泵输送管道系统

一、什么是泵输送系统?

泵输送系统占全球电能需求的近20%。此外,它们在某些工业工厂运营中的能耗范围为25-50%。

泵输送系统的使用很普遍,不仅给家庭、商业和农业提供服务,还为食品加工、化学、石化、制药和机械工业提供市政供水和污水处理服务以及工业服务。

泵主要有两个用途:

  • 将液体从一个地方转移到另一个地方(例如,将水从地下含水层提到水箱中)
  • 在闭式系统中使液体循环流动(例如通过机器和设备冷却水或润滑剂)

泵输送系统的主要组成部分:

  • 泵(不同类型的泵在第2节中说明)
  • 动力源:电动机,柴油发动机或空气系统
  • 管道,用于输送流体
  • 阀门,用于控制系统中的流量
  • 其它配件,控制装置和仪表
  • 终端使用设备,具有不同的要求(例如压力,流量),因此确定泵输送系统组件和配置。例如:换热器,储罐

1、泵输送系统特点:

泵以需要的压力将流体以一定速率在管道系统中流动。该压力必须足够高以克服管路系统的阻力,也称为“扬程”。总扬程是静压头和摩擦阻力的总和。

静压头:静压头是泵输送系统中液体源和目标之间的高度差(见图1)

静压头与流量无关(见图1)

2、静压头包括:

  • 静态吸入口压头(hS):将液体提升到泵中心线所需要的压头。如果液位高于泵中心线,则hS为正,如果液位低于泵中心线,则hS为负(也称为“吸程”)
  • 静态出口压头(hd):泵中心线与目标储罐中液位之间的垂直距离

在一定压力下的静压头取决于液体的重量,可以用这个等式计算,如图1所示:

1 :泵输送系统及特性

3、摩擦阻力损失:

  • 是需要克服的损失,由管道和管件中的流动阻力引起的。
  • 取决于管道的尺寸、条件和类型,管件的数量和类型,流速和液体的物性。
  • 摩擦损失与流速的平方成正比,如图2所示。
  • 闭环循环系统仅显示摩擦损失(即无静压头)。

在大多数情况下,系统的总压头是静压头和摩擦损失的组合,如图2所示。左图是具有高静压头的系统(即目标储罐远高于源头)。右图是具有低静压头的系统(即目标储罐比源头高的较少)。

2:管路损失与泵特性曲线

4、泵性能曲线:

泵扬程和流量决定了泵的性能,在图2中右上方为泵特性曲线。

图2(右上)显示了离心泵的典型曲线,其中扬程随着流量的增加而逐渐减小。

随着系统阻力的增加,压头损失也会增加。这反过来导致流速降低并最终达到零。零流量仅在短时间内可接受,否则就会导致泵烧坏。

5、泵工作点:

某个扬程下的流量称为工作点。泵性能曲线由许多工作点组成。

泵工作点由管路系统曲线和泵曲线的交点确定,如图3所示

最佳效率点(BEP)是最大叶轮直径下的泵送能力,换句话说,泵的效率最高。BEP右侧或左侧的所有点都具有较低的效率。

6、泵吸入性能:

空化或汽化是在泵内形成气泡。当流体的局部静压低于液体的饱和压力(在实际温度下)时,可能会发生这种情况。可能的原因是流体在控制阀或泵叶轮周围加速。

汽化本身不会造成任何损害。然而当速度降低并且压力增加时,气穴将溃灭。这有三个不良影响:

1.叶片表面的侵蚀,特别是在泵送水基液体时

2.增加噪音和振动,从而缩短密封和轴承寿命

3.叶轮通道部分堵塞,这会降低泵的性能,并且在极端情况下会导致总压头损失。

净正吸入压头(NPSHA)表示泵吸入口压头超过液体饱和压力,是系统设计的特征。

泵要求的吸入口压头NPSHR是避免气穴现象所需的泵吸力,是泵设计的一个特征。

图3:泵工作点和泵分类

7、泵的类型:

  • 泵具有多种尺寸,适用于各种应用。可以根据其基本工作原理分类为动力泵或正位移泵
  • 原则上,任何液体都可以通过任何泵进行输送。
  • 离心泵通常是最经济的,但效率较低。
  • 正位移泵通常比离心泵更有效,但维护成本更高。

正位移泵的特点在于它们的运行方式:液体从一端吸入,每次转动时在另一端正向排出。

在所有容积式泵中,每次旋转后泵数送的液体是固定量的。因此,如果输送管道堵塞,压力会上升到很高的值,这会损坏泵。

容积泵广泛用于泵送除水之外的流体,主要是粘性流体。

根据模式不同对正位移泵进行分类:

  • 如果位移是通过活塞的往复运动产生的,则称为往复泵。往复泵仅用于泵送粘性液体和油井。
  • 如果位移是通过固定套管中隔膜腔内的齿轮,凸轮或叶片的旋转动作产生的,则称为旋转泵。旋转泵还进一步分类,如内齿轮,外齿轮,凸轮和滑片等。这些泵用于特殊工业现场的特殊输送任务。

动力泵的特征在于它们的操作模式:旋转叶轮将动能转换成泵送流体所需的压力或速度。

动力泵有两种类型:

  • 离心泵是工业应用中用于泵送水的最常用的泵。通常,行业中安装的泵中超过75%是离心泵。
  • 特殊泵适用于特殊的工业场合。

8、离心泵(图4):

离心泵是任何过程工厂中最简单的设备之一。该图显示了这种泵的运行方式:

液体通过大气压力被迫进入叶轮,或者在喷射泵的情况下通过压力被迫进入叶轮。

叶轮的叶片将动能传递给液体,从而使液体旋转。液体以高速离开叶轮。

叶轮由蜗壳包围,或者在涡轮泵的情况下由固定的扩散环包围。蜗壳或静止扩散器环将动能转换成压力能。

离心泵有两个主要部件。首先,旋转部件包括叶轮和轴。其次,固定部件包括外壳,外壳盖和轴承。

4:离心泵

9、叶轮:

叶轮是圆形金属圆盘,具有用于流体流动的内置通道。叶轮通常由青铜,聚碳酸酯,铸铁或不锈钢制成,但也使用其他材料。

叶轮的数量决定了泵的级数。单级泵有一个叶轮,最适合低扬程(=压力)

叶轮可以根据如下条件(将决定其使用)进行分类:

  • 来自旋转轴的主要流动方向
  • 吸入类型:单吸和双吸
  • 形状或机械结构:封闭式叶轮的叶片由护罩封闭; 开放式和半开式叶轮; 涡旋泵叶轮。 图4是开式叶轮和闭式叶轮

轴:

在泵的启动和运行期间,轴将扭矩从马达传递到叶轮。

泵壳:

外壳有两个功能

  • 外壳的主要功能是将叶轮封闭在吸入端和输出端,从而形成压力容器。
  • 外壳的第二个功能是为轴和叶轮提供支撑和承载介质。

有两种类型的外壳

  • 蜗壳(图5-A)的叶轮安装在壳体内。其中一个主要目的是帮助平衡泵轴上的液压。
  • 圆形套管具有围绕叶轮周边的固定扩散叶片,其将速度转换为压力能量。 这些外壳主要用于多级泵。外壳可以设计为实心外壳(一个制造件)或分体外壳(两个或多个部件在一起)

10、泵的评估:

由泵执行的工作是总扬程和在给定时间段内泵送的液体重量的函数。泵轴功率(Ps)是输送到泵轴的实际功率,可按如下方式计算:

泵轴功率Ps =水力功率hp/泵效率ηpump

或泵效率ηpump=水力功率/泵轴功率

泵输出,马力(hp)是由泵输送液体的马力,可按如下方式计算:

水力功率hp = Q(m3/s)x(hd – hs,m)xρ(kg/m3)x g(m/s2)/1000

其中:

Q =流速

hd=排放口压头

hs =吸入口压头

ρ=流体密度

g =由于重力引起的加速度

在实践中,评估泵性能更加困难。一些重要原因是:

缺少泵规格数据:需要泵规格数据(参见第6节中的工作表1)来评估泵的性能。大多数公司不保留提供这些数据的原始设备制造商(OEM)文档。在这些情况下,就不能令人满意地估算泵流量或泵扬程。

流量测量的难度:测量实际流量比较困难。一些方法主要用于估计流量。在大多数情况下,流量是根据流体类型,水头和管道尺寸等计算的,但计算的数字可能不准确。另一种方法是将罐容积除以泵填充罐所需的时间。然而,该方法仅适用于一个泵运行且罐的排放阀关闭的情况。测量泵流量的最复杂,最精确和最耗时的方法是使用超声波流量计进行测量。

压力表和测量仪器的校准不正确:对泵吸入口管和泵排出管及其他测量仪器上的所有压力表进行适当校准,这对获得准确的测量非常重要。但校准并不总是如此。当仪表和仪器未正确校准时,有时会使用校正因子。两者都会导致泵的性能评估不正确。

二、泵输送系统的节能应用:

本节包括影响泵性能和节能领域的因素。节能的主要领域包括:

1.选择合适的泵

2.控制流量–通过泵转速变化

3.泵并联—用于改变需求

4.流量控制阀

5.去掉旁路控制

6.启/停泵的控制

7.叶轮修剪

1、选择合适的泵

图5-B显示了供应商提供的离心泵的典型泵性能曲线,其中清水是泵送液体。

在选择泵时,供应商会尝试将用户提供的系统曲线与满足这些需求的泵曲线尽可能匹配。

操作点是系统曲线和泵性能曲线相交的位置(如引言中所述)

最佳效率点(BEP)是最大叶轮直径下的泵送能力,换句话说,泵的效率最高。 BEP右侧或左侧的所有点都具有较低的效率。

5:泵特性曲线

当选定的泵尺寸过大时,BEP会受到影响。原因是必须用不同的方法控制超大型泵的流量,例如节流阀或旁通管线。 这些通过增加摩擦提供额外的阻力。 结果,系统曲线向左移动并在另一点与泵曲线相交,BEP也更低了。换句话说,泵效率降低,因为输出流量减少但功率消耗却没有相应减少。

超大型泵的低效率可以通过例如安装VSD,双速驱动器,低转速,小型叶轮或修剪叶轮来克服。

2、控制流量:泵转速变化

离心泵的叶轮旋转产生扬程。叶轮的圆周速度与轴转速直接相关。因此,改变转速会直接影响泵的性能。

泵性能参数(流量、扬程、功率)将随着转速的变化而变化。因此,为了以不同的转速安全地控制泵,理解两者之间的关系是很重要的。解释这些关系的方程式被称为“相似法则”:

  • 流量(Q)与转速(N)成正比
  • 扬程(H)与转速的平方成正比
  • 功率(P)与转速的立方成正比

从上述定律可以看出,离心泵转速加倍会使功耗增加8倍。相反,转速的小幅降低将导致功耗的大幅降低。这构成了具有不同流量要求的离心泵的节能基础。

  • 控制泵转速是控制流量的最有效方法,因为当泵的转速降低时,功耗也会降低。
  • 降低泵转速的最常用方法是变速驱动(VSD)。
  • VSD允许在连续范围内调节泵转速,避免像多速泵一样从一个速度跳到另一个速度。
  • VSD控制泵转速使用两种类型的系统:
    • 机械VSD包括液压离合器,液力偶合器,可调皮带和皮带轮。
    • 电气VSD包括涡流离合器,绕线转子电机控制器和变频器(VFD)。VFD是最受欢迎的并且调节提供给电动机的电力的电频率以改变电动机的转速。
  • 除节能外,VSD应用的主要优点是:
    • 改进了过程控制,因为VSD可以更快地纠正流量的微小变化。
    • 提高了系统可靠性,因为减少了泵,轴承和密封件的磨损。
    • 由于不再需要控制阀,旁路管路和传统启动器,因此降低了资金和维护成本。
    • 软启动器功能:VSD允许电机在较低的电流下启动。

3、泵并联,用于改变需求:

并联运行两个或多个泵,在需求较低时关闭一些泵可以显着节省能源。可以使用提供不同流速的泵。

当静压头超过总压头的百分之五十时,并联泵是一种选择。

图5显示

  • 单个泵的泵曲线,两个并联运行的泵和三个并联运行的泵。
  • 通过并联运行泵,系统曲线通常不会改变。
  • 总流量低于不同泵的流量的之和。

4、流量控制阀:

  • 另一种通过关闭或打开阀门来控制流量的方法(也称为“节流”阀)。
  • 虽然这种方法减少了流量,但缺点是
  • 随着总扬程(静压头)的增加,它不会降低功耗。图6显示了当阀门半关闭时系统曲线如何向上和向左移动。
  • 增加振动和腐蚀,从而增加泵的维护成本,并可能缩短其使用寿命
  • 从能效角度来看,VSD是更好的解决方案。

5、去掉旁路控制:

通过安装旁路控制系统也可以减少流量,其中泵的出口分成两股物流进入两个单独的管道。其中一条管道将流体输送到输送点,而第二条管道将流体输送到源点。换句话说,部分流体无缘无故地被泵送,因此是能量浪费。因此应避免使用此选项。

6、泵的启/停控制:

一种简单而合理的降低流量的节能方法是启动和停止泵,前提是这种情况不会经常发生。可以应用该选项的示例是当泵用于填充储罐时,流体以稳定的流量流入该储罐的过程。在该系统中,控制器安装在储罐内,通过测量最小和最大液位以启动和停止泵。一些公司也使用这种方法来避免降低最大需求(即通过在非高峰时段抽水)。

7、叶轮修剪:

  • 更改叶轮直径可使叶轮的圆周速度发生比例变化
  • 改变叶轮直径是控制泵流量的一种节能方法。但是,对于此选项,应考虑以下事项:
  • 在存在不同流量模式的情况下,不能使用此选项。
  • 叶轮的修剪量不应超过原叶轮尺寸的25%,否则会因气蚀而导致振动,从而降低泵效率。
  • 必须保持泵的平衡,即叶轮修整应所有侧面相同。
  • 更换叶轮本身比修剪叶轮更好,但也更昂贵,有时较小的叶轮太小。
  • 图6说明了叶轮直径减小对离心泵性能的影响。

6:离心泵性能曲线

图6说明了叶轮直径减小对离心泵性能的影响。

  • 使用原始叶轮直径,流量更高
  • 使用微调叶轮时,流量较低

上表比较了提高泵能效的三个选项:

  • 改变阀门开度,调整叶轮和变频器。
  • VFD显然降低了功率,但缺点是VFD的成本很高。

应始终避免使用控制阀,因为它可以减少流量,但不会降低功耗,并可能增加泵的维护成本。

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