Câteva concepții greșite despre selectarea și aplicarea pompelor centrifuge

Achiziționarea unei-pompe centrifuge de înaltă calitate care îndeplinește standardele de producție este doar punctul de plecare, nu obiectivul final, pentru a asigura funcționarea sistemului fără probleme-pe termen lung-. Dacă echipamentul nu este proiectat să fie compatibil cu scenarii specifice de aplicație, chiar și cei mai impresionanți parametri de performanță vor duce inevitabil la probleme de adaptare la mediul real. Fiecare pompă centrifugă are punctul său de funcționare optim prestabilit și domeniul de funcționare permis. Odată ce condițiile reale de funcționare deviază de la limitele de proiectare-fie în ceea ce privește debitul, înălțimea de aspirație pozitivă (NPSH), caracteristicile mediului sau metodele de pornire-și oprire-, aceasta va amenința direct stabilitatea hidraulică, fiabilitatea mecanică și durata de viață a unității de pompare.

Acest articol, pe baza experienței în practică inginerească, va explica și clarifica unele concepții greșite comune în selectarea și aplicarea pompelor centrifuge, pentru a evita ca utilizatorii să ia o selecție necorespunzătoare a produselor și să ia decizii de aplicare.

 

 

• Câteva concepții greșite comune în selecția produselor

 

Cu cât eficiența este mai mare, cu atât mai bine

„Eficiența” este indicatorul de bază pentru măsurarea performanței hidraulice a unei pompe și este, de asemenea, cel mai direct punct de plecare pentru ca utilizatorii să se concentreze pe costurile consumului de energie. Cu toate acestea, dacă obiectivul de maximizare a eficienței pompei este urmărit unilateral, de multe ori trebuie făcute compromisuri multiple în faza de proiectare, care pot afecta robustețea echipamentului și fiabilitatea funcționării pe termen lung-lui.

Eficiența ridicată, care se traduce în mod natural într-un consum mai mic de energie de operare, este atât o așteptare comună a utilizatorilor, cât și o forță motrice principală din spatele inovației continue pentru producătorii de pompe. Este considerat un „obiectiv”, deoarece în condiții critice de funcționare care necesită funcționare continuă-pe lungă, cum ar fi centralele nucleare, termice și petrochimice, siguranța și stabilitatea (adică fiabilitatea) unităților de pompare sunt întotdeauna primordiale.

Obținerea unui design cu-eficiență ridicată implică în mod obișnuit mai multe caracteristici tehnice: distanțe de funcționare mai mici (inele de uzură, mecanisme de echilibrare etc.), arbori de pompă mai lungi și mai flexibili, cerințe stricte de toleranță și cel mai neted posibil profil al căii de curgere. În timp ce aceste modele îmbunătățesc eficiența hidraulică într-o oarecare măsură, ele fac, de asemenea, echipamentul mai sensibil la curățenia media, fluctuațiile condițiilor de funcționare și alinierea instalării, crescând astfel frecvența de întreținere, ridicând barierele tehnice și ridicând costurile pieselor de schimb pentru utilizatori.

Producătorii, bazați pe poziționare pe piață și strategii de produs diferite, se concentrează în filozofiile lor de proiectare a pompelor: unii acordă prioritate eficienței energetice, unii consideră fiabilitatea ca un principiu de bază, iar alții urmăresc o durată de viață ultra-lungă în condiții de funcționare extreme. În anii 1980, piața de generare a energiei termice din China s-a dezvoltat rapid, atrăgând numeroși furnizori de pompe pentru centrale electrice de renume internațional. Majoritatea producătorilor au folosit siguranța și fiabilitatea ca bariere tehnice, dar o companie străină a intrat pe piață cu „cea mai mare eficiență din industrie” ca avantaj diferențiator. Deși eficiența sa măsurată inițială a fost într-adevăr cu 1% până la 2% mai mare decât concurenții săi, a suferit frecvent accidente de rupere a arborelui după punere în funcțiune și a fost în cele din urmă alungată de pe piața electrică chineză. Acest caz ilustrează profund că pompele centrifuge nu sunt neapărat mai bune cu cât eficiența este mai mare; o strategie de proiectare care sacrifică fiabilitatea pentru eficiență echivalează cu consumul de otravă pentru a potoli setea în condiții critice de funcționare.

 

Cu cât înălțimea netă pozitivă de aspirație (NPSH) necesară pompei este mai mică, cu atât mai bine.

Pentru utilizatori, cu cât este mai mic înălțimea netă pozitivă de aspirație (NPSHR) al pompei, cu atât mai bine, deoarece acest lucru poate reduce semnificativ înălțimea instalației (adică capul net pozitiv de aspirație NPSHA) și poate reduce efectiv costurile de investiție.

În majoritatea sistemelor de pompe, NPSHA tinde să scadă odată cu creșterea debitului, în timp ce NPSHR tinde să crească odată cu creșterea debitului. Prin urmare, înainte de proiectarea sistemului, trebuie luate în considerare recomandările producătorului pompei și experiența în aplicare și trebuie asigurată o marjă de siguranță suficientă în cadrul tuturor debitelor de funcționare așteptate. În același timp, atunci când se determină înălțimea de aspirație pozitivă net, cumpărătorul și vânzătorul ar trebui să clarifice relația dintre debitul minim continuu stabil și viteza specifică de aspirație a pompei. În general, debitul minim continuu stabil al pompei crește odată cu creșterea vitezei specifice de aspirație... Când selectați viteza specifică de aspirație și marja de siguranță NPSH, trebuie luate în considerare standardele industriale existente și experiența producătorului.

La aceeași viteză și debit, cu cât NPSHR este mai mic, cu atât viteza specifică de aspirație a pompei este mai mare. În comparație cu modelele de pompe cu viteze specifice de aspirație mai mici, pompele cu viteze specifice de aspirație mai mari sunt mai susceptibile de a întâmpina vibrații și zgomote nedorite, iar intervalul de funcționare permis devine, de asemenea, mai îngust. În ceea ce privește impactul vitezei specifice de aspirație asupra fiabilității în funcționare a pompelor centrifuge, colegii internaționali au o experiență vastă în aplicații de inginerie și au furnizat limite maxime pentru viteza specifică de aspirație, care pot fi folosite ca referință la selectarea pompelor. Dintre acestea, limita pentru viteza specifică de aspirație specificată în UOP 5-11-7 [2] a fost recunoscută și aplicată pe scară largă la nivel global, iar prevederile acesteia sunt următoarele: viteza specifică de aspirație a pompei nu trebuie să depășească 13000 (m3/h, rpm m); când mediul de pompare este apă sau o soluție cu un conținut de apă care depășește 50%, iar puterea rotorului cu o singură treaptă a pompei depășește 75 kW, viteza specifică de aspirație nu trebuie să depășească 11000 (m3/h, rpm, m). Odată cu dezvoltarea științei și tehnologiei, astăzi, fără a crește diametrul de intrare a rotorului, există multe modalități de a îmbunătăți performanța de aspirație a pompelor centrifuge, iar limita pentru viteza specifică de aspirație a fost, de asemenea, crescută în consecință. După ce a studiat produsele multor companii multinaționale (cum ar fi EBARA, KSB, ITT etc.), autorul a constatat că tipul BB2, proiectat folosind metode moderne de proiectare (mai degrabă decât metoda tradițională de creștere a diametrului de intrare a rotorului), poate atinge o limită de viteză specifică de aspirație de aproximativ 14.400 (m3/h, rpm, m).

Prin urmare, utilizatorii nu ar trebui să urmărească orbește „NPSH3 scăzut” fără a lua în considerare condițiile reale de funcționare. În schimb, ar trebui să colaboreze cu producătorii pentru a lăsa o marjă suficientă și rezonabilă între înălțimea de aspirație pozitivă netă a unității (NPSHA) și înălțimea de aspirație netă pozitivă necesară a pompei (NPSH3), evaluând în același timp cu atenție riscurile de stabilitate operațională care pot fi cauzate de proiectarea vitezei specifice de aspirație ridicată.

 

Cu cât viteza critică a pompei este mai departe de viteza reală, cu atât mai bine.

Viteza critică se referă la viteza caracteristică la care rezonează un sistem rotor, iar valoarea acesteia depinde de rigiditatea rotorului, rigiditatea suportului și distribuția masei. În procesele reale de licitație de inginerie, din cauza evitării excesive a riscurilor de rezonanță, cumpărătorii tind să solicite ca viteza critică transversală a primului-comandă să fie cât mai departe posibil de viteza nominală a pompei (de exemplu, documentele de licitație inițiale pentru pompele convenționale de apă de alimentare cu insulă din centralele nucleare necesitau ca „prima turație critică a sistemului de pompare în apă”) să fie mai mare decât viteza de funcționare a sistemului de pompare în apă) să corespundă cu 125% din viteza sa de funcționare. Câțiva ani mai târziu, acest procent a fost majorat la 135%, iar în cea mai recentă licitație s-a cerut chiar să ajungă la 150%, respectând totuși standardele actuale de eficiență energetică.

 

Din perspectivă dinamică, creșterea vitezei critice până la un punct departe de intervalul de viteză de funcționare este pe deplin fezabilă - pur și simplu prin creșterea diametrului arborelui, scurtarea deschiderii sau creșterea rigidității suportului. Totuși, acest lucru duce inevitabil la creșterea greutății rotorului, la creșterea dificultății de echilibrare și la un conflict direct cu obiectivele de eficiență energetică: în aceleași condiții, cu cât viteza critică este mai mare, cu atât sistemul de arbore este mai gros și cu atât pierderea prin frecare mecanică și pierderea prin frecarea discului este mai mare, ceea ce înseamnă o eficiență mai mică a pompei.

 

Prin urmare, selectarea vitezei critice este în esență un compromis-între „siguranță dinamică” și „economie hidraulică”. Raportul dintre turația critică și turația nominală a pompei ar trebui determinat în mod rațional pe baza diferitelor tipuri de pompe și condiții de funcționare.

 

Pompele centrifuge pot gestiona fluxul de gaz-lichid în două-faze.

Funcționarea cu gaz dizolvat a pompelor centrifuge implică un flux de gaz{0}}lichid în două-faze foarte complex, care a fost studiat pe larg de cercetători atât pe plan intern, cât și internațional. Experiența a arătat că, cu modele speciale de rotor (de exemplu, un capac din spate al rotorului semi-deschis cu un orificiu de retur lângă intrarea rotorului pe canalul de curgere al rotorului), pompele centrifuge pot menține funcționarea stabilă chiar și cu un conținut de gaz de 10% (în volum). Pompele centrifuge obișnuite pot trata lichide care conțin cantități mici de gaz (1% până la 2% în volum). Prezența unei cantități mici de gaz în lichid poate amortiza impactul prăbușirii bulelor de cavitație și poate reduce zgomotul asociat, vibrațiile și daunele de eroziune. Cu toate acestea, atunci când conținutul de gaz ajunge la 6%, pompele centrifuge obișnuite pot experimenta fenomene de cavitație și blocare a gazului, ceea ce duce la o scădere bruscă a performanței (debit, înălțime și eficiență).

 

• Câteva concepții greșite în aplicare

 

Permite funcționarea pe termen lung-sub debitul minim continuu stabil

Standardul ANSI/API 610 definește debitul minim continuu-în stare permanentă (MCSF) ca debitul minim la care o pompă poate funcționa continuu fără a depăși limitele de vibrații specificate în standard. Cu alte cuvinte, dacă o pompă funcționează sub acest debit pentru o perioadă lungă de timp, va declanșa imediat o serie de procese fizice adverse, inclusiv reflux intern, cavitație, forțe radiale suplimentare (observate în special la pompele cu o singură-volută) și creșterea temperaturii lichidului. Acestea pot induce apoi un lanț de moduri de defecțiune, cum ar fi deformarea arborelui, uzura inelului de uzură, separarea feței la capătul etanșării mecanice și supraîncălzirea anormală a rulmentului. Consecințele sunt o creștere semnificativă a vibrațiilor mecanice și a zgomotului, care poate scurta drastic durata de viață a etanșărilor mecanice și a rulmenților sau chiar poate duce la ruperea arborelui și deteriorarea gravă a rotorului și a componentelor de împerechere.

 

În funcționarea efectivă, apar două concepții greșite operaționale comune: în primul rând, unii utilizatori, din cauza lipsei de înțelegere a manualului de operare și întreținere în timpul punerii în funcțiune, cred în mod eronat că pompele centrifuge pot funcționa perioade lungi în orice condiții (inclusiv sub debitul minim continuu stabil sau chiar debitul zero). În al doilea rând, câțiva utilizatori, din cauza unei neînțelegeri a termenilor de garanție, încearcă să creeze artificial condiții extreme de funcționare în timpul fazei de punere în funcțiune pentru a verifica „rezistența” echipamentului. Asemenea operațiuni constituie teste distructive pentru pompele centrifuge, care pot cauza nu numai defecțiuni imediate, ci și dezvoltarea de defecte ascunse, cum ar fi fisurile de oboseală, și trebuie să fie strict interzise.

 

Pornirea pompei cu supapa de evacuare complet deschisă înseamnă pornirea pompei când supapa de evacuare este complet deschisă.

În multe sisteme care necesită funcționare continuă pe termen lung-(cum ar fi sistemele centralelor electrice), pompele de rezervă sunt de obicei instalate și sunt întotdeauna gata de pornire (pompa este umplută cu mediu; sistemele auxiliare, cum ar fi etanșările, apa de răcire și uleiul de lubrifiere sunt operaționale). Dacă pompa principală se defectează, pompa de așteptare va porni automat. Prin urmare, supapa de evacuare a pompei trebuie să fie deschisă, cunoscută în mod obișnuit ca „pornire supapă deschisă”.

 

Mulți cumpărători sau utilizatori au o concepție greșită despre pornirea supapei deschise: ei cred că înseamnă a începe cu supapa de evacuare complet deschisă. Acest lucru este incorect! „Pornirea supapei deschise” înseamnă de fapt începerea cu supapa de evacuare la un debit specificat (cum ar fi debitul nominal). De obicei, debitul pe care îl poate suporta supapa de evacuare a pompei dintr-un sistem este mult mai mare decât debitul nominal al pompei. Dacă supapa de evacuare este complet deschisă, pompa va funcționa la un debit excesiv de mare, provocând potențial o serie de probleme precum cavitația, vibrațiile, suprasarcina motorului sau nepornirea unității.

 

Procedura corectă este următoarea:Pe baza curbei de performanță a pompei și a curbei de rezistență a sistemului, presetați deschiderea supapei de evacuare într-o poziție apropiată de debitul de lucru corespunzător și apoi{0}}reglați-o fin pe baza citirilor manometrului și ampermetrului după pornirea pompei.

 

Sigiliul de etanșare poate fi înlocuit direct cu o etanșare mecanică.

Luând ca exemplu pompa centrifugă de tip OH1/OH2, diferențele dintre garniturile de etanșare și etanșările mecanice constau nu numai în tipul lor de etanșare, ci și în diferențele fundamentale în structura structurală generală. Pentru garniturile de etanșare, pentru a oferi spațiu axial suficient pentru a găzdui garnitura, inelele de etanșare, presa de etanșare și o zonă pentru o operare manuală ușoară, producătorii de pompe trebuie să plaseze rotorul departe de lagăr, ceea ce duce la o creștere semnificativă a deschiderii în consolă a rotorului L. Când pompa pornește sau arborele se deflectează din cauza forței radiale maxime, rigiditatea acestuia acționează ca un suport radial, rigiditate, ca obiectiv. rulment auxiliar, devenind parte a sistemului de rulmenți și oferind suport.

 

Pur și simplu îndepărtarea etanșării garniturii și înlocuirea acesteia cu o etanșare mecanică fără a re{0}}verifica dinamica rotorului va duce la următoarele riscuri:

 

Lipsa suportului:Etanșările mecanice nu au funcția de etanșare ca „parte a sistemului de susținere a arborelui”. Odată ce amortizarea și rigiditatea furnizate de garnitură dispar, când pompa pornește sau arborele se deflectează, deformarea capătului arborelui poate depăși capacitatea de urmărire a etanșării mecanice, ducând inevitabil la separarea feței de etanșare, scurgeri și uzură neuniformă. Acest lucru reduce durata de viață a componentelor și poate cauza chiar daune sau defecțiuni ale echipamentului.

Interferență spațială:Diametrul interior al cutiei de umplere (cavitatea de etanșare) într-o etanșare de etanșare este de obicei mai mic decât dimensiunea cavității cerută de etanșarea mecanică. Acest spațiu îngust este insuficient pentru ca etanșarea mecanică să folosească forța centrifugă pentru a arunca particule solide de pe suprafața de etanșare și, de asemenea, nu poate oferi suficient spațiu de răcire, ceea ce duce la supraîncălzire, cocsificare sau defectare prematură a suprafeței de etanșare.

 

Prin urmare, pentru pompele centrifuge cu aspirație finală-, atunci când se ia în considerare trecerea la o etanșare mecanică, trebuie efectuată mai întâi o evaluare a dinamicii rotorului pentru a calcula raportul L³/D⁴. Aici, L este distanța (inci sau milimetri) dintre centrul rulmentului interior și centrul rotorului; D este diametrul arborelui (inci sau milimetri) la bucșa etanșării mecanice. Această valoare ar trebui să fie mai mică de 60 (unități SUA) sau mai mică de 2,0 în unități metrice, pentru a fi considerată în intervalul acceptabil pentru deformarea capătului arborelui a etanșării mecanice.

 

Permite inversarea

În multe aplicații critice ale pompelor centrifuge, utilizatorii solicită în mod obișnuit ca pompa să poată rezista la -rotație inversă pe termen scurt atunci când apar condiții precum defecțiunea supapei de evacuare sau defecțiunea supapei de reținere și ca viteza inversă admisă să atingă viteza nominală. Din perspectiva marjei cuplului dinamicii rotorului, acest lucru este teoretic fezabil – cu condiția ca diametrul arborelui, conexiunea cheii și piulița de blocare să fie verificate în raport cu cuplul invers de vârf. Cu toate acestea, în aplicațiile practice de inginerie, din cauza constrângerilor din mai mulți factori, cum ar fi costul, eficiența energetică, siguranța și fiabilitatea, sistemele de etanșare mecanică și condițiile de funcționare, este adesea dificil să se obțină simultan o performanță optimă înainte, oferind echipamentului o toleranță inversă puternică.

 

În plus, „inversarea”, ca o condiție tipică de defecțiune/accident, nu este adesea un eveniment izolat, ci este adesea însoțită de o suprapunere a situațiilor extreme:

„Power Slip” inversare inversare automată-Pornire:Când echipamentul își pierde puterea, supapa de evacuare funcționează defectuos simultan, iar pompa este în -rotație inversă cu viteză mare, dacă sursa de alimentare este restabilită brusc într-o perioadă scurtă de timp (adică, motorul accelerează din nou), este echivalent cu pornirea bruscă a unității de pompă în timpul procesului de rotație inversă. În acest moment, rotorul pompei va fi supus suprapunerii vectoriale a cuplului pozitiv și a cuplului inerțial invers și se va confrunta instantaneu cu o sarcină de impact de aproape dublul cuplului nominal, care poate cauza cu ușurință ruperea arborelui sau ruperea elementului elastic al cuplajului.

Defecțiunea spălării etanșării mecanice:Pentru structurile de etanșare mecanică echipate cu inele de pompare (curgere vortex), direcția de pompare este strict unidirecțională. În condiții de funcționare inversă, inelul de pompare poate să nu stabilească debitul de spălare sau chiar să genereze diferența de presiune inversă, ceea ce duce la întreruperea fluidului de spălare a etanșării mecanice. Aceasta, la rândul său, provoacă frecare uscată și fisurare termică pe suprafața de etanșare, scurtând semnificativ durata de viață a etanșării mecanice. Prin urmare, odată ce pompa se inversează, etanșarea mecanică trebuie dezasamblată și inspectată după oprire, iar inelele de etanșare dinamice și staționare trebuie înlocuite dacă este necesar.

Eșecul mecanismului anti-slăbire:Dacă elementele de fixare de pe rotor (cum ar fi piulițele rotorului și piulițele de blocare a rulmenților) nu au un design fiabil anti{0}}slăbire (de exemplu, bazându-se exclusiv pe cuplul de frecare fără o structură de blocare mecanică), cuplul de impact instantaneu generat de rotația inversă poate cauza slăbirea, deplasarea sau chiar deteriorarea pieselor.

 

• Rezuma

Pe baza riscurilor de mai sus, se recomandă o strategie de control pe niveluri: pentru condiții de operare ne-critice sau pentru scenarii critice în care rotația inversă poate fi evitată prin interblocarea procesului, nu se recomandă forțarea pompelor să aibă toleranță de rotație inversă; pentru pompele critice care trebuie să tolereze rotația inversă, indicele cuplului invers trebuie specificat clar în faza de proiectare, iar producătorul trebuie să efectueze o verificare specială a rezistenței arborelui și o certificare anti-slăbire a elementelor de fixare pentru a asigura marja de siguranță.

 

Raționalitatea selectării și aplicării pompei centrifuge determină în mod direct costul-ciclului de viață și fiabilitatea operațională a sistemului de pompe. Pe baza analizei de mai sus, concluziile de bază sunt rezumate după cum urmează:

• O eficiență mai mare nu este întotdeauna mai bună – Designurile cu-eficiență ridicată vin adesea cu prețul sacrificării jocului inelului de uzură, a marjei diametrului arborelui și a netezirii canalului de curgere. Fiabilitatea ar trebui să fie prioritară în condiții critice de funcționare.
• NPSH necesar mai mic nu este întotdeauna mai bun – NPSH3 scăzut este de obicei însoțit de o viteză specifică de aspirație mare, ceea ce duce la un interval de funcționare mai îngust și un risc crescut de vibrații. Selectarea pompei ar trebui să se potrivească cu NPSH-ul sistemului, iar viteza specifică de aspirație ar trebui să fie limitată conform standardelor precum UOP și HI.
• Viteza critică ar trebui setată în mod rezonabil, nu crescută orbește – Creșterea vitezei critice este corelată negativ cu eficiența energetică. Marja de viteză critică pentru rotoarele umede ar trebui să fie selectată în mod rezonabil pe baza tipului de pompă și a standardelor (cum ar fi API 610) pentru a evita supra-proiectarea.
• Pompele centrifuge obișnuite au o toleranță extrem de scăzută la mediile gazoase – Doar pompele special concepute pot gestiona un conținut de gaz de 10%. Pompele convenționale se confruntă cu o degradare a performanței de peste 2% și pot prezenta blocaj de aer peste 6%.
• Funcționarea prelungită sub debitul minim continuu stabil este strict interzisă – trebuie configurate măsuri minime de protecție a debitului (cum ar fi supape de bypass sau de recirculare automată).
• Pornire supapă deschisă-în sus ≠ pornire supapă cu evacuare completă-în sus – gradul de deschidere prestabilit trebuie să se potrivească cu debitul nominal pentru a evita supraîncărcarea și cavitația. ● Garniturile de etanșare nu pot fi înlocuite direct cu etanșări mecanice – trebuie efectuate calcule de deformare a rotorului (L³/D⁴) și trebuie evaluat impactul dinamic al modificărilor asupra structurii suport.
• Rotirea inversă trebuie tratată cu prudență – nu este necesară decât dacă este absolut necesar; dacă este necesar, trebuie efectuate verificări specifice de rezistență și design anti{0}}slăbire.
• Apa purificată industrială nu este potrivită ca mediu de răcire pentru pompele-de temperatură înaltă – se recomandă apa dedurizată sau aburul, iar managementul și întreținerea calității apei ar trebui consolidate.

 

Numai prin abandonarea modului de selecție izolat de „supremația parametrilor” și stabilirea unui cadru științific de luare a deciziilor-de „adaptare a sistemului, potrivire a condițiilor de funcționare și schimburi-complete ale ciclului de viață” pot fi evitate în mod fundamental concepțiile greșite de mai sus-, iar sistemele de pompe centrifuge eficiente, stabile și de lungă durată pot fi obținute.