葉片泵在炭黑生產中輸送碳酸鉀溶液的應用效果分析

張勇，路華東，郝之勇

(山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司，山東 薛城 277000)

炭黑生產過程中，為調整炭黑在反應過程中的結構高低，控制炭黑的吸油值，需要用泵輸送一定濃度的碳酸鉀溶液進入反應爐。泵輸送碳酸鉀溶液的流量較少，一般要求在20～60 kg/h左右，高于或低于這個范圍值，通常會采取改變濃度的方式，讓溶液的添加量保證在允許范圍內，以減少對炭黑反應溫度的影響，從而實現炭黑生產過程中吸油值的穩定。

某炭黑生產企業原用離心泵輸送碳酸鉀溶液，功率為5.5 kW，流量為1 m3/h，揚程為80 m。由于使用流量低，94%的流量需要回流到溶液配制罐內。在離心泵葉輪與泵殼之間的摩擦力持續作用下，碳酸鉀溶液配制罐內溫度持續升高，造成離心泵氣蝕，進而產生異響、振動及壓力波動，最終導致離心泵無法正常使用。

2019年9月某炭黑生產企業將離心泵更換為了葉片泵，功率為1.1 kW，流量為0.6 m3/h，揚程為99 m。自使用葉片泵以來，不僅泵的出口壓力非常穩定，沒有發生過氣蝕現象，對炭黑的吸油值穩定控制非常有幫助，而且還節省了80%的用電。本文現就通過實踐應用，對炭黑生產中使用葉片泵輸送碳酸鉀溶液，使炭黑吸油值控制穩定，運行中過程運行故障率低、壓力波動小、節能等方面進行分析。

1 葉片泵的工作原理

葉片泵按葉片在泵軸每轉過程中在葉片小室的吸排油次數可分為單作用葉片泵、雙作用葉片泵和多作用葉片泵；按排量是否可變，分為定量泵和變量泵；按葉片設置的部位不同，分為普通葉片泵（葉片在轉子上）和凸輪轉子葉片泵（葉片在定子上）；按壓力等級不同，分為中低壓葉片泵（7 MPa以下）、中高壓葉片泵（16 MPa以下）和高壓葉片泵（20～30 MPa以下）。本文主要介紹單作用葉片泵和雙作用葉片泵。

1.1 單作用葉片泵

1.1.1 單作用葉片泵工作原理

單作用葉片泵工作原理如圖1所示。泵的結構包括：轉子、定子、葉片、配油盤和端蓋等。定子的內表面是圓柱形孔。轉子和定子之間存在偏心。

圖1 單作用葉片泵工作原理

葉片在轉子的槽內可以靈活滑動，在轉子轉動時的離心力以及通入葉片根部壓力油的作用下，葉片頂部貼緊在定子內表面上，相鄰葉片、配油盤、定子和轉子間形成一個個密閉的工作腔。當轉子按逆時針方向旋轉時，圖示中泵右側的葉片會向外伸出，密封工作腔容積逐漸增大，產生真空，于是通過吸油口5和配油盤上的窗口將油吸入。在圖示泵的左側，葉片網內收縮，密封腔的容積逐漸縮小，密封腔中的油液經配油盤的另一窗口和壓油口1被壓出而送入系統中。

1.1.2 單作用泵的結構特點

單作用泵的結構特點如下：

（1）轉子和定子間存在偏心。

（2）泵在轉子轉一轉的過程中，吸壓油各一次。

（3）轉子受到徑向液壓不平衡作用力，故又稱非平衡式泵。

（4）改變轉子和定子間的偏心距，可以改變泵的排量，故單作用葉片泵都是變量泵。

1.1.3 排量與流量計算

單作用葉片泵的排量Vp近似等于兩相鄰葉片間密封容積的最大值與最小值之差乘以葉片數，如計算簡圖示，則有

式中，B—葉片寬度；

D—定子內徑 ；

e—偏心距。

圖2 單作用葉片泵排量計算簡圖

由上式可以得到單作用葉片泵的實際輸出流量為

式中，n—泵的轉速；

ηv—泵的容積效率。

單作用葉片泵的瞬時流量是脈動的，泵內葉片數越多，流量脈動率越小。此外，奇數葉片泵的脈動率比偶數葉片泵的脈動率小，所以單作用葉片泵的葉片數一般為13片或15片。

1.2 雙作用葉片泵

1.2.1 雙作用葉片泵工作原理

雙作用葉片泵作用原理跟單作用葉片泵相似，不同之處在于定子表面由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和四段過渡曲線等8個部分組成，且定子和轉子式同心的。

當轉子轉動時，葉片在離心力和底部壓力油作用下，在葉片槽內作徑向運動并壓向定子內表面。由葉片、定子內表面、轉子外表面和兩側配油盤組成若干密封空間。

當轉子按圖3所示方向轉動時，密封工作腔的容積在左上角和右下角處逐漸增大，為吸油區，在左下角和右上角逐漸減小，為壓油區。吸油區與壓油區間由一段封油區把它們隔開。

圖3 雙作用葉片泵工作原理

1.2.2 雙作用葉片泵的結構特點

雙作用葉片泵的結構特點如下：

（1）定子和轉子是同心的。

（2）轉子每轉一周，每個密封工作腔完成吸油和壓油動作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵。

（3）泵的兩個吸油區和兩個壓油區徑向對稱，作用在轉子上的液壓力徑向平衡，所以又稱作平衡式葉片泵。

1.2.3 排量與流量計算

雙作用葉片泵的排量為

式中，R，r—分別為定子圓弧部分的長短半徑；

θ—葉片的傾角；

S—葉片的厚度。

雙作用葉片泵的實際流量為

1.2.4 葉片與流量脈動關系

葉片泵流量脈動率與葉片數、葉片厚度及葉片在槽內運動的加、減速度成正比。從轉子強度與降低流量脈動兩方面考慮，葉片數應該越少越好。但葉片數必須同過渡曲線形狀匹配，且滿足密封容腔的分隔要求，一般取8～18，以12、16為最佳。

葉片厚度越薄，對降低流量脈動率越好。但應滿足強度和剛度要求，一般取1.8～2.5 mm。

2 葉片泵在炭黑生產中輸送碳酸鉀溶液的測試情況

2019年9月26日8:00-10月3日8:00，對某炭黑生產企業的碳酸鉀溶液輸送效果進行了測試，測試情況如下：

2.1 測試方案

（1）測試離心泵在碳酸鉀溶液輸送過程中壓力穩定性，并截取連續運行7日的DCS歷史數據分析其變化趨勢。

（2）葉片泵輸送碳酸鉀溶液連續運行7日，測試壓力穩定性，并截取DCS歷史數據分析其變化趨勢。

2.2 測試步驟

（1）確認攪拌器，管線閥門，反應爐狀態正常。

（2）配制碳酸鉀溶液，使濃度為2.5%，溫度控制在 25±4 ℃。

（3）啟動泵，根據工藝要求設定流量。

（4）設定壓力調節閥壓力控制在7 kg/cm2。

（5）根據工藝要求調整碳酸鉀溶液的濃度和流量，觀察泵的壓力變化。

2.3 測試結果

（1）調取 3月 25日 08:00～4月 1日 08:00離心泵輸送碳酸鉀壓力曲線，如圖4所示。

圖4 離心泵輸送碳酸鉀壓力曲線

（2）9月 26日 08:00～10月 3日 08:00測試葉片泵輸送碳酸鉀壓力穩定性。

碳酸鉀濃度2.5%，流量根據工藝要求進行調整，壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 壓力變化曲線圖

3 結論

于2019年9月26日8:00至2019的10月3日8:00對葉片泵在碳酸鉀輸送過程中相關性能進行了測試，并和離心泵的性能進行了對比。葉片泵出口壓力一直穩定在7.5 kg/cm2,離心泵出口壓力則在7.5±2 kg/cm2波動。

葉片泵能極大程度地保證輸送過程的穩定性，減少產品質量的波動。設備的穩定運行能減少設備損耗，降低故障率和維修費用，保證生產系統穩定性，減少維修成本的消耗。