Nekaj ​​napačnih predstav o izbiri in uporabi centrifugalnih črpalk

Nakup visoko{0}}kakovostne centrifugalne črpalke, ki ustreza proizvodnim standardom, je le izhodišče in ne končni cilj za zagotavljanje dolgoročnega-delovanja-sistema brez težav. Če oprema ni zasnovana tako, da je združljiva s posebnimi scenariji uporabe, bodo tudi najbolj impresivni parametri delovanja neizogibno povzročili težave pri prilagajanju dejanskemu okolju. Vsaka centrifugalna črpalka ima prednastavljeno optimalno delovno točko in dovoljeno območje delovanja. Ko dejanski pogoji delovanja odstopajo od projektnih meja-bodisi v smislu pretoka, neto pozitivne sesalne višine (NPSH), značilnosti medija ali-metod zagona in zaustavitve-bo to neposredno ogrozilo hidravlično stabilnost, mehansko zanesljivost in življenjsko dobo črpalne enote.

Ta članek bo na podlagi izkušenj inženirske prakse razložil in razjasnil nekatere pogoste napačne predstave pri izbiri in uporabi centrifugalne črpalke, da bi preprečil, da bi uporabniki sprejemali slabe odločitve glede izbire izdelka in uporabe.

 

 

• Nekaj ​​pogostih napačnih predstav pri izbiri izdelkov

 

Večja kot je učinkovitost, bolje je

»Učinkovitost« je glavni indikator za merjenje hidravlične zmogljivosti črpalke in je tudi najbolj neposredna izhodiščna točka za uporabnike, da se osredotočijo na stroške porabe energije. Če pa si cilj maksimiranja učinkovitosti črpalke prizadevamo enostransko, je v fazi načrtovanja pogosto treba narediti več kompromisov, kar lahko vpliva na robustnost opreme in zanesljivost njenega dolgoročnega-delovanja.

Visoka učinkovitost, ki seveda pomeni nižjo porabo energije pri delovanju, je skupno pričakovanje uporabnikov in glavna gonilna sila nenehnih inovacij za proizvajalce črpalk. Šteje se za "cilj", ker sta v kritičnih pogojih delovanja, ki zahtevajo dolgo-neprekinjeno delovanje, kot so jedrska energija, termoelektrarne in petrokemične elektrarne, varnost in stabilnost (tj. zanesljivost) črpalnih enot vedno najpomembnejši.

Doseganje visoko{0}}učinkovite zasnove običajno vključuje več tehničnih značilnosti: manjše delovne razdalje (obrabni obroči, mehanizmi za uravnoteženje itd.), daljše in bolj prožne gredi črpalke, stroge zahteve glede tolerance in najbolj gladek možni profil pretočne poti. Medtem ko te zasnove do neke mere izboljšajo hidravlično učinkovitost, naredijo opremo tudi bolj občutljivo na čistočo medijev, nihanja v pogojih delovanja in poravnavo namestitve, s čimer povečajo pogostost vzdrževanja, dvignejo tehnične ovire in povišajo stroške rezervnih delov za uporabnike.

Proizvajalci se na podlagi različnih tržnih položajev in strategij izdelkov različno osredotočajo v svojih filozofijah oblikovanja črpalk: nekateri dajejo prednost energetski učinkovitosti, nekateri menijo, da je zanesljivost osrednje načelo, drugi pa si prizadevajo za izjemno-dolgo življenjsko dobo v ekstremnih pogojih delovanja. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja se je kitajski trg za proizvodnjo toplotne energije hitro razvijal in pritegnil številne mednarodno priznane dobavitelje črpalk za elektrarne. Večina proizvajalcev je uporabila varnost in zanesljivost kot tehnične ovire, vendar je eno tuje podjetje vstopilo na trg z "največjo učinkovitostjo v panogi" kot razlikovalno prednostjo. Čeprav je bil njegov prvotno izmerjeni izkoristek res za 1 % do 2 % višji od njegovih konkurentov, je po zagonu pogosto doživel nesreče z zlomom gredi in je bil sčasoma izrinjen s kitajskega trga električne energije. Ta primer globoko ponazarja, da centrifugalne črpalke niso nujno boljše, čim večja je učinkovitost; strategija načrtovanja, ki žrtvuje zanesljivost zaradi učinkovitosti, je enaka pitju strupa za potešitev žeje v kritičnih pogojih delovanja.

 

Nižja kot je zahtevana neto pozitivna sesalna višina (NPSH) črpalke, tem bolje.

Za uporabnike velja, da nižja kot je zahtevana neto pozitivna sesalna višina (NPSHR) črpalke, tem bolje, saj lahko to znatno zmanjša višino namestitve (tj. neto pozitivna sesalna višina NPSHA) in učinkovito zmanjša investicijske stroške.

V večini črpalnih sistemov se NPSHA ponavadi zmanjšuje z naraščanjem pretoka, medtem ko se NPSHR povečuje z naraščanjem pretoka. Zato je treba pred načrtovanjem sistema upoštevati priporočila proizvajalca črpalke in izkušnje z uporabo ter zagotoviti zadostno varnostno rezervo v okviru vseh pričakovanih delovnih pretokov. Hkrati morata kupec in prodajalec pri določanju neto pozitivne sesalne višine razjasniti razmerje med najmanjšim stalnim stabilnim pretokom in specifično hitrostjo sesanja črpalke. Na splošno se najmanjša neprekinjena stabilna stopnja pretoka črpalke povečuje s povečanjem sesalne specifične hitrosti ... Pri izbiri sesalne specifične hitrosti in varnostne rezerve NPSH je treba upoštevati obstoječe industrijske standarde in izkušnje proizvajalca.

Pri enaki hitrosti in pretoku je nižji NPSHR, večja je specifična hitrost sesanja črpalke. V primerjavi z zasnovami črpalk z nižjimi sesalnimi specifičnimi hitrostmi je večja verjetnost, da bodo črpalke z višjimi sesalnimi specifičnimi hitrostmi naletele na neželene vibracije in hrup, prav tako pa postane ožje dovoljeno območje delovanja. Kar zadeva vpliv sesalne specifične hitrosti na zanesljivost delovanja centrifugalnih črpalk, imajo mednarodni strokovnjaki bogate inženirske izkušnje z uporabo in so zagotovili najvišje omejitve za sesalno specifično hitrost, ki se lahko uporabijo kot referenca pri izbiri črpalk. Med njimi je omejitev za specifično hitrost sesanja, določena v UOP 5-11-7 [2], splošno priznana in uporabljena po vsem svetu, njene določbe pa so naslednje: specifična hitrost sesanja črpalke ne sme presegati 13000 (m3/h, vrt/min m); če je črpalni medij voda ali raztopina z vsebnostjo vode, ki presega 50 %, in moč enostopenjskega rotorja črpalke presega 75 kW, sesalna specifična hitrost ne sme presegati 11000 (m3/h, vrt./min, m). Z razvojem znanosti in tehnologije danes obstaja veliko načinov za izboljšanje sesalne zmogljivosti centrifugalnih črpalk brez povečanja vstopnega premera rotorja, temu primerno pa se je povečala tudi meja za sesalno specifično hitrost. Po študiju izdelkov številnih multinacionalnih podjetij (kot so EBARA, KSB, ITT itd.) je avtor ugotovil, da lahko tip BB2, zasnovan z uporabo sodobnih metod načrtovanja (namesto tradicionalne metode povečanja vstopnega premera rotorja), doseže omejitev sesalne specifične hitrosti približno 14.400 (m3/h, rpm, m).

Zato uporabniki ne bi smeli slepo slediti "nizkemu NPSH3", ne da bi upoštevali dejanske pogoje delovanja. Namesto tega bi morali sodelovati s proizvajalci, da bi pustili zadostno in razumno rezervo med neto pozitivno sesalno višino enote (NPSHA) in zahtevano neto pozitivno sesalno višino (NPSH3) črpalke, pri tem pa skrbno oceniti tveganja za stabilnost delovanja, ki jih lahko povzroči zasnova visoke sesalne specifične hitrosti.

 

Dlje ko je kritična hitrost črpalke od dejanske hitrosti, tem bolje.

Kritična hitrost se nanaša na značilno hitrost, pri kateri rotorski sistem resonira, njena vrednost pa je odvisna od togosti rotorja, togosti nosilca in porazdelitve mase. V dejanskih postopkih oddaje ponudb za inženiring zaradi pretiranega izogibanja resonančnim tveganjem kupci običajno zahtevajo, da je prečna kritična hitrost prvega-vrsti čim dlje od nazivne hitrosti črpalke (na primer zgodnja razpisna dokumentacija za običajne otočne črpalke za napajalno vodo v jedrskih elektrarnah je zahtevala, da mora biti "prva kritična hitrost sistema gredi črpalke v vodi višja od 125 % hitrosti, ki ustreza njeni nazivni delovni točki"). Nekaj ​​let kasneje so ta odstotek povečali na 135 %, na zadnjem razpisu pa je zahteval celo 150 %, ob tem pa še vedno izpolnjeval veljavne standarde energetske učinkovitosti.

 

Z dinamičnega vidika je dvig kritične hitrosti na točko daleč od območja delovne hitrosti povsem izvedljiv – preprosto s povečanjem premera gredi, skrajšanjem razpona ali povečanjem togosti nosilca. Vendar pa to neizogibno vodi do povečane teže rotorja, povečanih težav pri uravnoteženju in neposrednega konflikta s cilji energetske učinkovitosti: pod enakimi pogoji je višja kot je kritična hitrost, debelejši je sistem gredi in večja je izguba zaradi mehanskega trenja in izguba zaradi trenja diska, kar pomeni nižjo učinkovitost črpalke.

 

Zato je izbira kritične hitrosti v bistvu kompromis-med »dinamično varnostjo« in »hidravlično ekonomičnostjo«. Razmerje med kritično hitrostjo in nazivno hitrostjo črpalke je treba racionalno določiti na podlagi različnih tipov črpalk in pogojev delovanja.

 

Centrifugalne črpalke lahko prenašajo dvofazni tok-tekoče-plina.

Delovanje centrifugalnih črpalk z raztopljenim plinom vključuje zelo zapleten dvofazni tok plina-tekoče-faze, ki so ga obsežno preučevali domači in mednarodni raziskovalci. Izkušnje so pokazale, da lahko centrifugalne črpalke s posebnimi zasnovami rotorja (npr. pol-odprt zadnji pokrov rotorja s povratno odprtino blizu vstopa rotorja na pretočnem kanalu rotorja) ohranijo stabilno delovanje tudi pri vsebnosti plina 10 % (po prostornini). Navadne centrifugalne črpalke lahko delujejo s tekočinami, ki vsebujejo majhne količine plina (1 % do 2 % prostornine). Prisotnost majhne količine plina v tekočini lahko ublaži vpliv sesedanja mehurčkov zaradi kavitacije in zmanjša s tem povezan hrup, vibracije in poškodbe zaradi erozije. Ko pa vsebnost plina doseže 6 %, lahko običajne centrifugalne črpalke doživijo kavitacijo in pojav plinske zapore, kar vodi do močnega zmanjšanja zmogljivosti (stopnja pretoka, višina in učinkovitost).

 

• Nekaj ​​napačnih predstav pri uporabi

 

Omogoča dolgoročno-delovanje pod minimalno stalno stabilno stopnjo pretoka

Standard ANSI/API 610 opredeljuje najmanjšo neprekinjeno stopnjo pretoka-v stanju dinamičnega ravnovesja (MCSF) kot najmanjšo stopnjo pretoka, pri kateri lahko črpalka deluje neprekinjeno, ne da bi presegla mejne vrednosti vibracij, določene v standardu. Z drugimi besedami, če črpalka dlje časa deluje pod tem pretokom, bo takoj sprožila vrsto škodljivih fizikalnih procesov, vključno z notranjim povratnim tokom, kavitacijo, dodatnimi radialnimi silami (zlasti vidnimi pri eno-volutnih črpalkah) in povišano temperaturo tekočine. Ti lahko nato povzročijo verigo načinov okvare, kot so upogibanje gredi, obraba obrabnega obroča, ločitev končne ploskve mehanskega tesnila in nenormalno pregrevanje ležaja. Posledice so znatno povečanje mehanskih tresljajev in hrupa, ki lahko drastično skrajšajo življenjsko dobo mehanskih tesnil in ležajev ali celo povzročijo zlom gredi in hude poškodbe rotorja in spojnih komponent.

 

Pri dejanskem delovanju se pojavita dve pogosti napačni predstavitvi delovanja: Prvič, nekateri uporabniki zaradi pomanjkanja razumevanja priročnika za uporabo in vzdrževanje med zagonom zmotno menijo, da lahko centrifugalne črpalke delujejo dalj časa pod kakršnimi koli pogoji (vključno s pod minimalnim stalnim stabilnim pretokom ali celo ničelnim pretokom). Drugič, nekaj uporabnikov zaradi nerazumevanja garancijskih pogojev poskuša umetno ustvariti ekstremne pogoje delovanja v fazi zagona, da bi preverili "vzdržljivost" opreme. Takšni postopki predstavljajo destruktivno testiranje centrifugalnih črpalk, ki lahko povzročijo ne le takojšnje okvare, temveč tudi razvoj skritih napak, kot so razpoke zaradi utrujenosti, in jih je treba strogo prepovedati.

 

Zagon črpalke s popolnoma odprtim izstopnim ventilom pomeni zagon črpalke, ko je izstopni ventil popolnoma odprt.

V mnogih sistemih, ki zahtevajo dolgo{0}}neprekinjeno delovanje (kot so sistemi elektrarn), so običajno nameščene rezervne črpalke, ki so vedno pripravljene za zagon (črpalka je napolnjena z medijem; pomožni sistemi, kot so tesnila, hladilna voda in mazalno olje, delujejo). Če glavna črpalka odpove, se rezervna črpalka samodejno zažene. Zato mora biti izhodni ventil črpalke odprt, splošno znan kot "zagon odprtega ventila".

 

Mnogi kupci ali uporabniki imajo napačno predstavo o zagonu z odprtim ventilom: verjamejo, da to pomeni zagon s popolnoma odprtim izstopnim ventilom. To ni pravilno! "Začetek odprtega ventila" dejansko pomeni zagon z izstopnim ventilom pri določenem pretoku (kot je nazivni pretok). Običajno je stopnja pretoka, ki jo lahko prenese izhodni ventil črpalke v sistemu, veliko večja od nazivne stopnje pretoka črpalke. Če je izhodni ventil popolnoma odprt, bo črpalka delovala s previsokim pretokom, kar lahko povzroči vrsto težav, kot so kavitacija, vibracije, preobremenitev motorja ali neuspešen zagon enote.

 

Pravilen postopek je naslednji:Na podlagi krivulje delovanja črpalke in krivulje upora sistema vnaprej nastavite odpiranje izhodnega ventila na položaj blizu ustreznega delovnega pretoka in ga nato natančno-nastavite na podlagi odčitkov manometra in ampermetra po zagonu črpalke.

 

Tesnilo embalaže je mogoče neposredno zamenjati z mehanskim tesnilom.

Če za primer vzamemo centrifugalno črpalko tipa OH1/OH2, razlike med tesnili embalaže in mehanskimi tesnili niso samo v vrsti tesnjenja, ampak tudi v temeljnih razlikah v celotni strukturni postavitvi. Pri tesnilih tesnil, da bi zagotovili dovolj aksialnega prostora za namestitev tesnila, tesnilnih obročev, tesnilne uvodnice in območja za enostavno ročno upravljanje, morajo proizvajalci črpalk rotor namestiti daleč od ležaja, kar ima za posledico znatno povečanje konzolnega razpona rotorja L. Ko se črpalka zažene ali se gred odkloni zaradi največje radialne sile, tesnilo zaradi svoje določene radialne togosti podpore, objektivno deluje kot pomožni ležaj, postane del nosilnega sistema in zagotavlja podporo.

 

Preprosta odstranitev tesnila tesnila in zamenjava z mehanskim tesnilom brez ponovnega-preverjanja dinamike rotorja bo povzročila naslednja tveganja:

 

Pomanjkanje podpore:Mehanska tesnila nimajo funkcije tesnilnih tesnil kot "del podpornega sistema gredi". Ko dušenje in togost, ki ju zagotavlja tesnilo, izgineta, ko se črpalka zažene ali se gred upogiba, lahko upogib konca gredi preseže zmožnost sledenja mehanskega tesnila, kar neizogibno povzroči ločevanje površine tesnila, puščanje in neenakomerno obrabo. To skrajša življenjsko dobo komponent in lahko celo povzroči poškodbe ali okvaro opreme.

Prostorske motnje:Notranji premer tesnilne škatle (tesnilna votlina) v tesnilnem tesnilu je običajno manjši od velikosti votline, ki jo zahteva mehansko tesnilo. Ta ozek prostor ne zadošča, da bi mehansko tesnilo uporabilo centrifugalno silo, da vrže trdne delce s tesnilne površine, prav tako pa ne more zagotoviti zadostnega hladilnega prostora, kar povzroči pregrevanje, koksanje ali prezgodnjo odpoved tesnilne površine.

 

Zato je treba pri-centrifugalnih črpalkah s končnim sesanjem pri razmišljanju o prehodu na mehansko tesnilo najprej izvesti oceno dinamike rotorja, da se izračuna razmerje L³/D4. Tu je L razdalja (v palcih ali milimetrih) med središčem notranjega ležaja in središčem rotorja; D je premer gredi (v palcih ali milimetrih) na puši mehanskega tesnila. Ta vrednost mora biti manjša od 60 (ameriške enote) ali manjša od 2,0 v metričnih enotah, da se šteje znotraj sprejemljivega območja za upogib konca gredi mehanskega tesnila.

 

Dovoli preobrat

V mnogih kritičnih centrifugalnih črpalkah uporabniki običajno zahtevajo, da lahko črpalka prenese kratko-vzvratno vrtenje, ko pride do pogojev, kot je okvara izstopnega ventila ali okvara povratnega ventila, in da dovoljena vzvratna hitrost doseže nazivno hitrost. Z vidika rezerve vrtilnega momenta dinamike rotorja je to teoretično izvedljivo – pod pogojem, da se premer gredi, ključna povezava in protimatica preverijo glede na najvišji povratni navor. Vendar pa je v praktičnih inženirskih aplikacijah zaradi omejitev številnih dejavnikov, kot so stroški, energetska učinkovitost, varnost in zanesljivost, sistemi mehanskih tesnil in delovni pogoji, pogosto težko hkrati doseči optimalno zmogljivost naprej in hkrati zagotoviti opremi močno toleranco za vzvratno vožnjo.

 

Poleg tega "obrat", kot tipično stanje napake/nesreče, pogosto ni osamljen dogodek, ampak ga pogosto spremlja superpozicija ekstremnih situacij:

»Power Slip« Povratni povratni samozagon-:Ko oprema izgubi napajanje, izstopni ventil hkrati ne deluje pravilno in je črpalka v -hitrostnem vzvratnem vrtenju; če se napajanje nenadoma obnovi v kratkem času (tj. motor znova pospeši), je to enako nenadnemu zagonu črpalne enote med postopkom vzvratnega vrtenja. V tem času bo rotor črpalke izpostavljen vektorski superpoziciji pozitivnega navora in vzvratnega vztrajnostnega navora in se bo takoj soočil z udarno obremenitvijo skoraj dvakratnega nazivnega navora, kar lahko zlahka povzroči zlom gredi ali trganje elastičnega elementa sklopke.

Napaka pri izpiranju mehanskega tesnila:Pri mehanskih tesnilnih strukturah, opremljenih s črpalnimi obroči (vrtinčni tok), je smer črpanja strogo enosmerna. Pri vzvratnem delovanju črpalni obroč morda ne uspe vzpostaviti splakovalnega toka ali celo ustvari povratno tlačno razliko, kar povzroči prekinitev tekočine za izpiranje mehanskega tesnila. To pa povzroči suho trenje in toplotne razpoke na tesnilni površini, kar znatno skrajša življenjsko dobo mehanskega tesnila. Zato je treba, ko se črpalka obrne, mehansko tesnilo po zaustavitvi razstaviti in pregledati ter po potrebi zamenjati dinamične in stacionarne tesnilne obroče.

Napaka mehanizma proti-rahljanju:Če pritrdilni elementi na rotorju (kot so matice rotorja in protimatice ležajev) nimajo zanesljive zasnove proti-zrahljanja (npr. zanašajo se samo na torni navor brez mehanske blokirne strukture), lahko trenutni udarni navor, ki nastane zaradi obratnega vrtenja, povzroči, da se deli zrahljajo, premaknejo ali celo poškodujejo.

 

• Povzemite

Na podlagi zgornjih tveganj je priporočljiva strategija večstopenjskega nadzora: za ne-kritične delovne pogoje ali za kritične scenarije, kjer se je mogoče izogniti obratnemu vrtenju z zaklepanjem procesa, ni priporočljivo prisiliti črpalk, da imajo toleranco obratnega vrtenja; za kritične črpalke, ki morajo dopuščati vzvratno vrtenje, mora biti indeks povratnega navora jasno določen v fazi načrtovanja, proizvajalec pa mora izvesti posebno preverjanje trdnosti gredi in certificiranje proti -rahljanju pritrdilnih elementov, da zagotovi varnostno mejo.

 

Racionalnost izbire in uporabe centrifugalne črpalke neposredno določa stroške življenjskega-cikla in zanesljivost delovanja sistema črpalke. Na podlagi zgornje analize so glavni sklepi povzeti, kot sledi:

• Višja učinkovitost ni vedno boljša – visoko{0}}učinkovite zasnove so pogosto povezane z žrtvovanjem zračnosti obrabnih obročev, meje premera gredi in gladkosti pretočnega kanala. V kritičnih pogojih delovanja je treba dati prednost zanesljivosti.
• Nižji zahtevani NPSH ni vedno boljši – nizek NPSH3 običajno spremlja visoka specifična hitrost sesanja, kar vodi do ožjega delovnega območja in povečanega tveganja za vibracije. Izbira črpalke mora ustrezati NPSH sistema, specifična hitrost sesanja pa mora biti omejena v skladu s standardi, kot sta UOP in HI.
• Kritično hitrost je treba nastaviti razumno, ne pa zvišati na slepo – Povečanje kritične hitrosti je v negativni korelaciji z energetsko učinkovitostjo. Kritično mejo hitrosti za mokre rotorje je treba razumno izbrati glede na vrsto črpalke in standarde (kot je API 610), da se izognete prekomerni -zasnovi.
• Običajne centrifugalne črpalke imajo izjemno nizko toleranco za plinaste medije – Samo posebej izdelane črpalke lahko prenesejo 10 % vsebnosti plina. Običajne črpalke imajo poslabšanje delovanja nad 2 % in lahko pride do zračne zapore nad 6 %.
• Dolgotrajno delovanje pod minimalnim stalnim stabilnim pretokom je strogo prepovedano – konfigurirati je treba minimalne zaščitne ukrepe za pretok (kot so obvodni ali samodejni recirkulacijski ventili).
• Začetek odprtega ventila-navzgor ≠ Zagon polnega izstopnega ventila-navzgor – prednastavljena stopnja odpiranja se mora ujemati z nazivnim pretokom, da se izognete preobremenitvi in ​​kavitaciji. ● Tesnilnih tesnil ni mogoče neposredno zamenjati z mehanskimi tesnili – izvesti je treba izračune upogiba rotorja (L³/D⁴) in oceniti dinamični vpliv sprememb nosilne strukture.
• Pri vzvratnem vrtenju je treba ravnati previdno – ni potrebno, razen če je nujno potrebno; če je potrebno, je treba izvesti posebne preglede trdnosti in zasnove proti-zrahljanja.
• Industrijska prečiščena voda ni primerna kot hladilni medij za visoko{0}}temperaturne črpalke – priporočljiva je zmehčana voda ali para, izboljšati pa je treba upravljanje in vzdrževanje kakovosti vode.

 

Le z opustitvijo izolirane izbirne miselnosti "nadmočnosti parametrov" in vzpostavitvijo znanstvenega okvira-odločanja o "prilagajanju sistema, ujemanju delovnih pogojev in kompromisih-polnega življenjskega cikla" se je mogoče popolnoma izogniti zgoraj-omenjenim napačnim predstavam ter doseči učinkovito, stabilno in dolgo-delovanje sistemov centrifugalnih črpalk.