淺談離心泵的汽蝕余量

文/袁帥 石梓良 李小明 趙寶超

本文作者供職于浙江石油化工有限公司。

離心泵汽蝕現(xiàn)象分析以及改造優(yōu)化措施總結(jié)——裝置的設(shè)計汽蝕余量與離心泵本身固有的汽蝕余量二者對運(yùn)行工況裕度共同起決定性作用，本文對國內(nèi)某煉化一體化公司煉油裝置擴(kuò)能改造情況從機(jī)泵汽蝕余量方面進(jìn)行了分析與論述，以保證設(shè)備遠(yuǎn)離汽蝕工況作為主要優(yōu)化方向，并簡要探討了機(jī)泵性能參數(shù)變化對汽蝕余量的影響。

目前離心泵的選用普遍率在全世界煉化企業(yè)裝置中占比高達(dá)90%以上。其在穩(wěn)定工況運(yùn)行直接影響著裝置的長周期連續(xù)生產(chǎn)和安全性。因此掌握離心泵的特性，是管理人員乃至操作人員必不可少的技能。造成離心泵故障原因主要分為兩個方面，一是設(shè)備本體的機(jī)械故障（泵本體、聯(lián)軸器、電動機(jī)），二是系統(tǒng)管網(wǎng)及介質(zhì)特性遠(yuǎn)離設(shè)計工況間接造成設(shè)備故障。其中，汽蝕現(xiàn)象是對運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備造成的嚴(yán)重不良影響之一。不但破壞離心泵的水力性能，而且會伴隨著噪聲和振動，長時間運(yùn)行會導(dǎo)致葉輪、口環(huán)、密封等壽命大幅縮短，甚至造成嚴(yán)重安全事故。

離心泵的汽蝕機(jī)理

汽蝕余量的機(jī)理

眾所周知，汽蝕余量主要是由于介質(zhì)通過泵入口進(jìn)入到葉輪中心位置低壓區(qū)，當(dāng)所處環(huán)境壓力降低到當(dāng)前溫度的汽化壓力時，便形成大量的氣泡，隨著離心力的作用，葉輪旋轉(zhuǎn)逐漸將氣泡從低壓區(qū)帶入到葉輪邊緣高壓區(qū)，此時氣泡承受不住高壓環(huán)境瞬間破滅，形成真空，周圍液體以很高的速度填充，此時將對金屬表面產(chǎn)生很強(qiáng)烈的沖擊，損壞葉輪。通常，要求運(yùn)行工況下NPSHa≥NPSHr＋0.5 m，才能保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。如公式（1），裝置的汽蝕余量關(guān)鍵影響因素為V0和W0，NPSHr近似與泵葉片進(jìn)口流速平方成正比，其為泵的固有特性，不會隨使用條件而改變，NPSHr表示泵的抗汽蝕性能，值越小，抗汽蝕性能越好，NPSHr隨流量的增加而增加。如公式（2)，離心泵自身的汽蝕余量影響因素為PC，NPSHa與裝置參數(shù)和液體介質(zhì)有關(guān)，和泵本身沒有關(guān)系，值越大，抗汽蝕性能越好。NPSHa隨流量增加而減小。

必須汽蝕余量為：

式中：

V0——葉片進(jìn)口前的絕對速度；

W0——葉片進(jìn)口前的相對速度；

λ——葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。

有效汽蝕余量為：

式中：

Pc——進(jìn)口水池液面絕對壓力；

hc——進(jìn)口管路阻力損失；

Pv——液體飽和蒸氣壓；

hg——泵安裝高度。

汽蝕余量的影響因素

汽蝕余量與介質(zhì)的飽和蒸氣壓有著密切關(guān)系，介質(zhì)的飽和蒸氣壓會隨著溫度的升高而升高。所以對汽蝕余量起決定作用的就是介質(zhì)的溫度和壓力。在一定溫度下，若介質(zhì)所處的密閉環(huán)境壓力降低至該溫度下的汽化壓力，將會導(dǎo)致汽蝕的產(chǎn)生。同理，在一定壓力下，若介質(zhì)的溫度升高到該壓力下的汽化壓力，也會導(dǎo)致汽蝕的產(chǎn)生。

汽蝕余量的判別準(zhǔn)則

離心泵的汽蝕余量會隨著流量的增大而增大，而裝置汽蝕余量會隨著流量的增大而降低。如圖1所示，當(dāng)泵在二者交點(diǎn)左側(cè)工況運(yùn)行（NPSHa＞NPSHr）時，離心泵不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象；當(dāng)在交點(diǎn)工況運(yùn)行（NPSHa=NPSHr）時，離心泵開始發(fā)生臨界汽蝕現(xiàn)象；而當(dāng)在交點(diǎn)右側(cè)運(yùn)行（NPSHa＜NPSHr）時，離心泵將處于嚴(yán)重汽蝕工況。

圖1 裝置汽蝕余量與設(shè)備汽蝕余量曲線

汽蝕余量的設(shè)計對離心泵的影響

離心泵改造案例分析

某煉油裝置為了應(yīng)對市場產(chǎn)品的需求，現(xiàn)計劃將原設(shè)計70萬t/a氣體分餾裝置加工負(fù)荷增加至125%，即裝置操作彈性由原設(shè)計值60%~110%擴(kuò)能改造為60%~125%。根據(jù)API610規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，泵在設(shè)計過程中，性能曲線上會體現(xiàn)3條不同葉輪直徑（即泵所能承受的最小設(shè)計葉輪直徑、當(dāng)前選擇的葉輪直徑及最大設(shè)計葉輪直徑）以應(yīng)對不同工況。為了節(jié)約成本，降低現(xiàn)場施工工作量。

首先考慮，在設(shè)計范圍內(nèi)僅更改現(xiàn)有葉輪直徑即可滿足擴(kuò)能改造所需流量的要求，無需更改泵型。設(shè)計單位對該裝置擴(kuò)能改造，改造前后數(shù)據(jù)對比見表1。序號1~4可根據(jù)性能曲線相應(yīng)增擴(kuò)葉輪直徑即可滿足實(shí)際流量需求并且各參數(shù)均在設(shè)計。序號5、6雖然經(jīng)擴(kuò)大葉輪直徑可滿足于擴(kuò)能所需的額定流量，但在該工況下機(jī)泵的NPSHa與NPSHr已無調(diào)整空間或非常接近，很容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，所以只能通過改變泵型來滿足要求。

表1 擴(kuò)能改造前后數(shù)據(jù)核算對比結(jié)果

設(shè)計優(yōu)化措施

設(shè)計單位要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件最大限度地增加裝置汽蝕余量，對于設(shè)計單位而言，轉(zhuǎn)動設(shè)備的設(shè)計工作是由機(jī)械專業(yè)部門來完成，而裝置汽蝕余量的設(shè)計更偏向于管道專業(yè)部門，若兩個部門對接不充分就會造成信息不對等，互相影響，進(jìn)而使裝置設(shè)計不能達(dá)到最優(yōu)選擇。機(jī)泵在選型設(shè)計階段要在滿足裝置生產(chǎn)需要前提下最大限度降低設(shè)備自身汽蝕余量需求，以此增加較寬的運(yùn)行工況裕度。由于各泵廠設(shè)計的葉輪與泵喉部較近，會對水力擾流影響較大，所以葉輪的設(shè)計按以往經(jīng)驗(yàn)要小于最大設(shè)計葉輪直徑10%。原始設(shè)計階段設(shè)計單位與制造廠要加強(qiáng)溝通，使裝置汽蝕余量滿足于設(shè)備升級改造后的所有條件（避免造成本次改造狀況，雖葉輪最大直徑滿足生產(chǎn)需求但對于其他參數(shù)的設(shè)計考慮不夠充分）。

結(jié)論

汽蝕現(xiàn)象會造成運(yùn)行工況惡化，縮短設(shè)備的使用壽命，所以掌握泵的汽蝕性能，不僅保證設(shè)備的合理運(yùn)行，而且可以提高工作效率，達(dá)到裝置的安穩(wěn)優(yōu)。因此，不僅要在安裝、運(yùn)行階段把控質(zhì)量，更重要的是在設(shè)計階段追求細(xì)節(jié)，精益求精，這樣才能保證設(shè)備長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，為生產(chǎn)提供保障。