置換蒸煮卸料泵的汽蝕分析及解決辦法

湯 偉 楊鵬飛 黨世紅

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021)

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置換蒸煮卸料泵的汽蝕分析及解決辦法

湯 偉1楊鵬飛2,*黨世紅2

(1.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安,710021)

針對(duì)置換蒸煮卸料泵汽蝕現(xiàn)象難以消除這一難題,在分析卸料泵產(chǎn)生汽蝕的基礎(chǔ)上,結(jié)合置換蒸煮卸料的特點(diǎn),從控制的角度出發(fā)提出通過穩(wěn)定卸料濃度、改變泵速以及通入壓縮空氣的方法進(jìn)行卸料,使得在整個(gè)卸料過程中，卸料泵的有效汽蝕余量(NPSHa)都大于它的必需汽蝕余量(NPSHr)，從而避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

置換蒸煮；卸料泵；有效汽蝕余量；必需汽蝕余量；汽蝕

置換蒸煮是一種節(jié)能環(huán)保的新型間歇制漿技術(shù),其卸料方式與傳統(tǒng)間歇式制漿技術(shù)不同。傳統(tǒng)間歇式制漿一般采用噴放的方式卸料,在蒸煮結(jié)束后通過放氣使蒸煮鍋壓力降到常壓,再利用漿料的熱能進(jìn)行爆米花式的噴放倒料。而置換蒸煮技術(shù),在卸料之前已經(jīng)將漿料的熱能置換了出來,漿料本身不具備噴放條件,必須通過卸料泵進(jìn)行卸料。置換蒸煮卸料具有高溫、高腐蝕性、大流量及高泵送距離等特點(diǎn),對(duì)卸料泵的要求比較高,因此卸料泵價(jià)格昂貴,單臺(tái)價(jià)格在10萬～15萬元。在某紙廠的實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn),3臺(tái)卸料泵在使用過程中常常會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,這不僅會(huì)縮短卸料泵的生命周期,同時(shí)也會(huì)切短漿料纖維長(zhǎng)度,影響成漿品質(zhì)[1-3]。而這種汽蝕現(xiàn)象從安裝和材料方面都很難解決。本文在分析置換蒸煮卸料以及產(chǎn)生汽蝕原因的基礎(chǔ)上,從控制的角度提出了一種解決卸料過程汽蝕問題的方法。

1 卸料泵汽蝕現(xiàn)象分析

泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中,若其過流部分的局部區(qū)域(通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處)因?yàn)槟撤N原因,抽送液體的絕對(duì)壓力降低到當(dāng)時(shí)溫度下的液體汽化壓力時(shí),液體便在該處開始汽化,產(chǎn)生大量蒸汽,形成汽泡,當(dāng)含有大量汽泡的液體向前經(jīng)過葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí),汽泡周圍的高壓液體致使汽泡急劇地縮小以至破裂。在汽泡凝結(jié)破裂的同時(shí),液體質(zhì)點(diǎn)以很高的速度填充空穴,在此瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)烈的水擊作用,并以很高的沖擊頻率打擊金屬表面,沖擊應(yīng)力可達(dá)幾百至幾千個(gè)大氣壓,沖擊頻率可達(dá)每秒幾萬次,嚴(yán)重時(shí)會(huì)將壁厚擊穿,圖1為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)汽蝕圖片。卸料泵中產(chǎn)生汽泡、破裂使過流部件受到破壞的過程就是卸料泵的汽蝕過程,泵產(chǎn)生汽蝕后除了對(duì)過流部件產(chǎn)生破壞作用以外,還會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng),并導(dǎo)致泵的性能下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使卸料中斷,不能正常工作[4- 6]。

1.1 卸料過程

置換蒸煮卸料過程中,漿料從高16 m的蒸煮鍋中被卸料泵抽送到漿料塔中進(jìn)行儲(chǔ)存,如圖2所示。

圖2 現(xiàn)行工藝卸料過程示意圖

由圖2可知，稀釋黑液經(jīng)稀釋黑液泵2AP-212送入蒸煮鍋循環(huán)泵2AP-201的入口,然后進(jìn)入到蒸煮鍋上部稀釋口HIC-192、下部稀釋口HIC-193和卸料彎管HIC-158閥門管路對(duì)漿料進(jìn)行稀釋,在此過程中稀釋黑液泵和蒸煮鍋循環(huán)泵保持運(yùn)行狀態(tài)。漿料從蒸煮鍋2AM- 001中被卸料泵2AP-206抽送到漿料塔2AT-106中,在此卸料過程中,這些控制閥間的比值根據(jù)卸料過程中蒸煮鍋的實(shí)際總質(zhì)量在卸料控制表中逐步設(shè)置,如表1所示。

表1 卸料質(zhì)量控制表

除此之外現(xiàn)行工藝還會(huì)對(duì)蒸煮鍋卸料溫度進(jìn)行控制,防止進(jìn)入卸料泵的漿料溫度過高,直接汽化。卸料溫度控制情況如表2所示。

表2 卸料溫度控制表

綜上所述,現(xiàn)行工藝在卸料時(shí)主要是根據(jù)蒸煮鍋總質(zhì)量來對(duì)漿料進(jìn)行稀釋,通過稀釋防止?jié){料阻塞以及高溫漿料進(jìn)入到卸料泵中。

1.2 決定泵汽蝕的性能參數(shù)

卸料泵是否產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象一般由2個(gè)參數(shù)來決定,分別是有效汽蝕余量(NPSHa)和必需汽蝕余量(NPSHr),如果在卸料過程中一直保持NPSHa>NPSHr，則不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。其中必需汽蝕余量的計(jì)算見式(1)。

(1)

式中，v0為泵入口介質(zhì)絕對(duì)速度，W0為泵葉片壓力最低處介質(zhì)速度，λ為汽蝕、壓降系數(shù)。NPSHr是規(guī)定卸料泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù),且NPSHr越小泵的抗汽蝕性能越好,NPSHr主要與卸料泵本身結(jié)構(gòu)(流道形狀設(shè)計(jì))有關(guān),同時(shí)還與卸料泵的轉(zhuǎn)速有關(guān),在泵的銘牌中已經(jīng)被商家標(biāo)出,如某紙廠的卸料泵必需汽蝕余量值為6.5 m。

卸料泵的NPSHa的計(jì)算見式(2)。

(2)

式中，Ps為泵入口法蘭處壓力，vs為泵入口法蘭處液體介質(zhì)速度，Pv為泵中液體介質(zhì)在工作溫度下的汽化壓力，ρ為泵中液體密度。結(jié)合卸料工藝可知,在現(xiàn)有的整個(gè)卸料工藝中NPSHr不發(fā)生變化(恒速卸料),而隨著卸料過程的進(jìn)行Ps和vs都會(huì)減小導(dǎo)致NPSHa值減小,蒸煮鍋內(nèi)液面到達(dá)一定高度之后NPSHa會(huì)小于NPSHr,發(fā)生汽蝕現(xiàn)象[7- 8]。

2 卸料泵汽蝕問題的解決辦法

通過上面的分析可知,卸料泵的汽蝕現(xiàn)象可以通過增大NPSHa或者減小NPSHr的方法來解決。其中NPSHr是規(guī)定卸料泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù),在運(yùn)行中其值一般與卸料泵工況和轉(zhuǎn)速有關(guān),可以在改善其工作狀況的情況下,通過變速使得在卸料過程中NPSHr值隨卸料過程的進(jìn)行而減小。而對(duì)于NPSHa,隨著卸料過程中蒸煮鍋內(nèi)液面的下降,其值就會(huì)減小,無法避免,到一定程度導(dǎo)致NPSHa﹤NPSHr，使得卸料泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象,對(duì)此本文提出以下解決辦法。

2.1 設(shè)置控制回路對(duì)卸料漿料濃度進(jìn)行控制

現(xiàn)行工藝只是根據(jù)蒸煮鍋內(nèi)剩余的漿料量和溫度來對(duì)漿料進(jìn)行稀釋,這樣漿料濃度會(huì)不斷變化,導(dǎo)致泵內(nèi)工作壓力不斷變化,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較大的漿塊使泵內(nèi)壓力驟變,極易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。本文提出在卸料泵之前安裝濃度檢測(cè)儀,與原有的稀釋閥門構(gòu)成控制回路將漿料濃度控制在一個(gè)設(shè)定值,因?yàn)樾读蠞{料濃度變化范圍大,要求較大的調(diào)節(jié)范圍,因此采用分程控制,一個(gè)控制器分程控制原先3個(gè)稀釋閥門管路HIC-192、HIC-193和HIC-158,控制原理圖如圖3所示。使得進(jìn)入卸料泵內(nèi)里面的漿料濃度穩(wěn)定,防止因?yàn)闈{料濃度大幅度變化而引起的泵吸區(qū)壓力驟變,同時(shí)也有效地防止了漿塊的產(chǎn)生,為卸料泵的穩(wěn)定工作奠定了基礎(chǔ),便于進(jìn)一步解決汽蝕問題。

圖3 卸料漿料濃度分程控制示意圖

2.2 放料過程中改變卸料泵轉(zhuǎn)速以及向蒸煮鍋內(nèi)通入壓縮空氣對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償

由上可知,在卸料過程中要想避免卸料泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生,就必須在整個(gè)卸料過程中保持NPSHa>NPSHr,代入二者的計(jì)算式(1)、式(2)，并結(jié)合式(3)、式(4)，可以推出式(5)。

Ps=ρgh

(3)

(4)

(5)

式中，NPSH為卸料泵的允許汽蝕余量,其值一般為NPSHr的1.2～1.5倍。泵銘牌上提供的NPSHr值都是以20℃清水為基準(zhǔn)的,當(dāng)輸送其他溫度的介質(zhì)時(shí)應(yīng)予以矯正,查閱相關(guān)手冊(cè)和文獻(xiàn)[9-10],計(jì)算可得本文矯正ΔNPSHr=0.8 m,所以在本研究卸料過程中，卸料泵的NPSHr=(6.5+0.8)=7.3(m),為了有效預(yù)防汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，取NPSH=1.5NPSHr≈11.0(m),紙漿密度為2×103kg/m3,Pv為卸料平均溫度95℃時(shí)對(duì)應(yīng)的汽化壓力83.5 kPa,帶入數(shù)據(jù)可得，為了避免汽蝕發(fā)生h>15 m,除去5 m的倒灌高度,為了防止汽蝕的產(chǎn)生，蒸煮鍋內(nèi)至少要維持10 m的漿料,但是卸料要將料卸完,因此當(dāng)卸料進(jìn)行到10 m時(shí)，必須采取措施來防止汽蝕的發(fā)生。

首先可以改變轉(zhuǎn)速減小NPSHr。研究表明泵的轉(zhuǎn)速越低,NPSHr越小，其抗汽蝕性能就越強(qiáng),二者對(duì)應(yīng)式為式(6)，進(jìn)一步可以推出式(7)、式(8),其中n1為卸料泵額定轉(zhuǎn)速1450 r/min,NPSHr1取泵NPSHr6.5 m,因此在卸料過程中泵的頻率與剩余漿料的高度對(duì)應(yīng)式為式(9)[10-11]：

(6)

(7)

(8)

(9)

當(dāng)卸料進(jìn)行到汽蝕臨界面高度10m時(shí),可根據(jù)漿料高度對(duì)卸料泵進(jìn)行變頻控制,有效預(yù)防汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生,但是如果只是變頻進(jìn)行放料,從式(9)中發(fā)現(xiàn)漿料放至3.5m時(shí)泵轉(zhuǎn)速已經(jīng)為零,因此不能單純依靠變速放料來防止汽蝕現(xiàn)象的出現(xiàn),本文提出當(dāng)放料進(jìn)行到10m時(shí),根據(jù)式(9)對(duì)卸料泵進(jìn)行變頻控制,到漿料液位4m時(shí)泵轉(zhuǎn)速保持不變,由P=ρgh可以算出4m漿料對(duì)應(yīng)的壓力為80kPa,開始通過PIZ-102回路(見圖4),向蒸煮鍋內(nèi)通壓縮空氣,保持鍋內(nèi)壓力為80kPa,以彌補(bǔ)液位下降所引起的NPSHa減小量,直到卸料結(jié)束。

圖4 改進(jìn)后的卸料過程示意圖

3 結(jié) 語

置換蒸煮卸料工況特殊,卸料泵的汽蝕現(xiàn)象困擾生產(chǎn)多時(shí),亟需相關(guān)學(xué)者進(jìn)行該方面的研究從而解決這個(gè)難題,本文通過對(duì)置換蒸煮卸料過程和卸料泵汽蝕機(jī)理的分析,總結(jié)出了卸料泵汽蝕的原因,并從控制角度出發(fā)計(jì)算出了臨界汽蝕液面,通過穩(wěn)定卸料濃度、改變泵速和壓縮空氣補(bǔ)償有效汽蝕余量(NPSHa)相結(jié)合的方式進(jìn)行卸料,保證在整個(gè)卸料過程中有效汽蝕余量(NPSHa)>必需汽蝕余量(NPSHr),預(yù)防汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。本文旨在拋磚引玉,如何從工藝、管道設(shè)計(jì)、安裝等方面做出改善,以及設(shè)計(jì)出更加有效的控制算法來避免卸料過程中汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生,還值得相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Analysis and Solution for Cavitation of the Discharge Pump of Displacement Digester System

TANG Wei1YANG Peng-fei2,*DANG Shi-hong2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 401371274@qq.com)

Aiming at the difficulties of eliminating cavitation of the discharge pump of displacement digester system, this paper proposed a method from the view of control to keep the NPSHawas greater than its NPSHrin the discharging process by stabilizing pulp concentration, adjusting pump speed and injecting compressed air into the digester.

displacement digester； discharge pump； NPSHa； NPSHr； cavitation

2016- 02- 08(修改稿)

國家國際科技合作項(xiàng)目(2010DFB43660)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2014KCT-15)資助。

TS733+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.010

*通信作者：楊鵬飛先生，E-mail：401371274@qq.com。