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2022-08-01 09:25:50 |
關(guān)于離心泵選型有很多說法和爭議，大部分討論涉及泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。這些討論中缺乏的是關(guān)于優(yōu)化意味著什么、如何實現(xiàn)以及優(yōu)化的結(jié)果是什么等共識。人們通常使用“優(yōu)化”來指代以下任何一種和全部的泵：
1）初期成本泵
2）耗能最少的泵
3）生命周期內(nèi)維護(hù)最少的泵
4）使用時間最長的泵
上述每一項都是指定泵的一個有價值的目標(biāo)。實現(xiàn)的越多，泵就越優(yōu)化。然而，這些目標(biāo)在現(xiàn)實世界中可能并不一致，也不可能同時滿足（泵沙龍補(bǔ)充）。
圖1：流動阻力對軸撓度和工作溫度的影響（圖片由Ruthman公司提供）
在泵送清潔流體的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子更容易對中。在涉及除水以外的流體或含有固體或空氣的應(yīng)用中，這種對中更難實現(xiàn)。
在優(yōu)化泵的選型之前，需要了解整個系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和流程。在目前的離心泵世界里，通常很少有非常糟糕的泵的設(shè)計。然而在隨后的用戶現(xiàn)場運(yùn)行中發(fā)生故障時，往往將責(zé)任歸咎于泵是很常見的。
泵和機(jī)械密封的故障通常很少是由于泵或密封設(shè)計不當(dāng)造成的。相反，絕大多數(shù)泵的過早失效是由以下原因造成的：
1）給定系統(tǒng)的泵選型不當(dāng)
2）系統(tǒng)運(yùn)行不當(dāng)（超出系統(tǒng)的原始要求）
3）安裝不當(dāng)
本文將重點(diǎn)介紹泵的選型和運(yùn)行。雖然正確安裝對泵的成功運(yùn)行至關(guān)重要，但由于受到篇幅的限制，安裝并非本文討論的問題。
泵運(yùn)行的界定
要了解如何實現(xiàn)泵選型，首先必須了解泵運(yùn)行是什么樣的。
泵制造商通過性能測試確定每種型號泵效率，該點(diǎn)稱為效率點(diǎn)（BEP）。在BEP處，最少的流體被旁通回低壓（泵吸入）側(cè)。此時泵運(yùn)行最平穩(wěn)，通過泵的流量最純凈（無旁通、無內(nèi)部回流 - 泵沙龍注），泵軸承上的徑向負(fù)載最小。
在正常運(yùn)行期間，一個好的經(jīng)驗法則是離心泵始終在BEP的50%到120%之間運(yùn)行。這個范圍的原因是基于設(shè)計的物理原理。該區(qū)域的運(yùn)行確保了最可靠的運(yùn)行運(yùn)行效率，同時具有軸承負(fù)載、湍流和振動。
圖2：性能曲線上相對于BEP不同位置的徑向負(fù)載和軸偏轉(zhuǎn)量
如果流量因系統(tǒng)中的限制而減少，對于蝸殼式泵，則在殼體蝸舌（cutwater）之后的位置會形成一個相對低壓的區(qū)域。這會產(chǎn)生一個力，使葉輪和軸在泵旋轉(zhuǎn)時偏向該區(qū)域。
相反，則在蝸舌之前會產(chǎn)生一個低壓區(qū)，導(dǎo)致軸和葉輪向該低壓區(qū)偏轉(zhuǎn)。
這兩種情況都不利于泵和機(jī)械密封的健康。圖1顯示的是在這些條件下殼體內(nèi)的合成壓差。
這種壓差會導(dǎo)致軸偏轉(zhuǎn)、振動和軸承負(fù)載增加。圖2顯示了相對于BEP不同位置轉(zhuǎn)子所承受的徑向載荷和軸偏轉(zhuǎn)量的大�。ňG色最小，深紅色區(qū)域-泵沙龍注），徑向載荷和最小軸偏轉(zhuǎn)量在泵的BEP附近。
從表面上看，在BEP處選擇適合應(yīng)用工況的泵將是選擇，但這是基于系統(tǒng)永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)波動的情況下。在現(xiàn)實世界中，很少有泵在與性能測試相同的受控條件下運(yùn)行。泵系統(tǒng)在運(yùn)行期間通常會發(fā)生變化（或者出現(xiàn)較大波動-泵沙龍注）。正是這種變化或波動往往沒有得到考慮，且沒有轉(zhuǎn)達(dá)給泵設(shè)計工程師。
使用僅根據(jù)BEP選型的泵，流量波動可能導(dǎo)致泵在BEP之外運(yùn)行。從BEP來看，只需要出現(xiàn)20 %的偏離就可以在曲線上走得太遠(yuǎn)，從而增加徑向載荷并可能產(chǎn)生汽蝕。因此，將選擇目標(biāo)定在BEP的85 %左右，這允許BEP左右35 %的系統(tǒng)波動，而不會超出可接受的50 %到120 %的運(yùn)行窗口。
圖2顯示了泵曲線上運(yùn)行范圍。綠色區(qū)域包含50 %到120 %的窗口，當(dāng)偏移至曲線兩側(cè)的紅色區(qū)域時，泵的運(yùn)行將變得越來越不穩(wěn)定。請注意，在泵進(jìn)入非（效率）區(qū)且可能在引起問題的運(yùn)行之前，往往距離BEP較近。
圖3：泵曲線上相對于BEP的推薦運(yùn)行區(qū)域
為系統(tǒng)選擇泵
既然已經(jīng)確定了性能曲線上運(yùn)行范圍，那么選擇優(yōu)化的泵就變得相對容易。
通常，僅僅根據(jù)一個特定的流量和揚(yáng)程來選擇泵是不夠的。相反，應(yīng)考慮泵在運(yùn)行期間將經(jīng)歷的所有工作條件及運(yùn)行范圍。對于很多通用且非常普通的離心泵來說，通常沒有傳感器或流程控制，它的職責(zé)只是盡可能多地輸送液體。
泵輸送液體的量受流動阻力、泵的物理容量以及進(jìn)入泵的流量的限制。離心泵只是簡單地旋轉(zhuǎn)并在離心力的作用下移動液體，而不考慮預(yù)期的流量或預(yù)期的壓力。
例如，如果一個系統(tǒng)包含一只過濾器，則該過濾器的存在所呈現(xiàn)的設(shè)計點(diǎn)極限值將是過濾器清潔時和過濾器臟時。在該范圍內(nèi)運(yùn)行給系統(tǒng)帶來的壓力波動可能是很大的，造成的揚(yáng)程損失可能高達(dá)到10米以上。
例如，如果某個應(yīng)用要求管道系統(tǒng)末端流量為100 gpm，揚(yáng)程200 ft，那么泵的設(shè)計必須能夠克服管道系統(tǒng)內(nèi)的所有損失，包括一只可能臟的過濾器。假設(shè)過濾器干凈時整個系統(tǒng)損失10 ft，過濾器變臟時損失60 ft，那么泵設(shè)計工程師需要在兩種情況下確定泵的規(guī)格：揚(yáng)程210 ft 時100 gpm和揚(yáng)程260 ft時100 gpm。
然而，泵將在較低的揚(yáng)程條件下產(chǎn)生更多的流量。隨著流量的增加，磨擦損失也會隨之增加。因此，需要了解較高流量下的系統(tǒng)損失，才能得出較高流量運(yùn)行點(diǎn)的估計值。如果可能，兩個工況（干凈和臟的）點(diǎn)都應(yīng)在BEP窗口的50 %到120 %的范圍之內(nèi)。
在系統(tǒng)設(shè)計和泵選型過程中，由于無法完全了解或預(yù)測實際情況下的全部運(yùn)行條件，系統(tǒng)工程師通常會增加適當(dāng)?shù)摹坝嗔俊币赃m應(yīng)這種變化。
如果應(yīng)用需要100 gpm的流量，則可能會增加20 gpm的余量作為安全系數(shù)，從而選擇120 gpm的泵。此外，如果已知設(shè)計中可能出現(xiàn)的極限情況，例如上述場景中描述的系統(tǒng)過濾器變臟的情況下的可能性，則可能在200 ft的基礎(chǔ)上增加60 ft的揚(yáng)程。
有了這個余量，系統(tǒng)設(shè)計師可能會指定一種泵，在260 ft的揚(yáng)程下產(chǎn)生120 gpm的流量。當(dāng)泵安裝到系統(tǒng)中且系統(tǒng)沒有提供預(yù)期的液體流動阻力時，就會出現(xiàn)問題。設(shè)計人員最終獲得了比預(yù)期更大的流量，并且泵可能在所需的效率窗口之外運(yùn)行。
在推薦的窗口之外運(yùn)行時
正是系統(tǒng)本身的可變性造成了許多選型不良的泵的安裝和運(yùn)行。在許多情況下，并非所有系統(tǒng)條件都已經(jīng)被考慮或充分預(yù)測。如果是這種情況，泵可能會在建議的50 %到120 %的BEP窗口之外的區(qū)域運(yùn)行。此外，在所有運(yùn)行點(diǎn)都需要滿足泵的必需汽蝕余量NPSHR和最小浸沒深度。
當(dāng)泵在推薦的窗口外運(yùn)行時，會發(fā)生不良情況：汽蝕、過度振動和夾帶空氣。通常是這些因素的組合，所有這些因素都可能會給泵帶來傷害。
在高流量條件下（大于BEP的120 %），由于裝置汽蝕余量NPSHA隨著流量的增加而減少，而泵的必需汽蝕余量NPSHR增加，因此維持足夠的NPSH裕量可能成為一個問題。在高流量條件下，軸承的徑向載荷也會迅速增加。
在低流量條件下（小于BEP的50 %），泵仍然試圖移動（輸送）大量流量，但系統(tǒng)中的限制迫使一部分流量從高壓側(cè)（泵吐出側(cè)）返回到低壓側(cè) - 泵的吸入側(cè)。這種反向流動會導(dǎo)致泵中出現(xiàn)過度的湍流和振動。低流量條件也會導(dǎo)致軸承上的徑向載荷迅速增加。
這些情況通常會導(dǎo)致機(jī)械密封、聯(lián)軸器、軸承和泵的其它零部件過早失效。零部件故障并非因為其設(shè)計制造質(zhì)量的原因，而是泵的運(yùn)行工況所引起的。
特殊工況的選型設(shè)計
泵的選擇涉及一系列權(quán)衡。在清水應(yīng)用中，需要的權(quán)衡是最少的。大多數(shù)離心泵都可以輸送清水，通常會在預(yù)期的流量和壓力下運(yùn)行。在優(yōu)化中，目標(biāo)是選擇效率高（意味著損失少）和運(yùn)行可靠的泵。
在非清水和其它具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，高固體含量、大固體、夾帶空氣或異常的吸入條件會妨礙選擇典型的離心泵。
在這些系統(tǒng)中，實際運(yùn)行工況將與預(yù)期流量和壓力有很大的波動。
在這些苛刻的工況下，可能需要在較低的效率下進(jìn)行權(quán)衡，以獲得在這些工況下運(yùn)行所需的設(shè)計特征。
在這些應(yīng)用中，因泵送流體的特性，可能會用到過濾器、硬度高的材料制成的過流零件、開式葉輪或其它特殊設(shè)計（如帶襯里），從而導(dǎo)致泵運(yùn)行效率降低。
如果極端條件的波動無法最小化，選擇可能是超出標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計。無密封泵、渦流泵和變速驅(qū)動都是更適合廣泛運(yùn)行工況的選項。
無密封泵
機(jī)械密封故障是導(dǎo)致泵停機(jī)而進(jìn)行維修的最普遍原因之一。一些泵業(yè)專業(yè)人士估計，85 %的泵維修是由于機(jī)械密封失效造成的。
機(jī)械密封在運(yùn)動、振動、溫度波動、夾帶空氣和流程介質(zhì)累積的惡劣應(yīng)用中有損壞的風(fēng)險，無密封泵完全了這一問題組件，而是采用隔離套/屏蔽套來取代機(jī)械密封的功能。
雖然立式無密封泵并不適用于所有應(yīng)用，但它在各種具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中都能成功運(yùn)行 - 即使是那些具有高固體含量或高溫流體的應(yīng)用。
在這種情況下，權(quán)衡是最小的。維護(hù)成本和可靠性方面的主要優(yōu)勢彌補(bǔ)了任何初始改造成本。
渦流泵
渦流泵的工作窗口比典型的離心泵更寬。由于其設(shè)計物理特性，它們可以處理一定量的空氣夾帶和固體。在運(yùn)行中，即使在極端運(yùn)行工況下，它們也不會對軸和軸承產(chǎn)生多少徑向載荷。
然而，與典型離心泵相比，泵效率相對較低。
在許多情況下，為了延長泵的使用壽命，這種效率損失是可以接受的權(quán)衡。
變頻驅(qū)動
變頻驅(qū)動通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，使運(yùn)行更加靈活。通常，這種轉(zhuǎn)速變化可以確保泵的運(yùn)行保持在推薦的BEP窗口內(nèi)。在前一示例中，較低的轉(zhuǎn)速可能有助于設(shè)計者將泵保持在運(yùn)行窗口，即使在清潔過濾器的較低阻力、較高流量條件下也是如此。
包含變頻驅(qū)動并不能解決所有問題，但它確實減輕了系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行工況變化的影響。在某些應(yīng)用中，購買和安裝成本是一個可接受的權(quán)衡方案，以實現(xiàn)更多的無故障運(yùn)行。
總結(jié)
關(guān)于泵的優(yōu)化，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因為它是特定于每種應(yīng)用的目標(biāo)和運(yùn)行工況的。只有對BEP范圍、實際運(yùn)行工況及用戶的預(yù)期目標(biāo)具有充分的了解，才有可能對泵及系統(tǒng)進(jìn)行良好的優(yōu)化，并使初始成本、能耗、維護(hù)要求和使用壽命之間保持適當(dāng)?shù)钠胶狻?br />
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