高壓液氨泵并聯運行流量脈動分析

(兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527)

往復式高壓液氨泵是尿素裝置中的主要設備之一，為典型的三柱塞單作用往復泵，一般配置為兩開一備。其作用是將氨庫來的液氨加壓后輸送至高壓合成系統，主要技術參數如下：

主機型號 3YA-28/16.5-TB

柱塞數量 3個

流量 14～28 m3/h

進口壓力 1.92 MPa

出口壓力 16.5 MPa

柱塞行程 150 mm

連桿長度 330 mm

減速機速比 10.2

電機型號 YBP315L-4

電機功率 185 kW

由于柱塞瞬時流量呈周期性變化的固有特性，加之在雙泵并聯運行過程中存在錯相位角和轉速復雜的組合操作，流量脈動控制難度較大，而流量脈動經由流體管路阻抗變為壓力脈動。在管道的彎曲部位、直徑變化的部位或通過控制閥等處，壓力脈動就會產生相應的隨時間而變化的激振力，激發管道系統發生振動，以致出現管道支撐裂紋、管道法蘭泄漏等安全問題[1]。因此，對雙泵并聯操作的流量脈動進行數據分析，尋求最佳的降低流量脈動的操作參數，降低壓力脈動對管道振動的影響，對機組的安全運行極為必要。

1 流量脈動計算的理論基礎

高壓液氨泵的工作原理如圖1所示，利用曲柄連桿機構將旋轉運動轉變成直線運動，推動柱塞往復運動，造成腔內容積變化[2]，完成液氨輸送。

1.1 單柱塞瞬時流量的計算

往復泵在單位時間內活塞的往復次數是恒定的，所以單位時間內輸送流體的體積是恒定的，但是活塞每一個沖程速度是變化的。往復泵活塞

圖1 高壓液氨泵曲柄連桿機構工作原理示意

往復位移X的計算公式[3]如下：

(1)

式中：φ為曲柄轉角，φ=ωt(ω為曲柄角速度=2πn；t為時間)；R為曲柄半徑；λ=R/L(L為連桿長度)。

由(1)式可推導出活塞往復速度u：

(2)

據(2)式可以推導出單缸單作用往復泵的瞬時理論流量Q：

(3)

式中：A為柱塞截面積。

1.2 單泵瞬時流量的計算

高壓液氨泵為三柱塞泵，曲柄錯角為120°，以柱塞A為基準，則柱塞B、C的曲柄轉角分別在柱塞A的基礎上加120°、240 °。

柱塞B的瞬時流量QAB：

QAB=Au

(4)

柱塞C的瞬時流量QAC：

QAC=Au

(5)

1.3 雙泵并聯瞬時流量的計算

設雙泵在同轉速條件下，錯相位角為θ，仍以A泵的柱塞A為基準柱塞。

B泵柱塞A的瞬時流量QBA:

QBA=Au

(6)

B泵柱塞B的瞬時流量QBB：

QBB=Au

(7)

B泵柱塞C的瞬時流量QBC：

QBC=Au

(8)

雙泵并聯瞬時流量的累加QL：

QL=QAA+QAB+QAC+QBA+QBB+QBC

(9)

1.4 流量不均勻系數的計算

流量不均勻系數(δq)是衡量流量脈動程度的指標，計算公式如下：

(10)

單泵運行，其最大瞬時流量Qmax出現在φ=π/6時，而最小流量Qmin出現在φ=0或φ=π/3時，則推導可得瞬時流量的平均值Qm：

(11)

雙泵并聯運行的流量不均勻系數，不同工況下變化較大，需用計算機編程計算。

2 Excel函數編程進行流量脈動模擬設計

因為計算本身并不包含循環語句的流程，只是一般的數學公式的應用，而Excel既具有強大的數據計算、分析及處理能力，還可以將數據以圖形、圖表的方式形象地表示出來，且可操作性強，簡單易懂，所以通過Excel對其進行程序化計算，是一種最為簡潔、高效的方法，主操作界面見圖2。

(1)基本參數部分。用于輸入基礎技術參數，如電機轉速、柱塞直徑、減速機速比、連桿長度、曲拐半徑等；主要操作參數，變頻比率和錯相位角；同時完成中間技術參數的轉化計算，如曲柄連桿比、柱塞行程、泵轉速等。

(2)過程計算部分。以10°為間隔單位，將柱塞的一個往復行程的曲柄轉角360°進行等分，利用已經推出的瞬時流量計算公式，首先分別計算A泵、B泵的瞬時流量，再進行雙泵并聯瞬時流量疊加。對于計算結果為負數的流量部分通過if條件語句進行歸零處理。

(3)流量曲線的模擬顯示。在界面的右側分別展示A泵、B泵和雙泵并聯瞬時流量的模擬曲線，使流量脈動分析更加直觀。

(4)主要計算結論數據。計算顯示A泵、B泵和雙泵并聯瞬時流量不均勻系數的中間值[如使用MAX()、MIN()和AVERAGE()函數計算出最大流量、最小流量、平均流量等]和終值、兩泵各自的主激振頻率、軸功率等相關參數。

圖2 操作界面圖

3 流量脈動疊加曲線分析

利用自行編制的Excel程序軟件，對雙泵并聯的組合工況進行模擬計算和分析，得出有關流量脈動的變化規律。

(1)單泵的流量不均勻系數不隨轉速的調整而變化，恒定為0.447%。

(2)雙泵錯相位角為零時，流量不均勻系數最大，為0.447%，且與兩泵的轉速無關。見圖3。

圖3 雙泵錯相位角為0°流量疊加曲線

(3)當雙泵在相同轉速下，錯相位角為70°時，并聯流量的不均勻系數最低，為0.212%。

(4)錯相位角在0～70°間，流量不均勻系數逐步降低至最小值0.212%；在70°～120°間逐步增大至最大值0.447%；同樣地，在120°～170°和240°～310°之間逐步降低，在170°～240°和310°～360°之間逐步增高。

(5)在錯相位角不變時，流量不均勻系數與雙泵轉速差值呈正比。

(6)在錯相位角為60°時，瞬時流量曲線疊加后徹底分散，曲線峰谷間隔均勻，與六柱塞泵曲柄錯角為60°(均分)時相同，為最佳分散相角。見圖4。

圖4 雙泵錯相位角為60°流量疊加曲線

(7)在錯相位角為60°，且雙泵均滿轉時激振頻率最大，為14.7。在錯相位角為60°，雙泵轉速相同時，轉速越低，激振頻率越低；雙泵錯相位角非60°，且轉速不相等時，為雙頻合成振頻。

4 結論及建議

多個往復泵并聯運行，流量脈動隨每次泵的開啟而有所變化，其結果不是流量脈動最大值或最小值的簡單疊加，而是符合一定的統計規律[4]。雙泵并聯操作時，錯相位角為零的高轉速是最惡劣的工況，在操作中應盡可能避免；而錯相位角為60°時，雙泵在相同轉速下流量曲線峰谷分散最為合理，且主機振動為波形單一的簡諧振動，使壓力脈動引起的液柱諧振和柱塞運動引起的機械共振更易于控制[5]。

采用電子耦合技術，可通過相角實時識別裝置與電動機、變頻調速器和PLC構成泵組閉環調速系統，可保證各泵相角差同步耦合，實現峰值分散的目的[6]。

對于未采用峰值分散技術的機組，在現場確認錯相位角不為零的情況下，應通過變頻器調整

雙泵轉速相同，盡可能降低流量不均勻系數。

在實際操作中，還應綜合考慮進排液閥、余隙容積、填料泄漏等方面因素對流量脈動的影響，全方位控制流量脈動造成的安全隱患[7]。

參考文獻：

[1]黨錫淇，黃幼玲. 工程中的管道振動問題[J]. 力學與實踐，1993，15(4)：9～16.

[2]凌學勤. 往復泵輸送礦漿峰值分散技術(上)[J]. 冶金設備，2003，24(3)：40～43.

[3]往復泵設計編寫組. 往復泵設計[M]. 北京：機械工業出版社，1987.

[4]邢志偉，蘇欣平，王立文，等. 往復泵并聯系統流量疊加的計算及仿真研究[J]. 機床與液壓，2009，37(5)：77～79.

[5]黃志堅，高立新，廖一凡等編著. 機械設備振動故障監測與診斷[M]. 北京：化學工業出版社，2010：1～7.

[6]凌學勤. 往復泵輸送礦漿峰值分散技術(下)[J]. 冶金設備，2003，24(4)：22～26.

[7]肖俊建，宋曉華. 雙缸雙作用隔膜泵脈動消減技術研究[J]. 農機化研究，2005，27(2)：221～223.