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 項目部，安徽 安慶 246000)

0 引言

軸流泵適用于大流量工況，具有結構簡單、體積小、重量輕、占地面積小等優點。涉及環管軸流泵是聚丙烯、聚乙烯等裝置的核心設備的一部分，基本上都屬于大流量大功率工況下運行,汽蝕余量高。聚丙烯、聚乙烯廣泛應用于包裝、制造、紡織和諸多民用消費領域。泵的性能是核心設備和裝置工藝正常穩定運行關鍵。汽蝕余量是決定一臺泵吸入性能的好壞。當泵發生汽蝕時[1]產生噪聲和振動，由于泵汽蝕時，氣泡在高壓區連續產生后破裂，以及伴隨的強烈水擊而產生噪聲和振動[2]，過流部件的腐蝕破壞。是因為在汽蝕時氣泡凝結時金屬表面受到高頻600 Hz以上的沖擊，使金屬表面金屬晶粒出現松動和剝落，汽蝕破壞除機械力作用外，還伴隨有電解、化學腐蝕等多種復雜作用。泵汽蝕時葉輪內液體能量交換受到干擾和破壞，泵的性能會不穩定和下降[3]。一種好的試驗布置方式和試驗方法是準確驗證性能參數關鍵。本文對準確測量軸流泵汽蝕性能實驗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 試驗方案

1.1 試驗的布置結構

試驗布置如圖1所示。

實驗介質清水在進行測量汽蝕實驗時流動方向如圖1箭頭所示，軸流泵通過25 Hz低頻轉速正常運轉，軸流泵葉輪對介質清水做功。水池內的清水通過進口管道進入軸流泵從出口管路又回到水池內。

圖1 試驗布置圖

1.2 性能試驗

泵在25 Hz低頻轉速正常運行穩定后，進口壓力P1、出口壓力P2和流量Q能夠通過變送器傳輸到控制室，在控制室內讀取同一時間的進出口壓力、流量并記錄。通過進出口壓力值可計算出該流量Q下的揚程H值：

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

用測電機轉數儀器在聯軸器段測出轉數n，通過《現代泵理論與設計》手冊中相似換算公式，計算出對應額定轉數下的參數。

式中：n為泵轉速(r/min)；Q為泵流量(m3/h)；D為葉輪外徑(mm)；后綴帶M為額定轉速下的參數。通過以上測試值計算出對應額定轉速下流量揚程。

1.3 測量額定流量下對應的實際揚程

需要有對比性能下降3%的基礎點，額定流量下對應的實際揚程可以作為判斷汽蝕性能的基礎點。

額定點性能參數：流量QM=7 000 m3/h；揚程HM=33 m；轉速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低頻轉速正常運轉實測轉數為n=749 r/min，根據相似定律計算對應25 Hz下流量：Q=7 000×749÷1 480=3 542 m3/h。

通過調節出口閥大小使流量達到換算額定點，進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出口測壓與進口測壓高度差為0 m；測量讀取并記錄此時進出口壓力P1=10.5 kPa、P2=95.77 kPa；由軸流泵進出口管徑一樣，故進出口速度V2=V1。則實際額定點揚程：

作為判斷汽蝕與否的基礎點。

1.4 汽蝕出現點的判斷

測量計算完第一點性能后，通過變頻器依次提升0.5 Hz頻率，每次提升頻率運行穩定測量所對應的轉速，相似換算出該轉速下對應的額定測量流量[4]，調節出口閥開度使流量達到計算點，同時測量對應的進出口壓力P1、P2。每次都計算出對應實際揚程，計算出的揚程與所選基礎點進行差值比對，當揚程下降3%點即為汽蝕點，發生汽蝕后在繼續兩次提升0.5 Hz頻率。此時會發現泵在提升同樣頻率時，性能成直線下降的趨勢。

2 汽蝕余量的計算和測量值

2.1 計算汽蝕余量的公式

泵是用來增加液體壓力的機器，液體從葉輪進口到出口，壓力逐漸增加。但由于葉片進口環流的影響，通常泵內的最低壓力點通常發生在葉片背面進口后部，由于此處的相對速度變大。進口壓力損失和繞流引起的壓力降相對變大，另外由于葉片的彎曲，液體轉彎時離心力效應，此處壓力低，當此處壓力低于汽化壓力Pv時，則發生汽蝕[5]。

2.2 汽蝕余量的測量計算

根據不同頻率測量值依次計算出實際葉輪揚程和汽蝕余量，并制作成如表1所示。

表1 軸流泵汽蝕試驗數據

由記錄的試驗數據和計算結果，在頻率升高到29 Hz時對應實際轉速868 r/min，計算出規定轉速下的揚程為33.3 m。與判斷汽蝕與否的基礎點揚程34 m差值百分比為：

在頻率升高到29.5 Hz時對應實際轉速884 r/min，計算出規定轉速下的揚程為32.8 m。與判斷汽蝕與否的基礎點揚程34 m差值百分比為：

根據在29 Hz下測量的數值，查表得知水在25℃下汽化壓力為3.16 kPa。根據公式(4)計算得汽蝕余量NPSH=31.94 m。計算結果顯示在頻率升高到29 Hz之后泵發生汽蝕。此時會發現泵在發生汽蝕后提升同樣頻率，性能成直線下降的趨勢。根據試驗數據和計算結果生成汽蝕曲線如圖2所示。

圖2 汽蝕試驗曲線圖

2.3 根據經驗公式計算汽蝕余量

何希杰教授根據國標GB/T 13006規定的臨界汽蝕余量指標曲線，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為泵比轉數(r/min)。

對一系列幾何相似的泵，性能之間的綜合數據數據相等，其運動相似和幾何相似，可以找出之間相似關系的綜合數據，即比轉數ns：

式中：n為泵轉速(r/min)；Q為泵流量(m3/h)；H為揚程(m)。

由經驗公式(7)和(8)計算得汽蝕余量：

2.4 閥開度對管阻損失

對于紊流流態的液體：

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

閥門元件的流體阻力，閥門的流阻系數ζ取決于閥門產品的尺寸、結構以及內腔形狀等。可以認為，閥門體腔內的每個元件都可以看作為一個產生阻力的元件系統，閥門開度與阻力成反比關系。

在經過閥突然擴大會產生很大的壓力損失。這時流體部分速度消耗在形成渦流、流體的攪動、發熱、管道振動大、噪音大等方面。局部阻力系數與擴大前管路截面積A1和擴大后管路截面積A2之比的近似關系可用式(10)及式(11)表示。阻力系數如表2所示。

表2 阻力系數表

式中：ζ2為擴大后管路內介質速度下的阻力系數；ζ1為擴大前管路內介質速度下的阻力系數。

3 結語

文章是將變頻控制電機轉速運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，對泵性能換算到額定點與初始基礎值進行差值對比，揚程下降3%為汽蝕發生點所測量的汽蝕余量NPSH=31.94 m，根據國際規定的經驗公式計算汽蝕余量NPSH3=32.6 m，兩者結果相差不大。如果要測量軸流泵或大流量泵汽蝕余量通過進口閥來調節時，由于受閥的開度和流體突然擴大，這時流體部分速度消耗在形成渦流、流體的攪動、發熱、管道振動大。對測量進口壓力波動大，無法準確判斷軸流泵汽蝕發生點，所測的汽蝕余量不準確。因此變頻控制電機轉速運用到測量軸流泵或大流量泵汽蝕余量時更加安全可靠，并且測量值準確。并且對管道破壞性小。