维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第１期 山东建筑大学学报 Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．１ Ｆｌｅｂ．２０ｏ８ 文章编号：１６７３—７６４４（２００８｝０１—００３４一ｏ４ 离心泵装置运行参数在线检测系统的研究 王龙，赵建莉 （山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南２５０１０１） 摘要：介绍了离心泵装置运行参数在线检测系统的基本原理与方法、计算程序流程，以及离心泵Ｑ— 、Ｑ一Ⅳ性能 曲线的拟合。比照分析试验表明，所研究的水泵运行参数在线检测系统在线实时检测显示水泵装置运行时的流 量、扬程、轴功率、效率等各项参数，具有较高的精度，可以较好的满足一般水泵站工程的实际应用。 关键词：离心泵；在线检测；运行参数；性能曲线 中图分类号：ＴＭ９３ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｉｅｓ Ｏｉｌ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ—ｐｍｎｐ ｎａｍｉｎｇ ｐａｒｍｎｅｔｅｒｓ ＷＡＮＧ Ｌｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ—ｌｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ５０１２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｅｎｔｉｒｆｕｇａｌ—ｐｕｍｐ ｎｍｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｕｒｖｅ ｉｆｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｑ—Ｈ、Ｑ—Ｎ ｐｅｒｏｆｉｍａｎｃｅ ｃｕｒｖｅｓ ｆ ｏｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ—ｐｕｍｐ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ—ｐｕｍｐ，ｓｕｃｈ ａｓ ｆｌｏｗ，ｈｅｉｇｈｔ，ｓｈａｆｔ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｗａｔｅｒ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ—ｐｕｍｐ；ｏｎ—ｈｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｒｔｍｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｐｅｒｆｏｉｍａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ０引言 离心泵装置运行参数在线检测系统，是在输入并固 １离心泵性能曲线拟合 １．１离心泵Ｑ一日性能曲线拟合 化需检测的离心泵Ｑ一日、Ｑ一Ⅳ曲线数学拟合方 程及其自身固有的某些特定参数的基础上，直接读 人由传感器传输的真空表、压力表读数及实际转速， 即可在线实时检测显示水泵装置运行时的流量、扬 （１）建立数学模型 通过直接观察离心泵的Ｑ一日曲线，可以看出 其函数表达式可以采用多种形式，如：多项式形式 程、轴功率、效率等各项参数，可有效的为指导水泵 装置优化运行提供可靠的基础数据，是提高各类水 泵站优化运行管理水平及运行效率的重要组成部分 和关键技术措施。 日＝∑ａｉＱｉ、抛物线形式Ｈ＝０一ｂ‘Ｑ 一、指数形 式Ｈ＝ｂ・ｍＱ等，每种形式都有不同的特点 ｌ Ｊ。此 处采用常用的多项式形式来拟合离心泵ｐ一日曲 线。 收稿日期１２．．００７—０９—１１ 作者简介：王龙（１９５２一），男，山东济南人，山东建筑大学市政与环境工程学院教授，主要从事给排水系统节能与优化及水处理技术研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 王龙等：离心泵装置运行参数在线检测系统的砸究 Ｎ＝Ｃ＋ ・ （２） 设拟合曲线为３次多项式，可将数学模型表示 为： Ｈ＝Ａ０＋Ａ１・Ｑ＋Ａ２・Ｑ ＋Ａ３・Ｑ （１） 式中：Ⅳ为水泵轴功率，ｋＷ；Ｃ，Ｂ，ａ为模型待定系 数。 （２）确定待定系数 式中：Ｈ为水泵扬程，ｍ；Ｑ为水泵流量，Ｌ／ｓ；Ａ。，Ａ ， Ａ：，Ａ 为模型待定系数。 （２）确定待定系数 此处可通过ＭＡＴＬＡＢ软件计算各待定系数。 ＭＡＴＬＡＢ是集数值计算、符号运算及出色的图形处 在离心泵ｐ一Ⅳ曲线上均匀取ｎ个不同的数 据点，待定系数Ｃ可由下列表达式表示： ｃ＝ 高 ㈤ 理、程序语言设计等强大功能于一体的计算软件，可 快捷地实现离心泵性能曲线拟合 ２］。 在ＭＡＴＬＡＢ环境下，它提供了较多快捷方式来 实现曲线拟合，对于多项式形式的拟合可直接调用 多项式拟合函数ｐｏｌｙｉｆｔ来实现。 该函数调用格式为：Ａ＝ｐｏｌｙｉｆｔ（ ，Ｙ，ｍ） 其中：参数 ，Ｙ为需要输入的原始数据；ｍ为拟合 多项式的次数，此处取ｍ＝３。调用后，返回多项式 系数Ａ的降幂排列。计算流程如图１。 开始 Ｉ 输入原始参数置 ｍ ｌ 调用函数Ａ＝ｐｏｌｙｉｆｔ（ｘ， ｍ） 返回待定系数 的降幂排列 ◆ ／保存： （４）ＡＩ＝Ａ（３） 、 ，＼ ２ （２）， ３ （１） ／ 图１ ｐ一日曲线拟合流程图 注：框图中所输入的参数 ，Ｙ分别为在ｐ一日 曲线的高效段及附近均匀选取的ｎ个点所对应的流 量（ＩＪ／ｓ）和扬程（ｍ），以向量形式输入；参数ｍ为多 项式的拟合次数，此处取ｍ＝３。 １．２离心泵Ｑ一Ⅳ性能曲线拟合 （１）建立数学模型 分析离心泵的ｐ一Ⅳ曲线后可知，采用抛物线 形式来表示其数学模型 ３］，有足够的精度，形式如 下： 式中：Ｎ叩为供水量，Ｑ叩＝、／／Ｑ。・Ｑ 的情况下，泵轴 所消耗的轴功率。 该数学模型并非多项式形式，但为了简化计算、 方便的求解待定系数，可将（２）式通过对数变换，化 为线性方程形式： Ｉｎ（Ｎ—Ｃ）＝ｌｎＢ＋口・ｌｎＱ （４） 令ｙ＝Ｉｎ（Ｎ—Ｃ）， ＝ｌｎＱ，ｂ＝ｌｎＢ，则（４）变为： Ｙ＝ｂ＋口・ （５） 此时，可以直接调用ｐｏｌｙｉｆｔ函数来实现其系数的求 解。但这里要注意，求出的是系数ａ，ｂ，需要将ｂ进 一步代换求出所需的 。计算流程如图２所示，图 中输入的参数 ，Ｙ分别为在ｐ一Ⅳ曲线上均匀选 取的ｎ个点所对应的流量（Ｌ／ｓ）和轴功率（ｋｗ），以向 量形式输入；参数Ｎ叩为流量Ｑ叩＝、／／Ｑ。・Ｑ 的情况 下，泵轴所消耗的轴功率。 １．３离心泵装置转速变化状态下的性能曲线数学 表达式分析 离心泵在运行过程中，因外电网电压的波动等 原因，将引起水泵机组转速的变化，由此，对应水泵 额定转速的Ｑ一日、Ｑ一Ⅳ曲线也将有改变，因此， 为了提高参数检测的精度，将（１）、（２）式分别引入转 速变化因素进行处理（对应用变速水泵调节的水泵 装置也需此处理）。 根据叶片式泵的比例律Ｌ４］，将公式（１）、（２）分别 变形为： （ Ａ０＋鲁・Ａ。・Ｑ＋Ａ：・Ｑ ＋ ｎ ｌ・Ａ３・Ｑ （６） Ｎ：（ ）ｎ１ ．Ｃ＋Ｂ． ｎ； ． （７） 式中：ｎ 为离心泵的额定转速，ｒ／ａｒｉｎ；ｎ：为离心泵 维普资讯 http://www.cqvip.com 山东建筑大学学报 ２００８正 开始 输入原始参数 ， ｕｐ Ｎ、 Ｎ —Ｎ：Ｐ Ｃ—Ｎ１＋Ｎ 一２‘ 品 １ｎ ）， Ｙ ＩｎＣｖ—Ｃ） ｌ 调用函数。 。 ｆ １） ｌ 返回拟合系数：。（１）、。（２） （保存： ｃ ｃ） 图２ Ｑ一Ⅳ曲线拟合流程图 运行时的转速，ｒ／ｍｉｎ。 ２离心泵装置运行扬程计算 水泵运行时的扬程精确计算公式如下： ＝ ＋ ＋ｚ＋ ㈦ 式中：Ｈ为运行中水泵扬程，ｍ； １－２为泵出口压力表 值，ｍ； 为泵进口真空（压力）表值，ｍ；ｚ为压力表 与真空（压力）表安装位置高差，ｍ；Ｖ 为泵出口处 （装表处）流速，ｍ／ｓ；Ｖ 为泵进口处（装表处）流速， ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度，ｍ／ｓ２。式中 的正负值选用 及ｚ值计算要根据水泵装置的进水形式正确确定。 将 ＝ ４．Ｑｊ，ｙ＝９８００ｋｇ／ｍ３，ｇ＝９．８ｍ／ｓ２代入 ．Ｄ（８）式，整理得： ： ＋ｚ＋ （壶一 １）‘Ｑ （９） 式中：Ｐ２，Ｐ 为分别为泵出口压力表、入口真空表读 数，ＭＰａ；Ｄ。为离心泵进口处（装表处）直径，ｍ；Ｄ 为离心泵出口处（装表处）直径，ｍ。 ３离心泵装置运行参数的确定 ３．１离心泵装置运行流量的确定 将式（６）和（９）联立，求解即可算出工况点的流 量Ｑ。 在输入Ｐ 、Ｐ 、ｎ 的基础上，求解方法可用数 值法或化为一元三次方程式求解。为了简便、快捷 的求出其解，可采用二分法原理并利用ＭＡＴＬＡＢ语 言编写出运行程序。 ３．２离心泵装置其他运行参数的确定 流量求出后，将其分别带入扬程、轴功率以及效 率公式后便可求出水泵装置运行时的其他参数。 扬程、轴功率公式分别见（９）、（７）式。 一 ＾ 效率：叩： ×１００％ 至此，在输入并固化需检测的离心泵ｐ一 、ｐ一Ⅳ 曲线数学拟合方程及其自身固有的某些特定参数 后，利用传感器输入真空表读数Ｐ 、压力表读数 Ｐ ，以及实际转速ｎ ，然后运行编写好的系统程序， 水泵装置运行参数（流量、扬程、轴功率、效率）的读 取即可完全由计算机完成，实现了非常规检测方式 下水泵运行参数的在线检测。计算流程如图３。 ４应用实例检测结果比照分析 采用一吸上式安装的离心泵装置进行在线检 测，并利用体积法测定流量、马达天平测功机测定 轴功率、结合真空表与压力表读数计算出扬程、在 此基础上求出效率，实测数据与在线检测结果如表 １。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 王龙等：离心泵装置运行参数在线检测系统的研 ３７ 图３离心泵装置运行参数求解流程图 注：图中Ｒｌ、Ｒ２初值分别为所检测流量范围的最小值和最大值 表１实测数据与在线检测数据比照分析 由表１中提供的５组数据进行比照分析，可以看 出该水泵运行参数在线检测系统的研究取得了较高的 精度，可以较好的满足一般水泵站工程的实际应用。 ５小结 水泵运行参数在线检测的研究，采用了在非常 （下转第６ｏ页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 山东建筑大学学 焊丝的表面状况有很大的关系。焊前准备包括焊口 和焊材清理和点固焊。焊前用丙酮将母材坡口两侧 （每侧不小于５０ｍｍ）的表面污染物进行清洗。焊丝 的清洗为先用砂纸打磨，再用丙酮和白布清理擦拭 干净。点固焊采用三点点固，焊点的长度为ｌ０～ １５ｍｍ。点固焊的要求与正式焊接相同，不能有裂 纹、气孔、夹渣、未熔合等缺陷，焊点对称分 布 引。 ３．２采用充氩方式，加强保护 图３工艺改进焊后镍管的ｘ射线检测图 采用充氩保护是为了防止气孔，同时也有利于 防止高温氧化。采用封堵管端头或采用水溶纸堵在 ４结论 焊缝两侧的方法形成气室，用微压的氩气赶走气室 中的空气。焊接时用注射用９号针头外接软管向气 针对低碳镍材料焊接过程中主要存在焊接热裂 室充氩。焊缝坡口间隙采用干净白布或软纸叠成条 纹、气孔和焊缝外观成形差等问题。工艺上采取加强 进行堵塞，使气室形成较高的氩气浓度，并采用边焊 焊前准备工作，对焊件进行预热处理，焊接过程中通 边揭的方法，以不烧白布和软纸为度。氩气的纯度 高纯度氩气加以保护，焊后对焊缝射线检测表明这些 要求不低于９９．９９％。 工艺方法的改进是切实有效的。基本上消除了焊缝 ３．３采用预热措施 中的热裂纹、气孔等缺陷，并且焊缝外观成形良好。 焊接气候条件对焊缝气孔影响相当大Ｌ５ Ｊ。当环 境气温低于１６￣（２时易产生气孔，这是由于坡口表面 参考文献： 存在冷凝水的缘故，使用丙酮擦洗也不能清除，焊前 ［１］牛玉宏．纯镍质管材Ｂ１６２ＵＮＳＮｏ２２００的现场焊接［Ｊ］．石油工程 必须预热；施焊时还要求空气相对湿度＜６５％。 建设，２０００，６（２）：４６—４９． ［２］谭聚生．镍钢复合板压力容器的制造［Ｊ］．稀有金属快报，２００１， ３．４焊后检测 １２（７）：２０—２２． 通过以上工艺措施的改进，我们对同一型号、材 ［３］洪波．低热裂纹敏感性纯镍铸铁焊条的研究［Ｊ］．机械工程材 料的镍管进行了焊接，并对其焊缝进行了１００％的ｘ 料，２００３，６（６）：２９—３２． 射线检测。如图３所示。图片显示焊后焊缝中消除 ［４］王国凡，王胜辉，韩蕾，等．钢结构厂房横梁开裂分析与修复 ［Ｊ］．山东建筑工程学院学报，２ＯＯ６，２１（２）：１８０—１８２． 了气孔、裂纹、未熔合等缺陷，焊接表面外观成形也 ［５］刘强，张惠芳，孟家其．管道焊接缺陷分析［Ｊ］．焊接技术， 较好。 ２００１，６（６）：５７—５８． （上接第３７页） 参考文献： 规检测方式下，对水泵的９一日、９一Ⅳ曲线进行 ［１］宋生奎，齐永生，胡利明．快速拟合离心泵性能曲线的两种方法 高精度的数学拟合，结合运行中水泵装置进、出口 ［Ｊ］．油气储运，２０００，１９（７）：４９—５１． 压力（真空）值、转速等有关数据，并采取了有效 ［２］胡良剑，孙晓君．ＭＡＴＬＡＢ数学实验［Ｍ］．北京：高等教育出版 社．２００６． 的提高检测准确度的技术措施，实现了水泵运行参 ［３］姜乃昌，秦戌生，李鸿禧．输配水系统技术经济计算及其电算应 数的在线检测，并达到了较高的精度。这为指导水 用［Ｍ］．湖南：湖南大学出版社，１９８６． 泵装置的优化运行、技术改造提供了良好的基础。 ［４］姜乃昌，金锥．水泵及水泵站［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８．