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全扬程无过载

普通高扬程的离心泵在不足额定扬程50%的低扬程使用时,功率会大幅增加,电机会严重过载。因此对离心泵的扬程使用范围要求很严,高扬程的泵禁止在低扬程使用。国家质检部门以及国家水泵检验标准也只要求检测允许使用范围内的参数,一般要求在0.7~1.2倍额定流量范围内(大约是1.1~0.8倍额定扬程),超出范围的不做要求,也不做检验。因此,离心泵的性能曲线图也只有规定范围内的内容。用户必须在规定参数范围内的选用。
但很多排水工况扬程变化很大。例如:淹井后的矿井抢险排水要从井口排到井底,建井期间排水要从井口排到井底,都要求扬程几乎从0开始,直到最大深度。现实中,用户经常是在高扬程与低扬程的不同工况使用同一台泵,因此水泵很容易损坏。当然,高扬程的泵必须在低扬程使用时,也可以通过调节出水闸阀,将水泵工作压力控制在额定范围内,防止电机超载。但仅仅依靠出水闸阀这一个节点控制,非常难操作,很容易发生意外导致过载烧电机,这样用纯粹是无奈之举。

水中含泥沙时,沙泵使用一段时间,随着叶轮、泵壳的磨损,沙泵流量和扬程(关死点扬程——闸阀关闭时的最高扬程)会下降,当最高扬程下降到低于实际排水扬程时就会排不出水,因此在选择沙泵时必须留出足够的扬程备量。根据我们的经验,一般情况下单级泵扬程备量留10米,两级泵扬程备量留20米,四级泵扬程备量留40米,如果液体浓度高时,扬程备量还需增大1.5~2倍。仅仅从这一要求上就可看出沙泵和清水泵是有很大区别,按照清水泵的标准仅仅在0.7~1.2倍额定流量范围内检测沙泵是没有意义的。但由于没有沙泵的统一产品标准和检验标准,目前国家质检部门仍按照清水泵的国家标准来检测。

王庆武教授设计的排沙潜水泵和矿用立泵在设计初期就考虑了这个问题,从吸水口、叶轮叶片、泵体、流道、出水口等各个环节加以控制,给出全扬程无过载的解决方案,出厂时就是按照全扬程标准检验的,使得矿用立泵从0扬程到最大扬程之间可随意使用,使用更方便。

全扬程不过载从字面上比较容易理解,但没有统一的标准,用户更是无法分辨。这里介绍一下我单位的标准及设计思路,供大家参考。

根据行业标准  JB T 8857-2000 离心式潜污泵  规定(下面内容为该标准原文):

4.3.3泵在正常工作条件下运行时,在0.7~1.2倍规定流量范围内,电动机输人功率应不超过其输人功率限值;当用常温清水进行试验时,电动机输人功率应不超过其输人功率限值。
当电动机额定功率小于或等于45kW时,其输人功率限值按式(1)计算:

P1max=P /〔ηmot-0.15( 1-ηmot)/(2√2)〕……………(1)
当电 动 机 额定功率大于45k W时,其输人功率限值按式(2)计算:

P1max=P /〔ηmot-0.10( 1-ηmot)/(2√2)〕……………(2)
式中: P1max— 电动机的输人功率限值,kW;

P  — 电动机的额定功率,kW;

ηmot一 在功率、电压、频率为额定值时,电动机效率的保证值,%。

根据这个标准,55kW 4极电机的离心式潜污泵,电机效率0.885,电动机输入功率限值为62.4kW。检测时,0.7~1.2倍规定流量范围内用清水实测的输入功率(不是额定功率)要小于62.4kW。

水泵输出功率P=ρgQH

ρ——泵输送浆体的密度;g——重力加速度;Q——泵的流量;H——泵的扬程。
离心式潜污泵是按照密度1.02×103kg/m3设计的(MT/T671-2005)。抽泥沙浆时,浆体密度增大,电机肯定会过载,因此沙泵需要增大电机功率,这是很浅显的道理。此外,这些标准之规定了0.7~1.2倍规定流量范围内的功率限值,没有规定全扬程无过载时的功率限值,因为这些产品根本不允许全扬程使用。

沙泵在制订功率限值标准时到底应该规定多少呢?排沙潜水泵的配套电机功率不仅仅是同规格清水泵电机功率乘以浆体密度这么简单,简单地将功率限值按照理论公式除以浆体的比重(浆体密度除以清水密度)是不对的。因为,泥沙浆的概念很难界定,既便是同等密度的浆体,其固体成分不同、浓度不同、颗粒大小不同、颗粒大小分配比例不同、颗粒硬度不同、浆体粘度不同等等,而这些不同,造成实际电机功率是不一样的。不仅如此,沙泵工作时浆体浓度大小是很难控制,输送浆体的密度忽大忽小,造成沙泵输出功率也相应变化。再加上沙泵启动、运转时固体颗粒会对叶轮旋转造成一定的阻碍(严重时卡住叶轮),造成沙泵输出功率进一步增大。浆体中的固体颗粒越大,这种不确定性因素就越大。所以仅仅将清水泵的功率乘以浆体密度得出沙泵的理论计算功率是错误的,它远远小于沙泵的实际输出功率。以此为标准设计的沙泵功率限值也是不对的。

沙泵在设计选配电机功率时,必须留出足够的电机功率的富裕量。在制定检测用的功率限值时也必须考虑这个问题。

王庆武教授设计的排沙潜水泵和矿用立泵采用强制水冷式结构(双层电机外壳或电机外带导水套)。可在少量增加成本的前提下,大幅增大电机功率。以下是国家级检测中心的试验测量结果:

Y系列4kW电机采用强制水冷结构时可通过5.5kW电机考核,功率大1.38倍。

Y系列55kW电机采用强制水冷结构时可通过82.5kW电机考核,功率大1.5倍。

Y系列1.1kW电机采用强制水冷结构时可通过2.2kW电机考核,功率大2倍。

这种结构能提高电机功率的极限是多少?我们没有进一步去验证。

矿用立泵的标准根据输送介质的浆体密度的最大允许值,将矿用立泵分为三个档次,分别为:

A. 低浓度工况,密度≤1100kg/
   0.7~1.2倍规定流量范围内,功率限值为离心式潜污泵的功率限值除以1.1。

B. 高浓度工况,密度≤1300kg/m³

0.7~1.2倍规定流量范围内,功率限值为离心式潜污泵的功率限值除以1.3。

C. 超高浓度工况,密度≤1500kg/m³

0.7~1.2倍规定流量范围内,功率限值为离心式潜污泵的功率限值除以1.65。

全扬程范围内,最大功率限值为0.7~1.2倍规定流量范围内功率限值的1.1倍。

例如:55kW 4极电机的排沙潜水泵电机效率0.885,同等规格离心式潜污泵的电动机额定输入功率限值为62.4kW;

1.1×103kg/m³规格的矿用立泵的最大输入功率限值为62.4kW,电机富裕系数1.36;

1.3×103kg/m³规格的矿用立泵的最大输入功率限值为52.8kW,电机富裕系数1.36;

1.5×103kg/m³规格的矿用立泵的最大输入功率限值为41.6kW,电机富裕系数1.50。

综上所述,矿用立泵在全扬程范围内的最大功率点抽排最大规定密度的泥沙浆时,电机功率还有富余量(55kW电机有1.36~1.5倍的富裕系数),电机远远不会过载。这就是我们给出的全扬程无过载的标准。需要说明的是,上述最大功率限值仅仅是用清水检测矿用立泵时的检测标准。其他沙泵要想按此标准检测全扬程无过载时,必须同时要求具备矿用立泵的独特结构(例如双层外壳强制水冷)和电机绕组的特殊要求(例如:温升限值60K)等多项措施,才符合全扬程无过载的要求。

 


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