壓力穩(wěn)定，定壓點(diǎn)最低壓力為0.211MPa，壓力波動時(shí)間約為11s，穩(wěn)定壓力為0.243MPa；11s啟動時(shí)，從開機(jī)到壓力穩(wěn)定，定壓點(diǎn)最低壓力為0.223MPa，壓力波動時(shí)間約為12s，穩(wěn)定壓力為0.246MPa。啟動時(shí)間越短，壓力波動越大，壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，約比啟動時(shí)間滯后2s左右，氣囊罐均能滿足離心泵啟動時(shí)的壓力波動，使定壓點(diǎn)壓力能滿足水系統(tǒng)運(yùn)行需求。

2 結(jié)論

本閉式冷卻水實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)平臺流動介質(zhì)采用乙二醇溶液，對管網(wǎng)密封性要求較高，由于離心泵啟動和停止均會造成定壓點(diǎn)壓力的大幅度波動，從而造成管網(wǎng)內(nèi)冷卻介質(zhì)來回吞吐而使冷卻液變質(zhì)，所以采用合適體積能容納離心泵啟停壓力變化造成的水量變化的囊式氣囊罐十分必要。本閉式循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)定壓為0.24MPa，系統(tǒng)靜止時(shí)壓力為0.266MPa，無氣囊罐時(shí)，由于離心泵啟動的流體慣性和動靜壓轉(zhuǎn)換使定壓點(diǎn)壓力由0.263MPa下降至0.162MPa，離心泵啟動造成閉式管網(wǎng)整體壓力偏低，系統(tǒng)最高點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓，需要補(bǔ)水泵進(jìn)行補(bǔ)水操作，而系統(tǒng)連接氣囊罐時(shí)，離心泵啟動瞬間入口壓力下降過程中由于氣囊罐內(nèi)氣體作用，入口壓力由0.266MPa下降至0.241MPa，能夠滿足定壓點(diǎn)的壓力需求。在離心泵關(guān)閉瞬間，由于葉輪停止旋轉(zhuǎn)。離心泵入口壓力急劇上升，無氣囊罐時(shí)，定壓點(diǎn)壓力由0.231MPa上升至0.395MPa，將使泄壓閥自動開啟泄壓，而連接氣囊罐作用時(shí)，流體壓迫囊內(nèi)氣體，定壓點(diǎn)壓力僅由0.026MPa上升至0.267MPa，使定壓點(diǎn)壓力處于較小波動范圍內(nèi)。在離心泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)處于不同的流量揚(yáng)程工況下進(jìn)行開機(jī)和關(guān)機(jī)操作，定壓點(diǎn)壓力變化趨勢和波動幅值基本一致，用變頻器使離心泵在不同加速時(shí)間下啟動，氣囊罐均能對壓力有較好的響應(yīng)。所以在閉式水系統(tǒng)中采取合適大小的氣囊罐可滿足緩沖離心泵啟停時(shí)的壓力波動，并可使流動介質(zhì)得到保護(hù)而不受到污染。

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The Study of Transient Characteristics of the Air Tank's Effecton Pump Start up-Shut down in Closed Water System

Gao Hao Xie Junlong Huang Qing Pu Dongqing

( HuazhongUniversity of Science and Technology of Hubei Province, Wuhan, 430074 )

This paper analyzes the constant pressure device-the air tank effect to the constant pressure point in the situation of the centrifugal pump start-up transient and the shut-down transient with ethylene glycol solution as a medium in the closed cycle. Taking a big closed cooling water system as an experiment platform, under the design conditions ofrespectively switching on and off the centrifugal pump when whether an air tank works. When the air tank works, it can meet the pressure need of operating the water system stably. Under the four different stable situations of switching on and off the centrifugal pump, the pressure change trend is similar to the fluctuation amplitude of the constant pressure point.Under the four different stable situations of switching on and off the centrifugal pump, the air tank can correspond the change the pressure of the constant pressure point.

closed cooling water system; air tank; centrifugal pump; transient state

1671-6612（2017）04-416-05

TH311

A

高 浩（1992-），男，在讀碩士研究生，E-mail：584972480@qq.com

謝軍龍（1970-），男，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2016-06-27