泵空化性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/陳海恩 楊巍 李嵐翔

PTA 裝置用G-410A/B 泵空化性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)——PTA裝置是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)精對(duì)苯二甲酸最常用的裝置之一，在其運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵設(shè)備G-410A/B泵頻繁出現(xiàn)故障現(xiàn)象。本文以G-410A/B泵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該泵在設(shè)計(jì)工況下時(shí)，泵內(nèi)部已出現(xiàn)少量氣泡，隨著流量的減小，氣泡量明顯增多；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該泵的振頻主要體現(xiàn)在流體激振，在高頻是出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的汽蝕現(xiàn)象；經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的新泵，無(wú)論是內(nèi)部流場(chǎng)，還是外特性均均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，汽蝕性能得到了明顯改善。研究成果能夠?yàn)轭?lèi)似泵高頻振動(dòng)分析提供參考。

圖1 原泵（FLOWSERVE）結(jié)構(gòu)示意圖

精對(duì)苯二甲酸（PTA）是合成聚酯的重要原料，主要是以對(duì)二甲苯（PX）為原料，醋酸為溶劑，在高溫、高壓下氧化生成的，廣泛應(yīng)用于日常生活中，是合成纖維的最主要的品種之一，占全球合成纖維總量的80%。今年來(lái)隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)精對(duì)苯二甲酸的需求量不斷增大，這也給我國(guó)PTA 裝置提出了更高的要求。G-410A/B 進(jìn)料加壓泵是PTA 裝置提供進(jìn)料、加壓的關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)精對(duì)苯二甲酸的生產(chǎn)起到了基礎(chǔ)保障作用，由某外資品牌商提供，該泵自安裝運(yùn)行以來(lái)一直存在高頻振動(dòng)，期間多次出現(xiàn)軸裂或斷、葉輪開(kāi)裂等故障。深入研究發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片設(shè)計(jì)不合理造成了在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流體介質(zhì)發(fā)生了空化，空化改變了主流的流體流動(dòng)，誘發(fā)高頻振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了空蝕加劇流體擾動(dòng)，是造成上述故障的主要原因。基于此，本文以某石化PTA 裝置中G-410A/B進(jìn)料加壓泵為研究對(duì)象，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)對(duì)現(xiàn)有泵空化性能進(jìn)行分析，找出空化產(chǎn)生的主要原因，提出相應(yīng)的性能優(yōu)化措施，為我國(guó)同類(lèi)泵型國(guó)產(chǎn)化改造提供參考和依據(jù)。

問(wèn)題描述

某石化PTA 裝置中G-410A/B進(jìn)料加壓泵的主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì) 流 量Q=690 m3/h， 正 常 流 量Q=592 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=98 m，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，汽蝕余量NPSHr=3.3 m，葉輪外徑D2 為585 mm，其外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。運(yùn)行介質(zhì)為未經(jīng)處理的TA 泥漿（Untreated TA Slurry），密度為ρ=1 085 kg/m3，介質(zhì)最大溫度為tmax=128℃。

故障描述

數(shù)值模擬

PTA 裝置中G-410A/B 進(jìn)料加壓泵自2015年投入運(yùn)行以來(lái)，一直存在高振動(dòng)而引起多次故障，主要體現(xiàn)在葉輪與耐摩盤(pán)接觸、軸裂或斷何葉輪開(kāi)裂。深入研究發(fā)現(xiàn)，該泵常溫水工況運(yùn)行振動(dòng)正常，當(dāng)泵在工藝介質(zhì)和工藝流量運(yùn)行時(shí)，泵的整體振動(dòng)大幅升高。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，泵的設(shè)計(jì)流量點(diǎn)為Q=690 m3/h，而泵的實(shí)際運(yùn)行流量為0.858Q（592 m3/h），該泵在小流量工況下運(yùn)行。由泵基礎(chǔ)理論可以知道，當(dāng)泵在小流量工況下運(yùn)行時(shí)易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，泵汽蝕余量計(jì)算公式如下：

式中，v1為葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度，m/s；w1為葉輪進(jìn)口相對(duì)速度，m/s；式中的 ，對(duì)進(jìn)口流態(tài)較為敏感（λ=0.15～0.4），當(dāng)液流沖角發(fā)生變化時(shí)，λ 取大值，在λ的表達(dá)式中，wk為空化位置處相對(duì)速度，m/s。由公式（1）可知，NPSHr 與v1和w1有關(guān)，減小v1或減小w1均能改善泵的汽蝕性能。由進(jìn)口絕對(duì)速度

可以看出，v1 與輪轂直徑dh、葉輪進(jìn)口直徑D1 和進(jìn)口排擠系數(shù)ψ1 有關(guān)。dh 和ψ1 值一般是不變的，汽蝕與與D1 有關(guān)。

圖2 不同流量下泵的汽蝕分布圖

圖3 泵的故障類(lèi)型

為了驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，本文借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)行數(shù)值模擬。主要采用有限體積法（Finite volume method）對(duì)CG-410A/B 進(jìn)料加壓泵內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，流體介質(zhì)的對(duì)流項(xiàng)采用高精度格式(High resolution scheme)，其他函數(shù)項(xiàng)采用中心差分格式（Central difference scheme）。邊界條件：進(jìn)口為壓力進(jìn)口，通過(guò)改變進(jìn)口壓力獲得泵的汽蝕性能；出口采用質(zhì)量流量出口，改變出口流量可以得到不同工況下汽蝕性能；壁面函數(shù)采用無(wú)滑移壁面，參考?jí)毫? Pa；旋轉(zhuǎn)部件（葉輪）與靜止部件（蝸殼）之間的能量傳遞采用“Frozen Rotor”方式連接，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4。通過(guò)上述計(jì)算方法得到泵的空化性能，如圖2所示。

圖4 G-410A/B 泵譜圖

圖5 優(yōu)化后的泵裝備示意圖

從圖2 中可以看到，當(dāng)泵在設(shè)計(jì)工況（Q=690 m3/h）下運(yùn)行時(shí)，泵進(jìn)口附近已經(jīng)出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象，有少量氣泡在葉片進(jìn)口附近出現(xiàn)，當(dāng)流量減小至640 m3/h 時(shí)，氣泡明顯增多，研軸向和徑向方向擴(kuò)展。當(dāng)流量進(jìn)一步減小，減小至泵現(xiàn)場(chǎng)工藝流量時(shí)（Q=592 m3/h）葉片內(nèi)部出現(xiàn)了大量氣泡，空化現(xiàn)象嚴(yán)重。

現(xiàn)場(chǎng)拆機(jī)檢測(cè)

G-410A/B 泵自2015年以來(lái)多次出現(xiàn)了故障，其中由故障拆機(jī)3次，其中故障類(lèi)型主要可以分為3類(lèi)，一是葉輪與耐摩盤(pán)接觸，如圖3（a）；二是主軸斷裂，如圖3（b）；三是葉輪開(kāi)裂，如圖3（c）。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泵運(yùn)行情況進(jìn)行了測(cè)試，獲得了G-410A/B 泵的頻譜特性曲線(xiàn)，如圖4 所示。

從圖4 中可以看到，G-410A/B泵的主要振動(dòng)頻率為6 倍頻葉片通過(guò)頻率，在3000 Hz 附近出現(xiàn)了高頻振動(dòng)，但此時(shí)的頻率幅值相對(duì)較弱，說(shuō)明此時(shí)泵內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生汽蝕，但汽蝕不是很?chē)?yán)重，還沒(méi)有擾亂主流，振動(dòng)頻譜尚未上升為主要因素。綜上所述，經(jīng)過(guò)上數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，判斷該泵在規(guī)定的介質(zhì)和操作條件下，基本處于汽蝕狀態(tài)。

汽蝕性能優(yōu)化

優(yōu)化措施

從上節(jié)可以得到，G-410A/B 泵反復(fù)出現(xiàn)故障的原因?yàn)槠g引起的高頻振動(dòng)。所以，在性能優(yōu)化方面，本文重新對(duì)泵頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，葉輪采用高抗汽蝕水力設(shè)計(jì)方法，降低泵的必須汽蝕余量，借助CFD 技術(shù)對(duì)泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，達(dá)到優(yōu)化的目的。其中，在高抗汽蝕葉片水力模型設(shè)計(jì)時(shí)，主要采取的措施有：

（1）增加了葉輪進(jìn)口直徑，減少進(jìn)口流速；

（2）增大了葉片進(jìn)口安放角，減少葉片的彎曲，增大葉片進(jìn)口過(guò)流面積，減少葉片的排擠；

（3）增加了葉片進(jìn)口寬度，進(jìn)口過(guò)流面積增加，減少進(jìn)口流速；

（4）增加了前蓋板的曲率半徑，減少前蓋板的流速和改善速度分布的均勻性；

（5）葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向進(jìn)口延伸并減薄，葉片提早接受液體的作用，增加葉片的表面積，減少葉片工作面和背面的壓差。

另外，在汽蝕性能優(yōu)化時(shí)，在保證現(xiàn)場(chǎng)工藝所需流量、揚(yáng)程重要工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，降低了設(shè)計(jì)流量（Q=530 m3/h、揚(yáng)程H=105 m），改善運(yùn)行過(guò)程中的泵的必須汽蝕余量NPSHr，降低至NPSHr=2.5 m。其中，優(yōu)化后的葉輪外形尺寸示意圖如5 所示。性能預(yù)測(cè)

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)優(yōu)化后的泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖6 所示。其中圖6（a）為壓力分布，圖6（b）為速度云圖，圖6（c）為速度矢量分布。從壓力分布圖可以看出，在葉輪進(jìn)口附近存在低壓區(qū)，隨著流體從進(jìn)口到出口的流動(dòng)中，壓力不斷增大；從速度云圖可以看出，整體速度分布相對(duì)較為均勻，高速區(qū)域主要出現(xiàn)在流體進(jìn)入葉片以后，隨著流道不不斷減小，速度逐漸增大；從速度矢量圖可以看出，整體速度矢量分布較為合理，但靠近葉片附近仍存在局部回流現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)壓力分布發(fā)現(xiàn)，該處的壓力遠(yuǎn)大于臨界空化壓力，不會(huì)發(fā)生汽室現(xiàn)象。

圖6 優(yōu)化后的泵葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分布

圖7 為新G-410A/B 泵 的試驗(yàn)性能曲線(xiàn)圖。從圖中可以得到，優(yōu)化后的泵揚(yáng)程和汽室余量均能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。此泵在泵體內(nèi)具有前后襯板（如圖5 所示），對(duì)在腐蝕、磨蝕程度高的工況中，只需更換前后襯板即可，增加了泵體、泵蓋的使用壽命。前襯板為可調(diào)式襯板，后襯板的調(diào)整可通過(guò)調(diào)整軸承前后調(diào)整墊的厚度，在葉輪及襯板發(fā)生磨損而導(dǎo)致泵性能下降時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)前襯板以及后襯板繼續(xù)使用，增加易損件的壽命，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

圖7 外特性曲線(xiàn)

結(jié)語(yǔ)

本文以某石化PTA 中的G-410A/B 加壓進(jìn)料泵為研究對(duì)象，采用了數(shù)值模擬方法對(duì)泵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況下的汽蝕性能進(jìn)行了分析，得到不同條件下的汽蝕分布，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泵振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試，得到了泵的頻譜特性曲線(xiàn)，獲得了泵頻繁故障的主要原因，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，泵葉片進(jìn)口附近已經(jīng)出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象，但氣泡量較少。隨著流量的減小，氣泡明顯增多，當(dāng)流量減小至現(xiàn)場(chǎng)工藝工況時(shí)，泵內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的汽蝕現(xiàn)象。

（2）優(yōu)化后的新葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分布相對(duì)較為合理，速度和壓力分布較為均勻，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)論是泵的揚(yáng)程還是必須汽蝕余量均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的G-410A/B 加壓進(jìn)料泵，自2018年10月裝機(jī)運(yùn)行后，運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象。本文研究結(jié)果能夠?yàn)轭?lèi)似的泵高頻振動(dòng)分析提供參考。