Деякі неправильні уявлення про вибір і застосування відцентрових насосів

Придбання високоякісного-відцентрового насоса, який відповідає виробничим стандартам, є лише відправною точкою, а не кінцевою метою для забезпечення тривалої-безперебійної-роботи системи. Якщо обладнання не розроблено таким чином, щоб бути сумісним із конкретними сценаріями застосування, навіть найвражаючі параметри продуктивності неминуче призведуть до проблем з адаптацією до реального середовища. Кожен відцентровий насос має свою оптимальну робочу точку та допустимий робочий діапазон. Якщо фактичні робочі умови відхиляються від проектних меж-щодо швидкості потоку, позитивної висоти всмоктування (NPSH), характеристик середовища чи-методів запуску та зупинки-це безпосередньо загрожуватиме гідравлічній стабільності, механічній надійності та терміну служби насосного агрегату.

Ця стаття, заснована на досвіді інженерної практики, пояснює та роз’яснює деякі поширені помилки у виборі та застосуванні відцентрових насосів, щоб уникнути неправильного вибору продукту та рішень щодо застосування користувачами.

 

 

• Деякі поширені помилки у виборі продукту

 

Чим вище ефективність, тим краще

«ККД» є основним показником для вимірювання гідравлічної продуктивності насоса, а також є найбільш прямою відправною точкою для користувачів, щоб зосередитися на витратах на енергоспоживання. Однак, якщо мета максимізації ефективності насоса переслідується в односторонньому порядку, на етапі проектування часто потрібно йти на численні компроміси, що може вплинути на міцність обладнання та надійність його-тривалої роботи.

Висока ефективність, яка, природно, означає зниження робочого енергоспоживання, є як загальним очікуванням користувачів, так і основною рушійною силою постійних інновацій для виробників насосів. Це вважається «ціллю», тому що в критичних робочих умовах, які вимагають довготривалої-безперервної роботи, наприклад, на атомних, теплоелектростанціях і нафтохімічних заводах, безпека та стабільність (тобто надійність) насосних установок завжди мають першорядне значення.

Досягнення високо-ефективної конструкції зазвичай включає кілька технічних особливостей: менші робочі зазори (зношувальні кільця, балансувальні механізми тощо), довші та гнучкіші вали насоса, суворі вимоги допуску та максимально плавний профіль потоку. Незважаючи на те, що ці конструкції певною мірою покращують гідравлічну ефективність, вони також роблять обладнання більш чутливим до чистоти середовища, коливань робочих умов і вирівнювання установки, таким чином збільшуючи частоту технічного обслуговування, підвищуючи технічні бар’єри та підвищуючи вартість запасних частин для користувачів.

Виробники, виходячи з різного позиціонування на ринку та стратегій щодо продукції, мають різний фокус у своїх філософіях дизайну насосів: деякі надають перевагу енергоефективності, інші вважають надійність основним принципом, а інші прагнуть над-тривалого терміну служби в екстремальних умовах експлуатації. У 1980-х роках китайський ринок виробництва теплової енергії швидко розвивався, залучаючи численних всесвітньо відомих постачальників насосів для електростанцій. Більшість виробників використовували безпеку та надійність як технічні бар’єри, але одна іноземна компанія вийшла на ринок із «найвищою ефективністю в галузі» як відмінну перевагу. Незважаючи на те, що початково виміряна ефективність справді була на 1-2% вищою, ніж у конкурентів, після введення в експлуатацію часто траплялися аварії, пов’язані з поломкою валу, і зрештою її витіснили з китайського енергетичного ринку. Цей випадок глибоко ілюструє, що відцентрові насоси не обов’язково тим кращі, чим вищий ККД; стратегія дизайну, яка жертвує надійністю заради ефективності, рівнозначна випиванню отрути, щоб втамувати спрагу в критичних умовах експлуатації.

 

Чим менша необхідна чиста позитивна висота всмоктування (NPSH) насоса, тим краще.

Для користувачів, чим нижче необхідна чиста позитивна висота всмоктування (NPSHR) насоса, тим краще, оскільки це може значно зменшити висоту установки (тобто чиста позитивна висота всмоктування NPSHA) і ефективно зменшити інвестиційні витрати.

У більшості насосних систем NPSHA має тенденцію до зменшення зі збільшенням швидкості потоку, тоді як NPSHR має тенденцію до збільшення зі збільшенням швидкості потоку. Тому перед проектуванням системи слід враховувати рекомендації виробника насоса та досвід застосування, а також слід забезпечити достатній запас безпеки в межах усіх очікуваних робочих витрат. У той же час, при визначенні чистої позитивної висоти всмоктування, покупець і продавець повинні уточнити співвідношення між мінімальною безперервною стабільною швидкістю потоку та питомою швидкістю всмоктування насоса. Як правило, мінімальна безперервна стабільна швидкість потоку насоса зростає зі збільшенням питомої швидкості всмоктування... При виборі питомої швидкості всмоктування та запасу безпеки NPSH слід враховувати існуючі промислові стандарти та досвід виробника.

При однаковій швидкості та витраті, чим нижче NPSHR, тим вище питома швидкість всмоктування насоса. Порівняно з конструкціями насосів із нижчою питомою швидкістю всмоктування, насоси з вищою питомою швидкістю всмоктування частіше стикаються з небажаними вібраціями та шумом, а допустимий робочий діапазон також стає вужчим. Що стосується впливу питомої швидкості всмоктування на експлуатаційну надійність відцентрових насосів, міжнародні аналоги мають великий досвід інженерного застосування та надали максимальні обмеження для питомої швидкості всмоктування, які можна використовувати як еталон при виборі насосів. Серед них обмеження питомої швидкості всмоктування, зазначеної в UOP 5-11-7 [2], було широко визнано та застосовується у всьому світі, і його положення такі: питома швидкість всмоктування насоса не повинна перевищувати 13000 (м3/год, об/хв·м); коли середовищем, що перекачується, є вода або розчин із вмістом води понад 50%, а потужність одноступінчастого робочого колеса насоса перевищує 75 кВт, питома швидкість всмоктування не повинна перевищувати 11000 (м3/год, об/хв, м). З розвитком науки і техніки сьогодні існує багато способів покращити всмоктувальну продуктивність відцентрових насосів без збільшення діаметра вхідного отвору робочого колеса, а також відповідно збільшено обмеження питомої швидкості всмоктування. Вивчивши продукцію багатьох транснаціональних компаній (таких як EBARA, KSB, ITT тощо), автор виявив, що тип BB2, розроблений із застосуванням сучасних методів проектування (а не традиційного методу збільшення діаметра вхідного отвору робочого колеса), може досягти обмеження питомої швидкості всмоктування приблизно 14 400 (м3/год, об/хв, м).

Таким чином, користувачі не повинні сліпо прагнути до «низького NPSH3», не враховуючи фактичних умов експлуатації. Замість цього вони повинні співпрацювати з виробниками, щоб залишити достатній і розумний запас між чистою позитивною висотою всмоктування пристрою (NPSHA) і необхідною чистою позитивною висотою всмоктування насоса (NPSH3), при цьому ретельно оцінюючи ризики стабільності роботи, які можуть бути викликані конструкцією високої питомої швидкості всмоктування.

 

Чим далі критична швидкість насоса від його фактичної швидкості, тим краще.

Критична швидкість відноситься до характерної швидкості, з якою роторна система резонує, і її значення залежить від жорсткості ротора, опорної жорсткості та розподілу маси. У фактичних інженерних тендерних процесах, через надмірне уникнення резонансних ризиків, покупці, як правило, вимагають, щоб поперечна критична швидкість першого-порядку була якомога далі від номінальної швидкості насоса (наприклад, рання тендерна документація для звичайних острівних насосів живильної води на атомних електростанціях вимагала, щоб «перша критична швидкість системи валу насоса у воді була вищою за 125% швидкості, що відповідає її номінальній робочій точці»). Через кілька років цей відсоток було збільшено до 135%, а в останньому тендері навіть вимагалося досягти 150%, при цьому відповідаючи чинним стандартам енергоефективності.

 

З точки зору динаміки, підвищення критичної швидкості до точки, далекої від діапазону робочої швидкості, цілком можливо – просто збільшивши діаметр вала, скоротивши проміжок або підвищивши жорсткість опори. Однак це неминуче призводить до збільшення ваги ротора, збільшення труднощів балансування та прямого конфлікту з цільовими показниками енергоефективності: за тих самих умов, чим вища критична швидкість, тим товщі система валів і тим більші втрати на механічне тертя та втрати на тертя диска, що означає нижчу ефективність насоса.

 

Тому вибір критичної швидкості є, по суті, компромісом-між «динамічною безпекою» та «гідравлічною економією». Співвідношення між критичною швидкістю та номінальною швидкістю насоса має бути раціонально визначено на основі різних типів насосів та умов експлуатації.

 

Відцентрові насоси можуть працювати з двофазним потоком газу-рідини-.

Робота відцентрових насосів із розчиненим газом передбачає дуже складний двофазний потік газу-рідину-, який ретельно досліджували дослідники як у країні, так і за кордоном. Досвід показує, що за допомогою спеціальних конструкцій робочого колеса (наприклад, напів-відкрита задня кришка робочого колеса зі зворотним отвором біля вхідного отвору робочого колеса в каналі потоку робочого колеса) відцентрові насоси можуть підтримувати стабільну роботу навіть із вмістом газу 10% (за об’ємом). Звичайні відцентрові насоси можуть перекачувати рідини, що містять невелику кількість газу (від 1% до 2% за об’ємом). Наявність невеликої кількості газу в рідині може пом'якшити вплив кавітаційного колапсу бульбашки та зменшити пов'язані з цим шум, вібрацію та пошкодження від ерозії. Однак, коли вміст газу досягає 6%, у звичайних відцентрових насосах може спостерігатися кавітація та газова пробка, що призводить до різкого зниження продуктивності (швидкості потоку, напору та ефективності).

 

• Деякі помилки в застосуванні

 

Дозволяє довго-працювати при нижчій мінімальній безперервній стабільній швидкості потоку

Стандарт ANSI/API 610 визначає мінімальну безперервну швидкість потоку-в стаціонарному стані (MCSF) як мінімальну швидкість потоку, при якій насос може працювати безперервно, не перевищуючи обмеження вібрації, визначені стандартом. Іншими словами, якщо насос працює з меншою швидкістю потоку протягом тривалого періоду, це негайно спричинить низку несприятливих фізичних процесів, включаючи внутрішній зворотний потік, кавітацію, додаткові радіальні сили (особливо спостерігаються в одно-спіральних насосах) і підвищення температури рідини. Потім це може спричинити ланцюжок несправностей, таких як відхилення валу, знос компенсаційного кільця, відрив торцевої поверхні механічного ущільнення та аномальний перегрів підшипника. Наслідками є значне збільшення механічної вібрації та шуму, що може різко скоротити термін служби механічних ущільнень і підшипників або навіть призвести до поломки вала та серйозного пошкодження ротора та сполучених компонентів.

 

Під час фактичної експлуатації виникають дві поширені неправильні уявлення про експлуатацію: по-перше, деякі користувачі через відсутність розуміння інструкції з експлуатації та технічного обслуговування під час введення в експлуатацію помилково вважають, що відцентрові насоси можуть працювати протягом тривалого періоду часу за будь-яких умов (зокрема, нижче мінімальної постійної стабільної витрати або навіть нульової витрати). По-друге, деякі користувачі через неправильне розуміння умов гарантії намагаються штучно створити екстремальні умови експлуатації на етапі введення в експлуатацію, щоб перевірити «витривалість» обладнання. Такі операції являють собою руйнівні випробування для відцентрових насосів, потенційно спричиняючи не тільки негайні несправності, але й розвиток прихованих дефектів, таких як втомні тріщини, і повинні бути суворо заборонені.

 

Запуск насоса з повністю відкритим випускним клапаном означає запуск насоса, коли випускний клапан повністю відкритий.

У багатьох системах, які вимагають тривалої-безперервної роботи (таких як системи електростанцій), зазвичай встановлюються резервні насоси, які завжди готові до запуску (насос заповнений середовищем; допоміжні системи, такі як ущільнення, охолоджуюча вода та мастило, працюють). Якщо основний насос виходить з ладу, резервний насос запускається автоматично. Таким чином, вихідний клапан насоса повинен бути відкритим, широко відомим як «запуск відкритого клапана».

 

Багато покупців або користувачів мають неправильне уявлення про запуск відкритого клапана: вони вважають, що це означає запуск із повністю відкритого випускного клапана. Це неправильно! «Початок відкритого клапана» фактично означає запуск з випускного клапана при заданій швидкості потоку (наприклад, номінальному витраті). Як правило, швидкість потоку, яку може витримати випускний клапан насоса в системі, набагато більша, ніж номінальна швидкість потоку насоса. Якщо випускний клапан повністю відкритий, насос працюватиме з надмірно високою швидкістю потоку, потенційно спричиняючи низку проблем, таких як кавітація, вібрація, перевантаження двигуна або нездатність запустити агрегат.

 

Правильна процедура така:На основі кривої продуктивності насоса та кривої опору системи попередньо встановіть вихідний клапан у положення, близьке до відповідної робочої витрати, а потім точно-налаштуйте його на основі показань манометра та амперметра після запуску насоса.

 

Ущільнення упаковки можна безпосередньо замінити механічним ущільненням.

Взявши як приклад відцентровий насос типу OH1/OH2, відмінності між сальниковими ущільненнями та механічними ущільненнями полягають не лише в їхньому типі ущільнення, але й у фундаментальних відмінностях у загальній структурній структурі. Для сальникових ущільнень, щоб забезпечити достатній осьовий простір для розміщення сальника, сальникових кілець, сальникового сальника та зони для легкого ручного керування, виробники насосів повинні розміщувати крильчатку далеко від підшипника, що призводить до значного збільшення консольного проміжку крильчатки L. Коли насос запускається або вал відхиляється через максимальну радіальну силу, сальник, через певну радіальну опорну жорсткість, об'єктивно виконує роль допоміжного підшипника, стаючи частиною несучої системи і забезпечуючи опору.

 

Просте видалення сальникового ущільнення та заміна його механічним без-перевірки динаміки ротора призведе до наступних ризиків:

 

Відсутність підтримки:Механічні ущільнення не виконують функції сальникових ущільнень як «частина опорної системи валу». Після того, як амортизація та жорсткість, які забезпечуються сальником, зникають, коли насос запускається або вал відхиляється, прогин кінця вала може перевищити здатність механічного ущільнення слідувати, що неминуче призведе до відділення поверхні ущільнення, витоку та нерівномірного зносу. Це зменшує термін служби компонентів і навіть може призвести до пошкодження або виходу з ладу обладнання.

Просторова інтерференція:Внутрішній діаметр сальникової коробки (ущільнювальної порожнини) у сальниковому ущільненні зазвичай менший, ніж розмір порожнини, який вимагається механічним ущільненням. Цього вузького простору недостатньо для того, щоб механічне ущільнення використовувало відцентрову силу для відкидання твердих частинок із ущільнювальної поверхні, а також воно не може забезпечити достатній проміжок для охолодження, що призводить до перегріву, закоксування або передчасного виходу з ладу ущільнювальної поверхні.

 

Тому для відцентрових-насосів із кінцевим всмоктуванням, розглядаючи можливість переходу на механічне ущільнення, спочатку потрібно виконати оцінку динаміки ротора, щоб обчислити співвідношення L³/D4. Тут L — відстань (у дюймах або міліметрах) між центром внутрішнього підшипника та центром робочого колеса; D — діаметр вала (в дюймах або міліметрах) на втулці механічного ущільнення. Це значення має бути менше 60 (одиниці США) або менше 2,0 у метричних одиницях, щоб вважатися в межах прийнятного діапазону для відхилення кінця вала механічного ущільнення.

 

Дозволити розворот

У багатьох критичних застосуваннях відцентрових насосів користувачі зазвичай вимагають, щоб насос витримував короткочасне-зворотне обертання в таких умовах, як поломка випускного клапана або несправність зворотного клапана, і щоб допустима швидкість заднього ходу досягла номінальної швидкості. З точки зору запасу крутного моменту динаміки ротора, це теоретично можливо – за умови, що діаметр валу, шпонкове з’єднання та контргайка перевіряються на максимальний зворотний крутний момент. Однак у практичних інженерних застосуваннях через обмеження багатьох факторів, таких як вартість, енергоефективність, безпека та надійність, системи механічних ущільнень та умови експлуатації, часто важко одночасно досягти оптимальної продуктивності вперед, забезпечуючи обладнання з сильним допуском назад.

 

Крім того, «розворот», як типовий стан несправності/аварії, часто не є ізольованою подією, а часто супроводжується суперпозицією екстремальних ситуацій:

"Power Slip" Reverse Reversal Self-Start:Коли обладнання втрачає живлення, випускний клапан одночасно несправно працює, а насос перебуває на високій-швидкісному зворотному обертанні. Якщо протягом короткого періоду часу раптово відновлюється електропостачання (тобто двигун знову прискорюється), це еквівалентно раптовому запуску насосного агрегату під час процесу зворотного обертання. У цей час ротор насоса буде підданий векторній суперпозиції позитивного крутного моменту та зворотного моменту інерції, і миттєво зіткнеться з ударним навантаженням, майже вдвічі перевищуючим номінальний крутний момент, що може легко спричинити поломку вала або розрив пружного елемента муфти.

Помилка промивання механічного ущільнення:Для механічних ущільнювальних конструкцій, оснащених насосними кільцями (вихровий потік), напрямок накачування є строго односпрямованим. Під час реверсивної роботи насосне кільце може не забезпечувати промивний потік або навіть генерувати зворотний перепад тиску, що призведе до переривання рідини для промивання механічного ущільнення. Це, у свою чергу, спричиняє сухе тертя та термічні тріщини на ущільнювальній поверхні, що значно скорочує термін служби механічного ущільнення. Тому, коли насос повертається, механічне ущільнення слід розібрати та перевірити після вимкнення, а динамічні та нерухомі ущільнювальні кільця слід замінити, якщо необхідно.

Несправність механізму проти-розкручування:Якщо кріпильні елементи на роторі (такі як гайки крильчатки та контргайки підшипників) не мають надійної конструкції проти-розкручування (наприклад, покладаються виключно на момент тертя без механічної блокувальної конструкції), миттєвий момент удару, що створюється обертанням у зворотному напрямку, може спричинити ослаблення, зсув або навіть пошкодження деталей.

 

• Підведіть підсумки

Виходячи з наведених вище ризиків, рекомендована багаторівнева стратегія контролю: для не-критичних робочих умов або для критичних сценаріїв, коли зворотного обертання можна уникнути за допомогою блокування процесу, не рекомендується змушувати насоси мати допуск проти зворотного обертання; для критично важливих насосів, які повинні допускати реверсивне обертання, індекс зворотного крутного моменту має бути чітко визначений на етапі проектування, а виробник повинен провести спеціальну перевірку міцності вала та сертифікацію проти-розкручування кріпильних елементів, щоб забезпечити запас надійності.

 

Раціональність вибору та застосування відцентрового насоса безпосередньо визначає вартість-життєвого циклу та експлуатаційну надійність насосної системи. На основі вищенаведеного аналізу основні висновки підсумовуються таким чином:

• Вища ефективність не завжди означає кращу – високо-ефективні конструкції часто досягаються ціною втрати зазору кільця зносу, запасу діаметра валу та гладкості каналу потоку. Надійність має бути пріоритетом у критичних умовах експлуатації.
• Нижчий необхідний NPSH не завжди є кращим – низький NPSH3 зазвичай супроводжується високою питомою швидкістю всмоктування, що призводить до звуження робочого діапазону та збільшення ризику вібрації. Вибір насоса має відповідати NPSH системи, а питома швидкість всмоктування має бути обмежена відповідно до таких стандартів, як UOP та HI.
• Критичну швидкість слід установлювати розумно, а не збільшувати наосліп – збільшення критичної швидкості негативно корелює з енергоефективністю. Запас критичної швидкості для мокрих роторів слід обґрунтовано вибирати на основі типу насоса та стандартів (таких як API 610), щоб уникнути над-проектування.
• Звичайні відцентрові насоси мають надзвичайно низьку толерантність до газоподібних середовищ – лише спеціально розроблені насоси можуть працювати з 10% вмістом газу. Звичайні насоси зазнають погіршення продуктивності понад 2 % і можуть мати повітряні пробки понад 6 %.
• Тривала робота нижче мінімальної безперервної стабільної швидкості потоку суворо заборонена – необхідно налаштувати мінімальні заходи захисту потоку (наприклад, байпасні або автоматичні рециркуляційні клапани).
• Початок відкритого клапана-вгору ≠ Початок повного випускного клапана-вгору – попередньо встановлений ступінь відкриття має відповідати номінальній швидкості потоку, щоб уникнути перевантаження та кавітації. ● Сальникові ущільнення не можна безпосередньо замінити механічними ущільненнями – потрібно виконати розрахунки прогину ротора (L³/D⁴) і оцінити динамічний вплив змін опорної конструкції.
• Слід обережно поводитись із зворотним обертанням – воно не потрібне, окрім випадків крайньої необхідності; якщо необхідно, слід виконати спеціальні перевірки міцності та розробити{0}}захист від ослаблення.
• Промислова очищена вода не підходить як охолоджувач для високотемпературних-насосів – рекомендується використовувати пом’якшену воду або пару, а також слід посилити контроль якості води та технічне обслуговування.

 

Лише відмовившись від ізольованого способу вибору «переваги параметрів» і встановивши наукову структуру-прийняття рішень щодо «адаптації системи, узгодження робочих умов і компромісів{-повного життєвого циклу», можна принципово уникнути-згаданих вище помилок і досягти ефективної, стабільної та-тривалої роботи систем відцентрових насосів.