化工生產用輸送泵的選型及應用*

劉 清,劉文彬,張宇飛

(北方稀土冶煉分公司(華美公司),內蒙古 包頭 014080)

0 引 言

北方稀土屬于重要的稀土冶煉分離加工基地,泵在稀土生產過程中可為料液輸送提供動力源,其用途較廣泛,使用數量較多。選擇適合生產線使用的輸送泵,能夠降低設備故障率,提高設備使用壽命,降低能源消耗,提高能效利用,從而實現降本增效和節能環保雙贏的目的[1]。當輸送泵選型不符合生產工況實際要求時,會導致設備損壞率提高,生產成本增加。

為滿足輸送泵選型的實際需求,筆者基于泵選型相關研究文獻中的科技成果和依據,結合實際生產運行過程中摸索的經驗,分析輸送泵選型的應用結果,以及選型過程中重點關注的因素,通過驗證其輸送泵選型方法的合理性,最終達到實現化工生產用泵的合理化選型目標。

1 輸送泵泵體選型

泵體選型不僅關系到生產效益能否正常發揮,而且對生產投資、運行效率、能源消耗、運行費用和安全等影響很大[2]。因此,泵體的參數選型是關鍵因素。文中重點對輸送泵流速和揚程的確定進行說明,并列舉實例進行進一步描述。

1.1 流速的確定

流量值是由生產工藝要求所確定的,但能否實現此流量下的輸送以及后續揚程的確定,就需要考慮工藝管道能滿足的最大流速,即管道內截面積是主要考慮的因素,如式(1)所示。

V=Q/S

(1)

式中:Q指清水的流量,m3/h;V指清水流過管道的流速,m/s;S指管道的內截面積,m2。

管道流速理論計算方法是通過凱利公式以及杜拉德公式計算獲得[3]。此類計算較為復雜,可采取另外一種方法計算。文中通過對現有生產料液進行實際檢測,獲得料液流速的實測值,剔除誤導值后作出統計分布圖,如圖1所示。分析其分布值可以發現輸送料液流速呈現一定的規律性,由此獲得流速的經驗值,并將經驗值參與管道截面積及揚程的計算,如表1所列。

表1 管道流速經驗值參考表

圖1 管道流速實測值分布圖

1.2 揚程的確定

在料液輸送的過程中,由于受到生產線的實際工況影響,揚程的計算會存在一定的差異性,采用現有的理論計算方法較難準確計算獲得。而通過引入一定的經驗值參與計算,就可以便捷地獲得揚程參考值,如式(2)所示。

H=K(ΔH+Hf+Hi+ΔP)

(2)

式中:K指安全系數經驗值,取值為1.25～1.50;H指清水的揚程,m;ΔH指高差,m;Hf過程阻力折算揚程,m;Hi指局部阻力折算揚程,m;ΔP指泵出口壓損折算揚程,m。

其中,Hf計算式為:

Hf=(L/d)V2/2g

(3)

式中:L指輸送管道長度,km;d指管道的內徑,m;g指重力加速度,m/s2。在輸送過程中,管道出現變徑的情況下,需要對不同管徑的管道逐一計算。

局部阻力Hi在輸送過程中指的是非直管段的管道附屬單元,如補芯、三通、逆止閥等類似管件,計算揚程的過程中需要考慮此部分的揚程損失,此外按照經驗值取一個管件揚程損失,取0.5 m。

在通常情況下,不考慮泵出口壓折算揚程,ΔP取值視為零,但在特定工況下,泵出口要有壓力的參與,則需要計算此部分揚程。例一是對輸送泵揚程確定進行的實例應用。

例一:生產線有一條輸送料液的管道,管道長度共計約2 683 m,其中DN100管道約438 m,DN150管道約2 245 m,彎頭43個,補芯7個,三通3個,逆止閥2個,料液密度1.38 g/cm3,介質輸送高差9.6 m,在不考慮泵出口壓折算揚程的情況下計算輸送泵的揚程。

過程阻力折算揚程計算為:

Hf1=(L1/d1)V2/2g=(0.438/0.1)×(2.5～4.0)2/
(2×9.8)=1.4～3.6 m

Hf2=(L2/d2)V2/2g=(2.245/0.15)×(2.5～4.0)2/
(2×9.8)=4.8～12.3 m

Hf總=Hf1+Hf2=6.2～15.9 m

局部阻力折算揚程為:

Hi=(43+7+3+2)×0.5≈27.5 m

輸送泵揚程計算為:

H=K(ΔH+Hf+Hi+ΔP)=(1.25～1.5)×[9.6+
(6.2～15.9)+27.5]≈54.13～79.5 m

由上述計算可知輸送泵揚程選擇范圍約在54.13～79.5 m之間,則揚程確定為超80 m即可以實現生產料液的輸送。

2 輸送泵電動機選型

輸送泵電動機的選型既要考慮滿足使用目的,也要考慮使用安全性[4]。生產需求及作業環境的影響決定著電動機的選型。文中結合生產使用及作業環境,對電動機功率的確定及安全運行進行總結介紹。

2.1 功率的確定

泵的功率分為輸入功率和輸出功率[5]。輸入功率指電動機作用于泵體上的功,輸出功率指輸送的介質在一定的時間內從泵體上所獲得的能量,如式(4)所示。

(4)

式中:Pe指輸出功率,kW;ρ指介質密度,kg/m3;Q指泵的流量,m3/s;H指泵的揚程,m;g指重力加速度,m/s2。泵效率的計算如式(5)所示。

η=Pe/PB

(5)

式中:PB指輸入功率,kW;η指泵的效率。

在計算電動機功率的過程中,需要保留適量的安全余量,如式(6)所示。

Pj=KPB

(6)

式中:Pj指考慮安全余量的電動機功率,kW;K指余量系數,余量泵數參考表2。

表2 余量系數參考表

在選配電動機功率時,需要使標準電動機功率比式(6)獲得的電動機功率值高一個檔次。例二是對輸送泵電動機選型進行的實例應用。

例二:在生產線上清水輸送時需要為一臺流量為100 m3/h、揚程為40 m、效率為82%的管道臥式離心式輸送泵進行電動機適配選型。

要滿足上述使用條件,需進行如下計算:

Pe=ρgQH/1 000=1 000×9.8×100×40/(1 000×
60×60)=10.89 kW

PB=Pe/η=10.89/0.82=13.28 kW

Pj=KPB=13.28×1.30=17.26 kW

在進行標準電動機功率進行適配時,需要滿足標準電動機功率大于計算電動機功率一個檔次,則可以得出選擇18.5 kW電動機最為合適。

2.2 作業環境對電動機選型的要求

輸送泵作業時,生產車間周邊的環境存在一定的差異性,為了能使輸送泵安全可靠地服務生產,需要考慮作業環境對電動機的影響[6]。

(1) 防護等級的選型確定

現場生產工況存在固體、液體的外部環境因素,為防止外部環境因素對電動機的運行產生負面作用而造成設備的損壞,需要考慮電動機的防護等級,防塵、防水等級可參考表3、4進行確定。

表3 防塵等級參考表

表4 防水等級參考表

(2) 絕緣等級的選型確定

使用不同的絕緣材料會導致電動機絕緣等級存在差異,為此電氣設備都規定了工作最高溫度[7]。依據最高作業溫度(表5)能確定電動機絕緣等級的選型,從而防止因工作溫度過高而損壞電動機薄弱的絕緣材料。

表5 絕緣等級參考表

(3) 防爆等級的選型確定

稀土冶煉分離作業場所中的原輔料含油、易揮發,且存在易燃粉塵,受其特性影響,需要杜絕爆炸、火災等易燃易爆的危險因素,特此在電動機選型方面就需要對防爆形式、防爆氣體種類、防爆使用環境及引燃溫度作出說明,參考表6～8。

表6 防爆形式參考表

表7 防爆使用環境參考表

在表8的使用場所Ⅱ類中,根據引爆能量可以細分為ⅡA、ⅡB及ⅡC,使用場所Ⅲ類又可以細分為ⅢA、ⅢB及ⅢC,ⅢA為可燃性飛絮,ⅢB為非導電性粉塵,ⅢC為導電性粉塵[8]。

表8 引燃溫度參考表

3 輸送泵其他因素的選型

輸送泵泵體及電動機的選型還需要考慮的因素有很多[9]。在現有研究中已涉及的方面較為廣泛,文中在上述探討之外,主要結合實際生產工況,對其他因素選型做補充說明。

(1) 當輸送泵葉輪輸送介質為渣漿類時,為方便日后清理,以及防止運行時堵塞,通常選擇開式葉輪;如果輸送介質較為清亮或固體顆粒含量較少時,建議選擇閉式葉輪。

(2) 考慮輸送介質的腐蝕性、易燃易爆性及其他特性,需要對泵體接液部分進行特定選材;甚至對于輸送易燃易爆物資的情況,還需對輸送泵做特殊靜電導出處理。

(3) 輸送泵機械密封形式、動靜環密封接觸面材質存在差異性,因而在特定的工況(如渣量、酸堿量及其他條件)下,需要考慮機械密封的選型。

(4) 因現場生產要求有所差異,還會存在工頻輸送或者變頻輸送的不同形式,這也會影響電動機的選型。當生產要求流量輸送有一定變化時,若使用工頻輸送配合閥門進行流量調節,則能效不能充分利用,同時造成設備的損壞;而在不考慮流量的調節時使用工頻輸送,則可節約電動機的成本費用以及變頻器附屬元件的成本投入。

4 結 語

輸送泵的選型需要考慮諸多因素。文中對部分選型因素的確定做了探討,提供了可參考的計算公式,方便了相關選型因素計算驗證;又根據生產工況的特殊性,結合作業環境對部分因素進行了試驗確定目的是在滿足生產系統對輸送泵選型要求的基礎上,不斷優化選型,確保輸送泵選型能夠達到最佳效果,使生產體系平穩運行。所研究結果可為同類產品的選型提供參考依據。