工業循環水泵及管線的計算與選型

侯晨茹,南君芳,張葉新,薛建森,蘇江峰

(國投金城冶金有限責任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

泵在化工、船舶、國防等行業有著廣泛的應用,既可以輸送水、油、酸、堿液等液體,也可輸送含懸浮固體物等流體。在實際生產中,如果需要實現某種流體的空間傳輸,往往會選擇工業泵為流體提供動力,將機械能轉化成流體運動所需要的動能,實現流體輸送任務。若泵選擇的過大或過小,會存在汽蝕、振動、卡頓等風險,長此以往,導致較高的維修成本和較短的使用壽命。因此,根據工況科學合理地選擇工業泵,一方面充分利用泵的最佳效率點,提升輸送效率;另一面有效降低生產成本,實現效益最大化。

在某生產車間建設期間,需要對高溫設備配備一套冷卻系統,涉及到相關泵的選型,本文以此為例,給出工業泵選型的步驟及思路,為相關行業技術人員提供參考。總的思路先根據廠房建設布局進行管線走向基礎設計,此外依據工藝計算需要輸送的流量任務,利用輸送任務推算出管徑的大小、流體流動狀態、阻力損失等相關數據,確定泵的揚程,根據流量、揚程、輸送介質的物理性質選擇合適的工業泵。

1 設計目標

在冶煉行業,一般采用水冷方式對高溫部件進行熱交換,對其降溫并改善工作環境。以某建設生產車間為例,車間準備增加一臺火法提純爐設備,預估生產時設備的運行溫度為650 ℃。生產時原料通過料盤(材質為304 不銹鋼)裝滿后推進爐體,原料在爐體內加熱揮發,揮發時間設計為6 h,完成揮發后料盤被傳送機構拉出爐體,轉運至冷卻床,通過底部冷卻床對料盤冷卻降溫至室溫(20 ℃),冷卻時間設計為4 h。為了在預期的時間內達到預定的冷卻效果,需要提前估算總的循環水量。

1.1 確定輸送的流量

假設揮發料盤的熱量全部通過循環水帶走熱量,根據式(1)計算料盤總的熱量Q。

式中Q—熱量,kJ;

C—熱容,kJ/kg/℃;

T2、T1—料盤的最終溫度、初始溫度,℃。

已知揮發料盤為304 材質,密度ρ為7.98 ×103kg/m3,體積V為2.448 m3,質量m為1 953.5 kg,比熱容C為0.5 kJ/kg/℃,揮發料盤的初始溫度T1為650 ℃,最終冷卻溫度T2為20 ℃,最終可以計算得:總的熱量Q為6 153 537.6 kJ。

根據式(2)計算循環水的體積流量Qv。

式中Qv—體積流量,m3/h;

Q—料盤總的熱量,kJ;

C＇—水的熱容,kJ/kg/℃;

t—冷卻時間,h;

△T—循環水冷卻前后的溫度差,℃。

根據式(1)得到總的熱量Q為6 153 537.6 kJ,這些熱量全部由水帶走。查得水的比熱容C＇為4.2 kJ/kg/℃,冷卻時間t為4 h,溫度差△T設計為10℃,將上述參數帶入式(2),可以求得循環水的體積流量Qv為36.628 m3/h。

1.2 確定設計的目標任務

根據1.1 中得到本次設計的任務是選擇合適的泵將流量為37 m3/h 的循環水送到冷卻床。根據基礎設計泵的入口管道長度l1為0.5 m,出口管道長度l2為17 m,在管道拐彎處焊接4 個標準90°彎頭,在泵的進口、出口、冷卻盤進水口各安裝一個閘閥便于調節流量,為統計冷卻水消耗的用量,管道中間安裝一個渦輪流量計測量流量,管道敷設如圖1 所示。

圖1 循環水管道敷設圖

2 設計計算

2.1 確定輸送流體管徑

在輸送流量確定的情況下,根據設計經驗選擇泵入口流速為1.50 m/s,泵出口流速為3.00 m/s。管徑與流體流速成反比,設計流速越大,管徑越細,反之設計流速越小,則所需要配置的管徑則越粗,因此確定管徑的根本在于選擇流體的流速。因為管道內的流體是循環水,管道選擇普通碳鋼無縫管即可,根據式(3)分別計算泵進口和出口的管徑。

式中ν—管道流速,m/s;

d—管道直徑,mm;

Qv—體積流量,m3/h。

將式(2)計算得到的體積流量帶入,分別得到泵入口管的內徑d1為93 mm,泵出口的管內徑d2為66 mm。通過查詢無縫鋼管的標準尺寸[1],選擇泵入口管規格Φ102 ×4 mm,泵出口管規格Φ73 ×4 mm。將新的管內徑分別帶入式(3)核算泵入口管的流速為1.46 m/s,泵出口管的流速為3.07 m/s。

2.2 確定流體的流動狀態

流體在管道內受到的摩擦力與流體的流動狀態有著密切的關系,同時摩擦力的大小會對泵的選擇產生直接的影響,因此確定流體的流動狀態是一項重要工作。流體力學中根據雷諾數Re判斷管道內流體的流動狀態,當Re≤2 000 時,流體中各質點全部延軸線方向運動,并且流體各質點之間相互獨立、互不影響,流體的這種流動狀態為層流;當2 000≤Re≤4 000 時,流體各質點之間不再是簡單的軸線運動,開始相互作用,出現小范圍擾動,此時流體的流動狀態處于過渡區;當Re≥4 000 時,流體質點伴有嚴重的橫向擾動,質點之間彼此相互影響,流體處于湍流區[2]。根據式(4)計算流體流動的雷諾數Re。

式中ρ—流體密度,kg/m3;

ν—管道流速,m/s;

d—管道直徑,mm;

μ—流體黏度,Pa·s;

Re—雷諾數。

將水的密度(1000 kg/m3)、黏度(0.00298 Pa·s)和進出口管的流速、管徑數值分別帶入(4)式,計算得入口管的雷諾數Re1為46 270,大于4 000,可以認為入口管的流動狀態為湍流[2];同樣得到出口管的雷諾數Re2為66 914,大于4 000,出口管的流動狀態為湍流。

湍流狀態下,流體在管道中流動時,其摩擦阻力系數λ的值與管壁的相對粗糙度ε＇有關,相對粗糙度的計算如(5)式所示。

式中d—管子內徑,mm;

ε—絕對粗糙度,mm;

ε＇—相對粗糙度。

查得無縫鋼管絕對粗糙度為0.2 mm,分別帶入管徑數值d1、d2,得到進出口管子的相對粗糙度、分別為0.002 13、0.003 077。查詢摩擦阻力系數λ與雷諾數Re、相對粗糙度ε＇關系圖[2],得到進口管道的摩擦阻力系數λ1為0.025 2,出口管道的摩擦阻力系數λ2為0.025 3。

2.3 泵將流體從水箱輸送到冷卻床的阻力損失計算

泵將流體從水箱輸送到冷卻床的過程中,流體的阻力損失主要由兩部分組成,一部分是由流體流動時管道的摩擦阻力帶來的損失,另一部分是管件帶來的局部阻力損失,總的阻力損失是二者之和,計算如式(6)。

式中:λ—管道的摩擦阻力系數;

l—管道長度,m;

d—管子內徑,m;

Σζ—管件的阻力系數之和;

v—流體的流速,m/s;

hf—阻力損失,m。

各管件的阻力系數如表1 所示。

表1 各管件的阻力系數

帶入相應數值,計算得泵的入口端的阻力損失hf1為0.086 5 m,出口端的阻力損失hf2為6.736 0 m。

由式(7)計算得整個系統內總的阻力損失Σhf為6.822 6 m。

2.4 泵將流體從水箱輸送到冷卻床所需揚程計算

揚程是指泵的有效壓頭,即單位質量流體通過泵獲得的能量凈增加值,是泵的重要工作性能參數,可表示為流體的壓力能頭、動能頭和位能頭的增加[3]。為了計算流體從水箱輸送到冷卻床的揚程值,在A、B液面之間使用伯努利方程,根據式(8)計算揚程。

式中:h—所需揚程,m;

△z—A、B 液面高度差,m;

g—重力加速度,m/s2;

△ν—A、B 液面流速差,m/s;

△p—A、B 液面壓力差,Pa;

ρ—流體密度,kg/m3;

Σhf—阻力損失,m。

因為設計任務中的水箱和冷卻床均是敞口容器,所以A、B 液面壓力差△p為0,A、B 液面流速差△ν為0。A、B 液面高度差△z為1 m,阻力損失Σhf為6.822 6 m,計算得到揚程h為7.822 6 m。通常情況下,泵所需要的額定揚程是計算揚程的1.05～1.1 倍,所以最終的揚程h確定為8.6 m。

3 泵的選型

在選擇合適的泵輸送流體前主要考慮的因素有流體的物化性質、流量Qv、揚程h,所選泵的型號和性能必須符合生產現場所需的流量、揚程、溫度等工藝參數的要求。

3.1 輸送流體的物理化學性質

流體的物理化學性質主要影響選擇泵的葉輪材質、驅動力、密封性。當輸送的流體易燃、易爆、有毒,則對泵的軸封要求較高,可采用無泄漏泵,如選擇隔膜泵、屏蔽泵;當輸送的流體腐蝕性較強,則要求泵的葉輪采用耐腐蝕性材料,如工程塑料磁力驅動泵、不銹鋼耐腐蝕泵等[4];當輸送的流體摻雜有固體顆粒時,則必須選擇采用耐磨材料制成的對流部件的泵。此外,軸封采用清潔液體沖洗[5]。

基于本設計敷設的管路,輸送的流體是新水,溫度在20 ℃左右,故選擇材質為普通鑄鐵材質的泵即可。此外考慮到現場空間有限、工況復雜等情況,選用ISGB 立式便拆式管道離心泵,與市面上其它ISG管道離心泵、IS 離心泵、SH 雙吸離心泵等常規離心泵相比,ISGB 立式便拆式管道離心泵增加了加長聯軸器的結構,更換泵內部配件時無需挪動電機,也無需拆卸泵體和管道,可以直接在線更換,具有運轉更平穩、使用壽命長、配套更方便、維護保養更輕松等的優點。

3.2 工藝參數

泵的類型確定好之后,下一步需要考慮的是生產時的工藝參數,進而確定泵的具體序列。本次設計的輸送任務要將流量Qv為37 m3/h,揚程h為8.6 m,可以選擇泵型號為ISGB65-12.5(Ⅰ),具體相關參數如表2 所示。

表2 泵的性能參數

3.3 設計分析

此項設計作以下幾點說明:①計算局部阻力時按照閥門全開設計,實際中會根據生產情況調節閥門的開度。閥門關小會使管道內流體的流量減小,同時會使局部阻力系數增大,管道的特性曲線變陡,揚程會增加;②設計時利用雷諾數Re和管道的相對粗糙度ε＇查詢流體在管道中的摩擦系數λ,存在一定的誤差;③在本文中只對泵的選型做了介紹,實際工業建設時,在泵的型號選好之后,要根據實際情況確定泵的工作點和允許安裝高度。

3.4 水泵安裝注意事項

選擇好合適的水泵之后,在現場安裝時必須注意以下幾點:①首先水泵在安裝時不能受力,因此盡可能保證管路的進出口軸線安裝在一條直線上,因此水泵前后進出口部件需要用鋼角架支撐固定或吊起來,不能出現晃動的情況;②在水泵的進口要安裝過濾器,并且水泵與管路連接前要沖洗,避免系統內留有殘渣,在高壓運轉下使葉片快速磨損,影響水泵的使用壽命;③在水泵進出口處盡可能安裝壓力表,以便實時觀察系統內的壓力情況,進行流量和壓力調節。

3.5 水泵啟動前的準備工作

水泵在正式投入使用前要進行試運行,啟動前認真檢查泵的相關部件(出入口管線、支架、閥門、壓力表接頭)是否符合安裝規范,緊固件(地腳螺栓、法蘭等)有無松動,冷卻水是否暢通。安排現場作業人員啟泵前盤車,檢查轉子是否轉動輕松靈活,檢查泵體內是否有金屬撞擊聲或摩擦聲。

3.6 水泵試運轉

檢查完成后泵入口閥門全開,關閉出口閥,啟動電機,全面檢查機泵的運轉情況,觀察是否有漏水情況,及時做好試運轉記錄,以便后期整改。

3.7 水泵使用注意事項

水泵在正常使用時還應注意以下幾點:①在任何情況下都不允許離心泵空轉,避免損壞零部件,在長期運行時,現場作業人員要關注離心泵的運轉聲音,出現異響及時上報,避免出現故障耽誤生產;②離心泵啟動后,在出口閥未開的情況下,不能長時間運轉,因此電機啟動后及時打開出口閥;③離心泵不允許用入口閥來調節流量,而應用出口閥來調節系統的流量;④在正常情況下,離心泵運行的最小流量應不低于額定流量的三分之一。

4 結論

通過輸送流量、管道直徑、流動狀態、阻力損失和揚程的計算分析,最終得到以下結論。

1)要實現在4 小時內將料盤冷卻至室溫,需要循環水的流量為37 m3/h。

2)根據設計經驗選擇管線的流速,確定泵的入口管規格Φ102 ×4 mm,出口管規格Φ73 ×4 mm。

3)根據輸送任務和廠房布局敷設循環水管線,循環水的流動狀態為湍流,阻力損失6.822 6 m,揚程8.6 m,選擇泵型號為ISGB65-12.5(Ⅰ)。

4)水泵的安裝、運行必須符合規范,才能保證水泵長期穩定運轉。