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)——裝置的設計汽蝕余量與離心泵本身固有的汽蝕余量二者對運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能改造情況從機泵汽蝕余量方面進行了分析與論述，以保證設備遠離汽蝕工況作為主要優(yōu)化方向，并簡要探討了機泵性能參數(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90%以上。其在穩(wěn)定工況運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，一是設備本體的機械故障（泵本體、聯(lián)軸器、電動機），二是系統(tǒng)管網(wǎng)及介質(zhì)特性遠離設計工況間接造成設備故障。其中，汽蝕現(xiàn)象是對運轉(zhuǎn)設備造成的嚴重不良影響之一。不但破壞離心泵的水力性能，而且會伴隨著噪聲和振動，長時間運行會導致葉輪、口環(huán)、密封等壽命大幅縮短，甚至造成嚴重安全事故。

離心泵的汽蝕機理

汽蝕余量的機理

眾所周知，汽蝕余量主要是由于介質(zhì)通過泵入口進入到葉輪中心位置低壓區(qū)，當所處環(huán)境壓力降低到當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)生很強烈的沖擊，損壞葉輪。通常，要求運行工況下NPSHa≥NPSHr＋0.5 m，才能保證設備運轉(zhuǎn)不發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。如公式（1），裝置的汽蝕余量關鍵影響因素為V0和W0，NPSHr近似與泵葉片進口流速平方成正比，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，和泵本身沒有關系，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——葉片進口前的絕對速度；

W0——葉片進口前的相對速度；

λ——葉片進口壓降系數(shù)。

有效汽蝕余量為：

式中：

Pc——進口水池液面絕對壓力；

hc——進口管路阻力損失；

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，也會導致汽蝕的產(chǎn)生。

汽蝕余量的判別準則

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，當泵在二者交點左側(cè)工況運行（NPSHa＞NPSHr）時，離心泵不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象；當在交點工況運行（NPSHa=NPSHr）時，離心泵開始發(fā)生臨界汽蝕現(xiàn)象；而當在交點右側(cè)運行（NPSHa＜NPSHr）時，離心泵將處于嚴重汽蝕工況。

圖1 裝置汽蝕余量與設備汽蝕余量曲線

汽蝕余量的設計對離心泵的影響

離心泵改造案例分析

某煉油裝置為了應對市場產(chǎn)品的需求，現(xiàn)計劃將原設計70萬t/a氣體分餾裝置加工負荷增加至125%，即裝置操作彈性由原設計值60%~110%擴能改造為60%~125%。根據(jù)API610規(guī)范標準要求，泵在設計過程中，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計葉輪直徑、當前選擇的葉輪直徑及最大設計葉輪直徑）以應對不同工況。為了節(jié)約成本，降低現(xiàn)場施工工作量。

首先考慮，在設計范圍內(nèi)僅更改現(xiàn)有葉輪直徑即可滿足擴能改造所需流量的要求，無需更改泵型。設計單位對該裝置擴能改造，改造前后數(shù)據(jù)對比見表1。序號1~4可根據(jù)性能曲線相應增擴葉輪直徑即可滿足實際流量需求并且各參數(shù)均在設計。序號5、6雖然經(jīng)擴大葉輪直徑可滿足于擴能所需的額定流量，但在該工況下機泵的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 擴能改造前后數(shù)據(jù)核算對比結(jié)果

設計優(yōu)化措施

設計單位要根據(jù)現(xiàn)場實際條件最大限度地增加裝置汽蝕余量，對于設計單位而言，轉(zhuǎn)動設備的設計工作是由機械專業(yè)部門來完成，而裝置汽蝕余量的設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，進而使裝置設計不能達到最優(yōu)選擇。機泵在選型設計階段要在滿足裝置生產(chǎn)需要前提下最大限度降低設備自身汽蝕余量需求，以此增加較寬的運行工況裕度。由于各泵廠設計的葉輪與泵喉部較近，會對水力擾流影響較大，所以葉輪的設計按以往經(jīng)驗要小于最大設計葉輪直徑10%。原始設計階段設計單位與制造廠要加強溝通，使裝置汽蝕余量滿足于設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)的設計考慮不夠充分）。

結(jié)論

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