變頻測量軸流泵汽蝕性能的方法

吳煒鵬(中國石化安慶石化分公司 項(xiàng)目部，安徽 安慶 246000)

0 引言

軸流泵適用于大流量工況，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。涉及環(huán)管軸流泵是聚丙烯、聚乙烯等裝置的核心設(shè)備的一部分，基本上都屬于大流量大功率工況下運(yùn)行,汽蝕余量高。聚丙烯、聚乙烯廣泛應(yīng)用于包裝、制造、紡織和諸多民用消費(fèi)領(lǐng)域。泵的性能是核心設(shè)備和裝置工藝正常穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵。汽蝕余量是決定一臺(tái)泵吸入性能的好壞。當(dāng)泵發(fā)生汽蝕時(shí)[1]產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，由于泵汽蝕時(shí)，氣泡在高壓區(qū)連續(xù)產(chǎn)生后破裂，以及伴隨的強(qiáng)烈水擊而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)[2]，過流部件的腐蝕破壞。是因?yàn)樵谄g時(shí)氣泡凝結(jié)時(shí)金屬表面受到高頻600 Hz以上的沖擊，使金屬表面金屬晶粒出現(xiàn)松動(dòng)和剝落，汽蝕破壞除機(jī)械力作用外，還伴隨有電解、化學(xué)腐蝕等多種復(fù)雜作用。泵汽蝕時(shí)葉輪內(nèi)液體能量交換受到干擾和破壞，泵的性能會(huì)不穩(wěn)定和下降[3]。一種好的試驗(yàn)布置方式和試驗(yàn)方法是準(zhǔn)確驗(yàn)證性能參數(shù)關(guān)鍵。本文對(duì)準(zhǔn)確測量軸流泵汽蝕性能實(shí)驗(yàn)提供了一種新的思路，采用變頻測量軸流泵汽蝕性能的方法。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)的布置結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)布置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)清水在進(jìn)行測量汽蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)流動(dòng)方向如圖1箭頭所示，軸流泵通過25 Hz低頻轉(zhuǎn)速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，軸流泵葉輪對(duì)介質(zhì)清水做功。水池內(nèi)的清水通過進(jìn)口管道進(jìn)入軸流泵從出口管路又回到水池內(nèi)。

圖1 試驗(yàn)布置圖

1.2 性能試驗(yàn)

泵在25 Hz低頻轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)口壓力P1、出口壓力P2和流量Q能夠通過變送器傳輸?shù)娇刂剖遥诳刂剖覂?nèi)讀取同一時(shí)間的進(jìn)出口壓力、流量并記錄。通過進(jìn)出口壓力值可計(jì)算出該流量Q下的揚(yáng)程H值：

式中：H為泵揚(yáng)程(m)；P1、P2分別為進(jìn)口、出口壓力(Pa)；V1、V2分別為進(jìn)口、出口速度(m/s)；Z2-Z1為出口測壓與進(jìn)口測壓高度差(m)。

用測電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)儀器在聯(lián)軸器段測出轉(zhuǎn)數(shù)n，通過《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)》手冊中相似換算公式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)數(shù)下的參數(shù)。

式中：n為泵轉(zhuǎn)速(r/min)；Q為泵流量(m3/h)；D為葉輪外徑(mm)；后綴帶M為額定轉(zhuǎn)速下的參數(shù)。通過以上測試值計(jì)算出對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速下流量揚(yáng)程。

1.3 測量額定流量下對(duì)應(yīng)的實(shí)際揚(yáng)程

需要有對(duì)比性能下降3%的基礎(chǔ)點(diǎn)，額定流量下對(duì)應(yīng)的實(shí)際揚(yáng)程可以作為判斷汽蝕性能的基礎(chǔ)點(diǎn)。

額定點(diǎn)性能參數(shù)：流量QM=7 000 m3/h；揚(yáng)程HM=33 m；轉(zhuǎn)速nM=1 480 r/min；水密度ρ=998 kg/m3。

由于葉輪使用同一葉輪外徑D不變，25 Hz低頻轉(zhuǎn)速正常運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)測轉(zhuǎn)數(shù)為n=749 r/min，根據(jù)相似定律計(jì)算對(duì)應(yīng)25 Hz下流量：Q=7 000×749÷1 480=3 542 m3/h。

通過調(diào)節(jié)出口閥大小使流量達(dá)到換算額定點(diǎn)，進(jìn)出口壓力都是通過引壓管接到同一水平面通過壓力變送器讀取，故Z2-Z1=0出口測壓與進(jìn)口測壓高度差為0 m；測量讀取并記錄此時(shí)進(jìn)出口壓力P1=10.5 kPa、P2=95.77 kPa；由軸流泵進(jìn)出口管徑一樣，故進(jìn)出口速度V2=V1。則實(shí)際額定點(diǎn)揚(yáng)程：

作為判斷汽蝕與否的基礎(chǔ)點(diǎn)。

1.4 汽蝕出現(xiàn)點(diǎn)的判斷

測量計(jì)算完第一點(diǎn)性能后，通過變頻器依次提升0.5 Hz頻率，每次提升頻率運(yùn)行穩(wěn)定測量所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，相似換算出該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的額定測量流量[4]，調(diào)節(jié)出口閥開度使流量達(dá)到計(jì)算點(diǎn)，同時(shí)測量對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓力P1、P2。每次都計(jì)算出對(duì)應(yīng)實(shí)際揚(yáng)程，計(jì)算出的揚(yáng)程與所選基礎(chǔ)點(diǎn)進(jìn)行差值比對(duì)，當(dāng)揚(yáng)程下降3%點(diǎn)即為汽蝕點(diǎn)，發(fā)生汽蝕后在繼續(xù)兩次提升0.5 Hz頻率。此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)泵在提升同樣頻率時(shí)，性能成直線下降的趨勢。

2 汽蝕余量的計(jì)算和測量值

2.1 計(jì)算汽蝕余量的公式

泵是用來增加液體壓力的機(jī)器，液體從葉輪進(jìn)口到出口，壓力逐漸增加。但由于葉片進(jìn)口環(huán)流的影響，通常泵內(nèi)的最低壓力點(diǎn)通常發(fā)生在葉片背面進(jìn)口后部，由于此處的相對(duì)速度變大。進(jìn)口壓力損失和繞流引起的壓力降相對(duì)變大，另外由于葉片的彎曲，液體轉(zhuǎn)彎時(shí)離心力效應(yīng)，此處壓力低，當(dāng)此處壓力低于汽化壓力Pv時(shí)，則發(fā)生汽蝕[5]。

2.2 汽蝕余量的測量計(jì)算

根據(jù)不同頻率測量值依次計(jì)算出實(shí)際葉輪揚(yáng)程和汽蝕余量，并制作成如表1所示。

表1 軸流泵汽蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，在頻率升高到29 Hz時(shí)對(duì)應(yīng)實(shí)際轉(zhuǎn)速868 r/min，計(jì)算出規(guī)定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程為33.3 m。與判斷汽蝕與否的基礎(chǔ)點(diǎn)揚(yáng)程34 m差值百分比為：

在頻率升高到29.5 Hz時(shí)對(duì)應(yīng)實(shí)際轉(zhuǎn)速884 r/min，計(jì)算出規(guī)定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程為32.8 m。與判斷汽蝕與否的基礎(chǔ)點(diǎn)揚(yáng)程34 m差值百分比為：

根據(jù)在29 Hz下測量的數(shù)值，查表得知水在25℃下汽化壓力為3.16 kPa。根據(jù)公式(4)計(jì)算得汽蝕余量NPSH=31.94 m。計(jì)算結(jié)果顯示在頻率升高到29 Hz之后泵發(fā)生汽蝕。此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)泵在發(fā)生汽蝕后提升同樣頻率，性能成直線下降的趨勢。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果生成汽蝕曲線如圖2所示。

圖2 汽蝕試驗(yàn)曲線圖

2.3 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算汽蝕余量

何希杰教授根據(jù)國標(biāo)GB/T 13006規(guī)定的臨界汽蝕余量指標(biāo)曲線，通過回歸分析法得到軸流泵汽蝕余量公式：

式中：NPSH為泵汽蝕余量(m)；ns為泵比轉(zhuǎn)數(shù)(r/min)。

對(duì)一系列幾何相似的泵，性能之間的綜合數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)相等，其運(yùn)動(dòng)相似和幾何相似，可以找出之間相似關(guān)系的綜合數(shù)據(jù)，即比轉(zhuǎn)數(shù)ns：

式中：n為泵轉(zhuǎn)速(r/min)；Q為泵流量(m3/h)；H為揚(yáng)程(m)。

由經(jīng)驗(yàn)公式(7)和(8)計(jì)算得汽蝕余量：

2.4 閥開度對(duì)管阻損失

對(duì)于紊流流態(tài)的液體：

式中：Δp為被測閥門的壓力損失(MPa)；ζ為閥門的流阻系數(shù)；ρ為流體密度(kg/m2)；u為流體在管道內(nèi)的平均流速(m2/s)。

閥門元件的流體阻力，閥門的流阻系數(shù)ζ取決于閥門產(chǎn)品的尺寸、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)腔形狀等。可以認(rèn)為，閥門體腔內(nèi)的每個(gè)元件都可以看作為一個(gè)產(chǎn)生阻力的元件系統(tǒng)，閥門開度與阻力成反比關(guān)系。

在經(jīng)過閥突然擴(kuò)大會(huì)產(chǎn)生很大的壓力損失。這時(shí)流體部分速度消耗在形成渦流、流體的攪動(dòng)、發(fā)熱、管道振動(dòng)大、噪音大等方面。局部阻力系數(shù)與擴(kuò)大前管路截面積A1和擴(kuò)大后管路截面積A2之比的近似關(guān)系可用式(10)及式(11)表示。阻力系數(shù)如表2所示。

表2 阻力系數(shù)表

式中：ζ2為擴(kuò)大后管路內(nèi)介質(zhì)速度下的阻力系數(shù)；ζ1為擴(kuò)大前管路內(nèi)介質(zhì)速度下的阻力系數(shù)。

3 結(jié)語

文章是將變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)用到測量軸流泵或大流量泵汽蝕余量。通過每次增加0.5 Hz頻率，對(duì)泵性能換算到額定點(diǎn)與初始基礎(chǔ)值進(jìn)行差值對(duì)比，揚(yáng)程下降3%為汽蝕發(fā)生點(diǎn)所測量的汽蝕余量NPSH=31.94 m，根據(jù)國際規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算汽蝕余量NPSH3=32.6 m，兩者結(jié)果相差不大。如果要測量軸流泵或大流量泵汽蝕余量通過進(jìn)口閥來調(diào)節(jié)時(shí)，由于受閥的開度和流體突然擴(kuò)大，這時(shí)流體部分速度消耗在形成渦流、流體的攪動(dòng)、發(fā)熱、管道振動(dòng)大。對(duì)測量進(jìn)口壓力波動(dòng)大，無法準(zhǔn)確判斷軸流泵汽蝕發(fā)生點(diǎn)，所測的汽蝕余量不準(zhǔn)確。因此變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)用到測量軸流泵或大流量泵汽蝕余量時(shí)更加安全可靠，并且測量值準(zhǔn)確。并且對(duì)管道破壞性小。