CN109681474A - 一种抑制离心泵空化的自动调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制离心泵空化的自动调节装置及方法，通过实时监控离心泵的流量、进出口压力、进口温度实时判断离心泵的空化状态，控制单元通过温度及进口压力计算离心泵的装置汽蚀余量NPSHa与必须汽蚀余量NPSHr，若NPSHa≤NPSHr，则控制电动调节阀持续打开，直到NPSHa>NPSHr电动调节阀停止动作。根据需求在离心泵出口管上将高压流体引流至离心泵进口，并能通过设置在补液管上的电动调节阀进行自动调节，达到提高离心泵进口压力、改善并抑制空化的发生。本发明可有效满足不同工况需求进行空化的自我调节及抑制，大大拓宽了离心泵稳定运行区间，可有效改善离心泵的空化状态，具有广泛的应用价值。

Description

一种抑制离心泵空化的自动调节装置及方法

技术领域

本发明属于流体机械领域关于空化性能的调节及抑制技术，涉及一种抑制离心泵空化的自动调节装置及方法，能促使空化工况下进行自我控制与调节从而实现抑制离心泵空化现象的发生。

背景技术

流体机械中空化是一种常见且有着严重危害的现象，同时空化也是导致水力机械不稳定运行的重要原因之一。不稳定空化流会破坏离心泵内稳定的流场，壁面材料产生剥蚀，诱发振动和噪声等一系列问题，严重时还会损坏过流部件使机械失效。随着工业的发展，如超临界压缩空气储能领域对系统的安全稳定运行提出了越来越高的要求，甚至以牺牲效率为代价实现其低温离心泵等的无空化稳定运行。此外，现代工业对泵的两极化发展提出更高要求，尤其在低/超低比转速离心泵领域中空化已经成为限制其性能进一步提升的瓶颈，为此，合理调节并控制离心泵内空化是拓宽离心泵稳定运行的一个重要手段。

现有技术中涉及提高离心泵的汽蚀性能的技术方案有多种，主要围绕提高装置汽蚀余量NPSHa和降低泵必须汽蚀余量NPSHr两方面展开。降低泵必须汽蚀余量NPSHr主要通过优化离心泵的叶轮、流道的结构和形状等手段加以实现，一定程度上可以提高离心泵的汽蚀性能，然而通过这样的手段来降低汽蚀余量NPSHr非常有限。提高装置汽蚀余量NPSHa主要通过增加离心泵的进口压力来实现，通常是在离心泵的进口与出口之间设置一引流管，将出口区域压力较大的流体重新引流至进口区域，使得离心泵的进口区域压力大于汽化压力，从而抑制汽蚀的产生。然而单纯地从离心泵的出口向进口引流，虽然可以增加进口压力，但是主要存在以下缺陷和不足：(1)无法即时精确地判断离心泵进口处流动状态，仅凭借经验控制阀门开度或在引流管上安装压力表无法准确控制离心泵进口真实状态；(2)接触式引流设置会不可避免地造成离心泵进口绕流及脱流的发生，难以保证流动均匀，增加不稳定性；(3)喷嘴及腔体等结构复杂，设计难度大且需与叶轮匹配设计，研发成本高，不便主动控制及变工况调节。

发明内容

针对现有离心泵不同工况时的空化不稳定运行问题，本发明的目的在于提供一种抑制离心泵空化的自动调节装置及方法，通过实时监控离心泵的工作状态，尤其是其进出口压力、温度信息的实时监控判断离心泵的空化状态，根据需求在离心泵出口管上将高压流体引流至离心泵进口，并能通过设置在补液管上的电动调节阀进行自动调节，达到提高离心泵进口压力、改善并抑制空化的发生。本发明可有效满足不同工况需求进行空化的自我调节及抑制，大大拓宽了离心泵稳定运行区间，具有结构简单、调节时间短、自动化程度高、易操作等优点，具有广泛的应用价值。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种抑制离心泵空化的自动调节装置，包括一离心泵和一控制单元，所述离心泵包括一进口管和一出口管，所述进口管和出口管之间设置一带有电动调节阀的补液管，所述补液管的进口与所述出口管连通，其特征在于，

所述进口管上套设一环形补液器，所述环形补液器包括一环管以及与所述环管连通并沿周向均匀布置在所述环管内侧的多个支管，各所述支管的出口均与所述进口管在同一轴向位置连通，所述环管的外侧上还设置有一补液接口，所述补液接口位于相邻两所述支管的周向位置之间且所述补液接口与所述补液管的出口连通，

所述出口管上设有与所述控制单元通信连接的电磁流量计、出口压力传感器，所述进口管上设有位于所述环形补液器上游且与所述控制单元通信连接的进口压力传感器、进口温度传感器，所述电磁流量计、出口压力传感器、进口压力传感器、进口温度传感器用以将其所采集的信息传输至所述控制单元，所述控制单元还与所述电动调节阀通信连接，用以控制所述电动调节阀的启闭，

所述控制单元，根据离心泵进口压力及温度计算得到离心泵当前状态下的装置汽蚀余量NPSHa，并根据离心泵出口压力及流量计算得到离心泵当前状态下的必须汽蚀余量NPSHr，若NPSHa≤NPSHr，所述控制单元控制所述电动调节阀开启，直至NPSHa>NPSHr，关闭所述电动调节阀。

优选地，当所述控制单元发出指令开启所述电动调节阀时，所述电动调节阀可连续打开。

优选地，所述控制单元中预先存储有离心泵的整体性能样本数据及工作介质在不同温度与压力下的状态参数(如饱和蒸汽压)。

进一步地，所述控制单元在计算离心泵的装置汽蚀余量NPSHa、必须汽蚀余量NPSHr时，需要借助预先存储在其中的离心泵整体性能样本数据进行计算。

优选地，所述环管上还设置有位于其底部的排污阀接口。

优选地，所述环管上设置的支管的数目为4个，所有支管沿圆周方向均匀布置。

本发明的另一个目的是提供一种依据上述装置抑制离心泵空化的自动调节方法，所述方法应按照如下步骤进行：

SS1.将离心泵的整体性能样本数据，连同工作介质在不同温度与压力下的状态参数(如饱和蒸汽压)预先存储在控制单元；

SS2.通过电磁流量计、出口压力传感器、进口压力传感器、进口温度传感器分别获取离心泵当前的流量、出口压力、进口压力、进口温度等数据，并将该数据传输至控制单元；

SS3.控制单元依据不足SS预先存储的数据，并根据离心泵当前的进口压力、进口温度计算得到当前状态的装置汽蚀余量NPSHa，并根据当前流量计算离心泵的必须汽蚀余量NPSHr；

SS4.控制单元比较NPSHa、NPSHr的大小判断离心泵是否发生空化，若NPSHa≤NPSHr，则控制单元发出指令打开电动调节阀，直至NPSHa>NPSHr时，关闭电动调节阀。

优选地，当所述控制单元发出指令开启所述电动调节阀时，所述电动调节阀可连续打开。

优选地，离心泵的整体性能样本数据可以通过实验测试获得或通过数值模拟计算获得，性能样本数据包括水力性能及空化性能数据的离散点。

优选地，离心泵工作介质在不同温度与压力下的饱和蒸气压，可以给定拟合公式或数值离散点。

优选地，控制单元根据离心泵进口压力及温度插值计算得到当前状态的饱和蒸气压并预测离心泵的装置汽蚀余量NPSHa。

优选地，控制单元根据离心泵整体性能样本数据通过插值计算当前流量下离心泵的必须汽蚀余量NPSHr。

进一步地，插值计算所使用的方法为线性插值、样条插值或Kriging插值。

同现有技术相比，本发明的关键在于实时监控离心泵的工作状态，并能通过进口压力传感器、出口压力传感器、温度传感器及电磁流量计准确判定离心泵的空化状态。根据需求在离心泵出口管上将高压流体引流回离心泵进口，并能通过电动调节阀实现自动调节，从而达到提高离心泵进口压力、改善并抑制空化的发生。此外，本发明环形补液器通过多个周向均匀设置的支管向离心泵的进口管引流，可有效降低引流速度，降低离心泵进口因射流发生带来内流场紊乱，保证均匀引流，使流场更加稳定。本发明的方法及装置具有结构简单、调节时间短、自动化程度高、易操作，可有效改善离心泵的空化状态，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明的抑制离心泵空化的自动调节装置示意图；

图2为本发明中环形补液器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的抑制离心泵空化的自动调节装置，包括离心泵3，离心泵3包括进口管1和出口管2，进口管1和出口管2之间设置一带有电动调节阀9的补液管8，补液管8的进口与出口管2连通，进口管1上套设一环形补液器2，环形补液器2包括一环管17以及与环管17连通并沿周向均匀布置在环管17内侧的4个支管18，各支管18的出口均与进口管1在同一轴向位置连通，环管17的外侧上还设置若干个补液接口13、14、15、16，各补液接口13、14、15、16位于相邻两支管18的周向位置之间且其中至少一个补液接口15与补液管8的出口连通，环形补液器通过多个周向均匀设置的支管向离心泵的进口管引流，可有效降低引流速度，降低离心泵进口因射流发生带来内流场紊乱，保证均匀引流，使流场更加稳定。出口管2上设有与控制单元12通信连接的电磁流量计6、出口压力传感器7，进口管1上设有位于环形补液器2上游且与控制单元12通信连接的进口压力传感器10、进口温度传感器11，电磁流量计6、出口压力传感器7、进口压力传感器10、进口温度传感器11用以将其所采集的信息传输至控制单元12，控制单元12还与电动调节阀9通信连接，用以控制电动调节阀9的启闭。

本发明的抑制离心泵空化的自动调节装置，其工作原理及工作过程为：

在离心泵在正常工作过程中，控制单元12会监测离心泵进口压力、出口压力及流量等数据，随后进行插值计算获得离心泵装置汽蚀余量NPSHa与必须汽蚀余量NPSHr，当发现NPSHa≤NPSHr时，判定离心泵处于空化初始或已空化状态。此时，控制单元12迅速做出响应，发送指令给电动调节阀9使其以2.5％的开度持续打开，直到出现NPSHa>NPSHr电动调节阀9停止动作，这样离心泵出口管5中的高压液体便经补液管8、环形补液器2引流至离心泵进口，从而提高离心泵进口压力、改善并抑制空化的发生。

本发明的抑制离心泵空化的自动调节装置，具体按照如下步骤实施：

SS1.将离心泵的整体性能样本数据，连同工作介质在不同温度与压力下的状态参数如饱和蒸汽压等一起预先存储在控制单元12；

SS2.通过电磁流量计6、温度传感器11、进口压力传感器10及出口压力传感器7分别测量当前离心泵的流量、进口压力、温度及出口压力数据，并将该数据传输至控制单元12；

SS3.控制单元12根据离心泵进口压力及温度插值计算得到当前状态的饱和蒸气压并预测离心泵的装置汽蚀余量NPSHa，根据离心泵整体性能样本数据通过插值计算当前流量下离心泵的必须汽蚀余量NPSHr；

SS4.若控制单元12判断NPSHa≤NPSHr，则离心泵已经发生空化，此时控制单元12发出指令给电动调节阀9，电动调节阀9按照2.5％的开度持续打开，直到出现NPSHa>NPSHr电动调节阀9停止动作；否则，控制单元12不发出指令，电动调节阀9一直处于关闭状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制离心泵空化的自动调节装置，包括一离心泵和一控制单元，所述离心泵包括一进口管和一出口管，所述进口管和出口管之间设置一带有电动调节阀的补液管，所述补液管的进口与所述出口管连通，其特征在于，

所述进口管上套设一环形补液器，所述环形补液器包括一环管以及与所述环管连通并沿周向均匀布置在所述环管内侧的多个支管，各所述支管的出口均与所述进口管在同一轴向位置连通，所述环管的外侧上还设置有一补液接口，所述补液接口位于相邻两所述支管的周向位置之间且所述补液接口与所述补液管的出口连通，

所述出口管上设有与所述控制单元通信连接的电磁流量计、出口压力传感器，所述进口管上设有位于所述环形补液器上游且与所述控制单元通信连接的进口压力传感器、进口温度传感器，所述电磁流量计、出口压力传感器、进口压力传感器、进口温度传感器用以将其所采集的信息传输至所述控制单元，所述控制单元还与所述电动调节阀通信连接，用以控制所述电动调节阀的启闭，

所述控制单元，根据离心泵进口压力及温度计算得到离心泵当前状态下的装置汽蚀余量NPSHa，并根据离心泵出口压力及流量计算得到离心泵当前状态下的必须汽蚀余量NPSHr，若NPSHa≤NPSHr，所述控制单元控制所述电动调节阀开启，直至NPSHa>NPSHr，关闭所述电动调节阀。

2.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节装置，其特征在于，当所述控制单元发出指令开启所述电动调节阀时，所述电动调节阀可连续打开。

3.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节装置，其特征在于，所述控制单元中预先存储有离心泵的整体性能样本数据及工作介质在不同温度与压力下的状态参数(如饱和蒸汽压)。

4.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节装置，其特征在于，所述控制单元在计算离心泵的装置汽蚀余量NPSHa、必须汽蚀余量NPSHr时，需要借助预先存储在其中的离心泵整体性能样本数据进行计算。

5.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节装置，其特征在于，所述环管上还设置有位于其底部的排污阀接口。

6.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节装置，其特征在于，所述环管上设置的支管的数目为4个，所有支管沿圆周方向均匀布置。

7.一种依据上述任一项权利要求所述的装置抑制离心泵空化的自动调节方法，所述方法应按照如下步骤进行：

SS1.将离心泵的整体性能样本数据，连同工作介质在不同温度与压力下的状态参数(如饱和蒸汽压)预先存储在控制单元；

SS2.通过电磁流量计、出口压力传感器、进口压力传感器、进口温度传感器分别获取离心泵当前的流量、出口压力、进口压力、进口温度等数据，并将该数据传输至控制单元；

SS3.控制单元依据不足SS预先存储的数据，并根据离心泵当前的进口压力、进口温度计算得到当前状态的装置汽蚀余量NPSHa，并根据当前流量计算离心泵的必须汽蚀余量NPSHr；

SS4.控制单元比较NPSHa、NPSHr的大小判断离心泵是否发生空化，若NPSHa≤NPSHr，则控制单元发出指令打开电动调节阀，直至NPSHa>NPSHr时，关闭电动调节阀。

8.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节方法，其特征在于，当所述控制单元发出指令开启所述电动调节阀时，所述电动调节阀可连续打开。

9.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节方法，其特征在于，离心泵的整体性能样本数据可以通过实验测试获得或通过数值模拟计算获得，性能样本数据包括水力性能及空化性能数据的离散点。

10.根据上述权利要求所述的抑制离心泵空化的自动调节方法，其特征在于，离心泵工作介质在不同温度与压力下的饱和蒸气压，可以给定拟合公式或数值离散点。