謝小青
(上海電氣凱士比核電泵閥有限公司,上海 201306)
吸入比轉(zhuǎn)速解讀及其對(duì)離心泵性能的影響
謝小青
(上海電氣凱士比核電泵閥有限公司,上海 201306)
從吸入比轉(zhuǎn)速的定義及其限定值的來歷著手,收集匯總了不同的泵標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及不同的國(guó)際型泵公司對(duì)離心泵吸入比轉(zhuǎn)速限值的規(guī)定,深入研究了吸入比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能及可靠性的影響,并列出了改善離心泵吸入性能的方法。
吸入比轉(zhuǎn)速;解讀;限值;性能及可靠性
吸入比轉(zhuǎn)速又稱汽蝕比轉(zhuǎn)速,是一個(gè)與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。離心泵的吸入性能是泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)極為重要的考慮因素,吸入性能不僅直接影響到用戶的投資成本,而且對(duì)泵組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)帶來顯著影響。
國(guó)內(nèi)外泵設(shè)計(jì)手冊(cè)或泵相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中,通常只給出了吸入比轉(zhuǎn)速的定義及計(jì)算公式,有些手冊(cè)中也給出了不同范圍內(nèi)吸入比轉(zhuǎn)速的值與泵抗汽蝕性能及效率之間的大致關(guān)系,至于其值的大小對(duì)離心泵全流量范圍內(nèi)的性能及安全可靠性的影響并未涉及。然而,在工程實(shí)踐中,吸入比轉(zhuǎn)速值的大小卻實(shí)實(shí)在在地影響到了泵的性能及安全可靠性。為此,不少國(guó)內(nèi)外工程公司或設(shè)計(jì)院會(huì)根據(jù)UOP規(guī)范[1]、SH/T3139[2]或SH/T3140[3]等標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)泵的吸入比轉(zhuǎn)速所規(guī)定的限值來判斷一臺(tái)泵的設(shè)計(jì)是否合理;超過上述規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中限定值的范圍時(shí),便認(rèn)為泵設(shè)計(jì)不合理。這樣的理解及操作方式未免過于簡(jiǎn)單。筆者認(rèn)為有必要對(duì)此進(jìn)行解讀,并就其對(duì)離心泵的性能及安全可靠性的影響進(jìn)行研究。
1.1 API610標(biāo)準(zhǔn)第11版附錄A對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的定義
吸入比轉(zhuǎn)速S,是在最大葉輪直徑和給定轉(zhuǎn)速下、以最佳效率點(diǎn)的流量來計(jì)算的,是一個(gè)與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。吸入比轉(zhuǎn)速是衡量一臺(tái)離心泵對(duì)內(nèi)部回流的敏感程度的評(píng)估尺度。公式定義如下:
式中,n為轉(zhuǎn)速,r/min;Q為流量,m3/s(US制:加侖/分鐘);對(duì)于單吸葉輪,Q為總流量,對(duì)于雙吸葉輪,Q為總流量的一半;NPSH3為必需汽蝕余量,m(ft)。
另外,將用公制單位推導(dǎo)出的吸入比轉(zhuǎn)速乘以系數(shù)51.64就等于美制單位的吸入比轉(zhuǎn)速,美制單位通常用符號(hào)Nss表示吸入比轉(zhuǎn)速。
解讀如下:公式中的Q為最大葉輪直徑、給定轉(zhuǎn)速下、最佳效率點(diǎn)的流量,當(dāng)為單吸葉輪時(shí),Q為總流量;當(dāng)為雙吸葉輪時(shí),Q為總流量的一半。
公式中的NPSH3為給定轉(zhuǎn)速及最佳效率點(diǎn)流量下、最大葉輪直徑所對(duì)應(yīng)的(揚(yáng)程下降3%)必需汽蝕余量。工程實(shí)踐中,對(duì)于低比轉(zhuǎn)離心泵,相同轉(zhuǎn)速、不同葉輪直徑下所對(duì)應(yīng)的泵的必需汽蝕余量是不同的,最大葉輪直徑所對(duì)應(yīng)的必需汽蝕余量最小,而最小葉輪直徑所對(duì)應(yīng)的必需汽蝕余量最大。
公式中的吸入比轉(zhuǎn)速S或美制的Nss均為無量綱。
1.2 EN 12723[4]對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的定義
德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速nss的定義是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12723來確定的,吸入比轉(zhuǎn)速主要用于判定離心泵的吸入性能。吸入比轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)單位是r/min,其數(shù)值可以通過下述方程式得出:
式中,n為泵的轉(zhuǎn)速,r/min;Qopt為最佳效率點(diǎn)的流量,m3/s;對(duì)于雙吸葉輪,Qopt指葉輪每側(cè)的最佳效率點(diǎn)的進(jìn)口流量;NPSH3opt為在最佳效率點(diǎn)流量和第一級(jí)葉輪最大直徑下,揚(yáng)程下降3%時(shí)的必需汽蝕余量,m。
對(duì)于美制單位,吸入比轉(zhuǎn)速用Nss表示,與nss的關(guān)系為:Nss=51.6nss
解讀如下:歐洲標(biāo)準(zhǔn)的吸入比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式與API610標(biāo)準(zhǔn)相同,只是對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速賦予了量綱,其單位是 r/min。另外,需特別指明的是,NPSH3opt為在最佳效率點(diǎn)流量和第一級(jí)葉輪最大直徑下,揚(yáng)程下降3%時(shí)的必需汽蝕余量。在這一點(diǎn)上,歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的定義更嚴(yán)謹(jǐn)。
另外,美國(guó)水力學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/HI 1.3[5]對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式與API610標(biāo)準(zhǔn)完全相同,只是對(duì)NPHS3的定義更明確:指在最高效率點(diǎn)流量、給定轉(zhuǎn)速及最大葉輪直徑下,總揚(yáng)程(或多級(jí)泵的第一級(jí)揚(yáng)程)下降3%時(shí)的必需汽蝕余量。
上世紀(jì)50年代到80年代,由于離心泵葉輪的設(shè)計(jì)手非常有限,設(shè)計(jì)人員普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑(D1)的方法來改善其吸入性能,但是人們對(duì)增大葉輪進(jìn)口直徑可能帶來的負(fù)面影響卻不得而知。
1981年,Warren Fraser具有里程碑意義的論文《通過加大葉輪進(jìn)口直徑所帶來的后果》成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。離心泵用戶越來越關(guān)注設(shè)計(jì)最小化工廠的一次投資成本、可靠性和整個(gè)生命周期成本的價(jià)格。然而,由于缺少大量的實(shí)際泵吸入性能的研究,因此,吸入性能與可靠性之間的關(guān)系不是很清楚。
1982年,當(dāng) Jerry Hallam發(fā)布了其在 Amoco Texas City煉油廠5年內(nèi)對(duì)480多臺(tái)泵的可靠性研究結(jié)果以后,這種情況發(fā)生了改變。他發(fā)現(xiàn),泵的可靠性與吸入比轉(zhuǎn)速(Nss)明顯相關(guān),特別是當(dāng)泵的吸入比轉(zhuǎn)速Nss>11 000(USGPM, ft.),S>213(m3/s, m)即公制為12 780(m3/h, m)時(shí),出現(xiàn)故障的概率是較低的吸入比轉(zhuǎn)速的2倍。圖1顯示了吸入比轉(zhuǎn)速與故障率之間的關(guān)系。在Hallam的作品出版后的幾年中,Nss>11 000(USGPM, ft.),S>213(m3/s, m)即公制為12 780(m3/h, m)變成了石油和天然氣行業(yè)(泵選型)的一個(gè)硬性限制,不以某種規(guī)范形式而被廣泛采用,這是非常罕見的。例如,當(dāng)一臺(tái)泵的Nss=10 950(USGPM, ft.)時(shí),被認(rèn)為是可以接受的;而當(dāng)其Nss=11 050(USGPM, ft.)時(shí),被認(rèn)為是不可接受的[6]。
不同標(biāo)準(zhǔn)、不同公司對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的限值各不相同,摘錄如下。由于 UOP規(guī)范和SH/T3139及SH/T3140中的吸入比轉(zhuǎn)速限值已在國(guó)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,且均含公制單位(流量單位為 m3/h,NPSH3單位為m),為了便于比較,下文中所涉及的吸入比轉(zhuǎn)速最終均將換算成公制單位。
3.1 UOP規(guī)范
在石化行業(yè)中,UOP規(guī)范中規(guī)定的吸入比轉(zhuǎn)速的限定值在全球得到廣泛接受和應(yīng)用,其規(guī)定如下:
泵的吸入比轉(zhuǎn)速不得高于11 000 (USGPM, ft.)即公制為13 000 (m3/h, m);當(dāng)泵送介質(zhì)為水或水含量超過50%的溶液,并且泵的單級(jí)葉輪功率超過100 HP (75 kW)時(shí),吸入比轉(zhuǎn)速不得高于9 500 (USGPM, ft.)即公制為11 000 (m3/h, m)。對(duì)于高速整體齒輪箱驅(qū)動(dòng)型泵(OH6型泵),吸入比轉(zhuǎn)速達(dá)到 24 000 (USGPM, ft.)是可以接受的。
3.2 SH/T3139和SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于不帶誘導(dǎo)輪的泵,其吸入比轉(zhuǎn)速應(yīng)小于12 780 (m3/h, m),如果賣方有足夠數(shù)據(jù)證明其可靠性,可提供替代設(shè)計(jì),但應(yīng)經(jīng)買方批準(zhǔn)。
3.3 KSB公司
標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的普通離心泵,為了改善吸入性能,其吸入比轉(zhuǎn)速的平均值通常為200 r/min (m3/s, m)即公制為12 000 (m3/h, m),高值通常限定在240 r/min[7](m3/s, m)即公制為14 400 (m3/h, m)。
3.4 SULZER公司
Sulzer公司針對(duì)不同型式的離心泵,其吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍具有一定的差異,并分別給出了低值-中間值-最高值,具體如下[8]:
軸向進(jìn)口端吸泵:190-230-270 (m3/s, m),即公制為11 400-13 800-16 200 (m3/h, m)。
軸穿過葉輪入口的泵:
1)中等穿軸泵:170-200-240 (m3/s, m),即公制為10 200-12 000-14 400 (m3/h, m);
2)單級(jí)揚(yáng)程超過500 m的多級(jí)泵:150-180-220 (m3/s, m),即公制為9 000-10 800-13 200 (m3/h, m)。
帶誘導(dǎo)輪的工業(yè)泵:350-500-700 (m3/s, m),即公制為21 000-30 000-42 000 (m3/h, m)。
3.5 ITT公司
ITT公司離心泵吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍[9]為5 000 (USGPM, ft.)~14 000 (USGPM, ft.),即公制為5 800 (m3/h, m)~16 270 (m3/h, m);中間值為9 000 (USGPM, ft.),即公制為10 460 (m3/h, m)。
3.6 EBARA公司
EBARA公司石化流程泵的吸入比轉(zhuǎn)速限值范圍[10]大致如下:
1)OH2/50Hz:6 000 (USGPM, ft.)~12 000 (USGPM, ft.),公制約為7 000 (m3/h, m)~14 000 (m3/h, m);
低值:~3 500 (USGPM, ft.),即公制為~4 000 (m3/h, m);
高值:~13 300 (USGPM, ft.),即公制為~15 500 (m3/h, m);
2)BB2/50Hz:7 000 (USGPM, ft.)~12 460 (USGPM, ft.),公制約為8 000 (m3/h, m)~14 500 (m3/h, m)。
離心泵的吸入性能是泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)極為重要的考慮因素。良好的吸入性能允許使用較細(xì)的管道、較低的液位標(biāo)高、較少的工程建設(shè)及開挖量,顯著降低一次投資成本。
4.1 吸入比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵效率的影響
為了改善離心泵的吸入性能,設(shè)計(jì)人員普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑(D1)的方法來實(shí)現(xiàn)。今天,這種設(shè)計(jì)方法在我國(guó)離心泵的工程應(yīng)用中卻還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙(見圖 2中的A、B和C、D)相同的情況下,吸入性能越好(葉輪入口面積越大,吸入比轉(zhuǎn)速越高),則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大,這意味著泄漏量越大,從而泵的效率越低。
4.2 吸入比轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵可靠性的影響
自2003年開始,筆者特別關(guān)注日本EBARA技術(shù)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的質(zhì)量以及用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況,并對(duì)2011年前出廠的2 244臺(tái)EBARA技術(shù)泵的安全可靠性信息進(jìn)行了收集、跟蹤和匯總(包括出廠試驗(yàn)及用戶現(xiàn)場(chǎng)使用情況),其大致情況見表1。
表1 EBARA技術(shù)離心泵可靠性情況
表1中小流量工況下振動(dòng)超標(biāo)的24臺(tái)BB2型泵為兩種規(guī)格的泵(以X泵和Y泵代替),其振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)位置見圖3。
振動(dòng)允許值:不超過4.5 mm/s。
X泵振動(dòng)測(cè)試情況見表2。為了解決X泵最小流量下振動(dòng)超標(biāo)問題,對(duì)吸入口面積進(jìn)行了修正(以降低入口回流),修正后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見表3。
Y泵的振動(dòng)測(cè)試情況見表4。為了解決Y泵最小流量下振動(dòng)超標(biāo)問題,對(duì)吸入口面積進(jìn)行了修正(以降低入口回流),修正后的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見表5。
表2~表5中,均有3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置:1、2、3。
表3 X泵吸入口面積修正后最小流量工況振動(dòng)測(cè)試記錄表
表4 Y泵振動(dòng)測(cè)試記錄表(制造編號(hào)G R08001601)
表5 Y泵吸入口面積修正后振動(dòng)測(cè)試記錄表
從EBARA公司及其它國(guó)際知名泵公司產(chǎn)品的實(shí)際使用情況可以看出,在泵的運(yùn)行范圍內(nèi),可接受的振動(dòng)特性與吸入比轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。對(duì)于高吸入比轉(zhuǎn)速泵,當(dāng)偏離最高效率點(diǎn),特別是在最小流量工況下運(yùn)行時(shí),由于內(nèi)部回流現(xiàn)象的加劇,會(huì)導(dǎo)致泵振動(dòng)的明顯增大。
盡管各知名泵公司對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的限定值存在一定的差異,但有一點(diǎn)是相同的,即最大限定值均超出已廣泛接受和應(yīng)用的 UOP規(guī)范、SH/T3139、SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
ITT公司技術(shù)人員曾做過“Influence of Impeller Suction Specific Speed on Vibration Performance”的試驗(yàn)研究,并得出結(jié)論[6]:通過利用現(xiàn)代葉輪設(shè)計(jì)手段和新的泵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),可以使離心泵穩(wěn)定運(yùn)行范圍和吸入比轉(zhuǎn)速得到實(shí)質(zhì)性的提高。對(duì)于中低比轉(zhuǎn)速葉輪,迄今為止被大多數(shù)用戶認(rèn)可的汽蝕比轉(zhuǎn)速限定值Nss=11 000 (USGPM, ft.),即公制為13 000 (m3/h, m),應(yīng)該可以停止使用了。同時(shí)建議用戶考慮采用他們公司自己版本的SGsT線,作為離心泵選型的吸入比轉(zhuǎn)速限定線,如圖4所示。
對(duì)于高吸入比轉(zhuǎn)速的泵,給出如下特別說明:
1)應(yīng)盡可能避免泵在最小連續(xù)穩(wěn)定流量工況運(yùn)行,可在泵出口增加最小再循環(huán)閥;
2)對(duì)于滿足多種運(yùn)行工況的泵組,建議采用變速(如,可采用變頻電機(jī)、帶液力偶合器或汽輪機(jī))驅(qū)動(dòng),通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)確保泵組始終處于高效區(qū)運(yùn)行;
3)當(dāng)吸入比轉(zhuǎn)速超出規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值范圍時(shí),泵出廠前應(yīng)進(jìn)行全流量(從最小連續(xù)穩(wěn)定流量到最大允許流量范圍)性能及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),以確保泵的振動(dòng)在可接受的范圍之內(nèi)。
正如前文所說,為了改善離心泵的吸入性能,人們普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑(D1)的方法來實(shí)現(xiàn)。但是,這種方法不僅影響離心泵的運(yùn)行性能,而且還會(huì)導(dǎo)致泵振動(dòng)的顯著增加。
隨著科技的發(fā)展,如今在不加大葉輪進(jìn)口直徑的情況下,改善離心泵吸入性能的可選擇的手段較多,主要有:
1)葉輪葉片向泵入口邊適當(dāng)延伸,相當(dāng)于增加一只小的誘導(dǎo)輪。
2)后掠葉片,以減少其前緣的任何汽蝕。
3)采用扭曲葉片,不僅有利于提高泵的水力效率,同時(shí)可改善泵的吸入性能。
4)優(yōu)化葉輪葉片前緣輪廓(如采用拋物線前緣輪廓、減薄吸入側(cè)葉片厚度等),可有效限制葉片前緣的壓力峰值和降低對(duì)部分負(fù)荷下運(yùn)行的敏感程度。
5)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算分析技術(shù)給定葉輪入口設(shè)計(jì)可優(yōu)化的條件,從而更好地控制和了解葉輪流道中流量及壓力分布情況。
在水力設(shè)計(jì)方面,西方發(fā)達(dá)國(guó)家較我國(guó)同行具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。例如:德國(guó)KSB公司對(duì)每臺(tái)離心泵的葉輪設(shè)計(jì)均進(jìn)行CFD模擬分析,以獲得最佳的水力及葉片上最佳的壓力分布。如圖 5所示,從深紅色到深藍(lán)色體現(xiàn)了葉片上壓力分布的細(xì)微差別。
如圖所示,葉片上的壓力分布均勻,這樣可以確保葉片不會(huì)發(fā)生汽蝕腐蝕,同時(shí)可以確保葉輪具有最佳的性能。
6)增加前置增壓泵。
以核電站主給水泵組為例,德國(guó)KSB公司對(duì)首臺(tái)主給水泵的葉輪將進(jìn)行氣泡試驗(yàn)——這是德國(guó)KSB公司獨(dú)有的設(shè)計(jì)理念,以測(cè)量其汽蝕初生值NPSHi(而非NPSH3),即第一只氣泡產(chǎn)生時(shí)作為汽蝕發(fā)生的開始,并據(jù)此來選擇前置泵的揚(yáng)程,從而保證主給水泵葉輪在任何工況下運(yùn)行時(shí)均不會(huì)發(fā)生汽蝕。見圖6和圖7。
1)吸入比轉(zhuǎn)速,是在最大葉輪直徑和給定轉(zhuǎn)速下、以最佳效率點(diǎn)的流量及最佳效率點(diǎn)NPSH3(最高效率點(diǎn)流量、給定轉(zhuǎn)速及最大葉輪直徑下,總揚(yáng)程或多級(jí)泵的第一級(jí)揚(yáng)程下降 3%時(shí)的必需汽蝕余量)來計(jì)算的,是一個(gè)與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。吸入比轉(zhuǎn)速是衡量一臺(tái)離心泵對(duì)內(nèi)部回流的敏感程度的評(píng)估尺度。
2)吸入比轉(zhuǎn)速的大小與離心泵的效率及安全可靠性密切相關(guān)。對(duì)于高吸入比轉(zhuǎn)速泵,當(dāng)偏離最高效率點(diǎn),特別是在最小流量工況下運(yùn)行時(shí),由于內(nèi)部回流現(xiàn)象的加劇,會(huì)導(dǎo)致泵振動(dòng)的明顯增大。
3)盡管各知名泵公司對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速的限定值存在一定的差異,但有一點(diǎn)是相同的,即最大限定值均超出已廣泛接受和應(yīng)用的UOP規(guī)范、SH/T3139、SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
4)隨著科技的發(fā)展,如今在不加大葉輪進(jìn)口直徑的情況下,改善離心泵吸入性能的可選擇的手段較多。
[1]UOP.Centrifugal Pumps, Standard Specification: UOP 5-11-7[S].2005.
[2]中國(guó)石化.石油化工重載荷離心泵工程技術(shù)規(guī)范: SH/T3139-2011[S].2011.
[3]中國(guó)石化.石油化工中、輕載荷離心泵工程技術(shù)規(guī)范: SH/T3140-2011[S].2011.
[4]CEN/CENELEC.Liquid Pumps-General Terms for Pumps and Installations-Definitions, Quantities, Letter Symbols and Units: EN12723:2000[S].2000.
[5]美國(guó)水力學(xué)會(huì).American National Standard for“Rotodynamic (Centrifugal) Pump” for Design and Application: ANSI/HI 1.3-2009[S].2009.
[6]David Cowan, Thomas Liebner, Simon Bradshaw.Influence of Impeller Suction Specific Speed on Vibration Performance[C]// Proceedings of the Twenty-Ninth International Pump Users Symposium, Houston, Texas, USA.2013.
[7]Dieter-Heinz Hellmann.離心泵大全[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.
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Interpretation of Suction Specific Speed and Impact on Centrifugal Pumps Performance
XIE Xiaoqing
(SEC-KSB Nuclear Pumps & Valves Co., Ltd., Shanghai 201306, China)
Beginning from the definition of suction specific speed and the origin of its limit value, the summary of centrifugal pump suction specific speed limit value is made by collecting different pump standards, specifications and many international companies’ regulations.The impact on centrifugal pump performance and the reliability by suction specific speed are thoroughly studied.The methods of improving the centrifugal pumps suction performance are listed.
suction specific speed; interpretation; limit value; performance and reliability
TK72
A
10.14141/j.31-1981.2017.04.004
謝小青(1967—),男,高級(jí)工程師,研究方向:電站泵和石化泵的設(shè)計(jì)。