泵友圈
新闻详情

全面理解离心泵吸入比转速

来源:泵友圈作者:谢小青 刘昆 陈巨荣
摘 要:从吸入比转速的定义及其限值的来历着手,结合工程实践经验,重点收集汇总了吸入比转速的研究成果及应用。同时探讨了吸入比转速限值是否可以超越的问题,并给出了可以超越的条件。

关键词:吸入比转速   限值   应用

  0      引言


吸入比转速又称汽蚀比转速,是一个与离心泵吸入性能相关的参数,是叶轮入口处几何尺寸、空间布置和叶片角度的可视化数学表达式,是叶轮设计中的一个指标或工具。它是一个无量纲参数,描述了转速、流量和旋转叶轮所需的必需汽蚀余量(NPSHR)之间的关系。

吸入比转速的概念最早出现于20世纪30年代后期,到了20世纪70年代末80年代初,已成为西方发达国家用来预测离心泵运行可靠性的一种常用的工具。直到进入本世纪后,吸入比转速的概念才逐渐在我国石化泵项目招标中出现,但真正理解其含义的人却不多。许多人错误地将一些规范、标准中规定的吸入比转速的限值认为是绝对不允许跨越的,一旦超过限值范围便认为泵的设计不合理。这样的理解及操作方式未免过于简单。

笔者曾经写过一篇文章《吸入比转速解读及其对离心泵性能的影响》[1],从吸入比转速的定义及其限值着手,收集汇总了不同的泵标准、规范及不同的国际型泵公司对离心泵吸入比转速限值的规定,并在总结笔者十几年API泵工程实践经验的基础上重点研究了吸入比转速对离心泵性能及可靠性的影响。文章引起了部分同行的关注和讨论,并且不少读者认为限值是一条不可逾越的“红线”。为此,笔者认为有必要对吸入比转速进行更详实全面的解读,仅与同行们分享。


  1      吸入比转速的定义


1.1   API610标准第11版[2]附录A对吸入比转速的定义

吸入比转速S,是在最大叶轮直径和给定转速下、以最佳效率点(BEP)的流量来计算的,是一个与离心泵吸入性能相关的指数。吸入比转速是衡量一台离心泵对内部回流的敏感程度的评估尺度。公式定义如下:

0.png

式中:
n = 转速,单位r/min;
QBEP = 最佳效率点流量,单位m3/s(US制:加仑/分钟);对于单吸叶轮,QBEP为总流量,对于双吸叶轮,QBEP为总流量的一半;

NPSH3 =给定转速及最佳效率点流量、(第一级)叶轮最大直径下,扬程下降3%时的必需汽蚀余量,单位m(ft)。

注:将用公制单位推导出的吸入比转速乘以系数51.64就等于美制单位的吸入比转速,美制单位通常用符号Nss表示吸入比转速。


  2       吸入比转速限值的来历


早在20世纪70年代,新工厂和炼油厂的设计就越来越严格地要求节省资金,特别是在初期建设和材料成本方面。作为削减成本的主要措施之一,便是尽可能降低系统的装置汽蚀余量NPSHA。系统拥有者或购买者随后对泵制造商施加了越来越大的压力,要求他们设计具有较低NPSHR的泵。

对于泵制造商来说,最简单、快捷的解决方案是加大叶轮入口尺寸。这种方法虽然可以明显改善泵的吸入性能(降低NPSHR),但却带来了一个意外的结果,即使工作点偏离最佳效率点不太远,泵的水力稳定性也会显著降低。

吸入比转速的概念是由Igor Karassik和两位同事于20世纪30年代后期提出的。到了20世纪70年代末80年代初,吸入比转速已经成为一种常用的工具,用于预测泵运行过程中的水力不稳定区间。

1979年,Jerry hallam是Amoco Texas City炼油厂的机械工程师。该炼油厂当时正经历着严重的泵水力不稳定和继发性火灾的问题。火灾主要是机械密封和轴承故障引起的后果。

管理层责成Jerry hallam确定根本原因。他和他的同事梳理了5年来的运行和维护记录,并进行了性能测试,以收集有关235台泵的数据,并寻找趋势和潜在的原因。他们对于其中的一个参数 - 每台泵的吸入比转速进行了计算和分类,数据表明,吸入比转速数值越高,泵出现问题的可能性就越大。

研究小组与一些行业专家和高级管理人员分享了研究结果。随后,Jerry hallam和他的团队被说服将研究范围从235台扩大到480台,并进行了更彻底的调查,研究了每台泵在其曲线上的运行情况以及与BEP的接近程度。

研究发现:吸入比转速数值较高时,叶轮入口尺寸要比相同外径但吸入比转速较低的叶轮的入口尺寸大得多。当泵在其曲线BEP左侧运行时,叶轮中的流动开始出现回流,从而产生流动分离(脱流)和更高的流速、降低局部压力。如果液体的局部压力降到蒸汽压力之下,就会导致汽蚀,并伴随着噪音和振动的显著增加。

1982年,Jerry hallam发布了其在Amoco Texas City炼油厂对480多台泵的可靠性研究结果:泵的可靠性与吸入比转速明显相关,特别是当泵的吸入比转速超过11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】时,出现故障的概率是较低的吸入比转速的2倍。

在Jerry hallam的研究结果发布后的几年中,吸入比转速≤11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】变成了石油和天然气行业(泵选型)的一个硬性限制,并以某种规范形式而被广泛采用,这是非常罕见的。例如,当一台泵的吸入比转速=10950(USGPM, ft.)时,被认为是可以接受的;而当其吸入比转速=11050(USGPM, ft.)时,被认为是不可接受的。


  3    吸入比转速与离心泵可靠性及性能之间的关系


3.1    吸入比转速与离心泵可靠性之间的关系

除了极少数例外,实际工程应用中,几乎没有一台离心泵始终处于BEP运行。在一些工厂/系统中的流量需求会发生变化,操作人员通常通过出口阀门来调节泵的流量。

如果流量低于一定值,就会在叶轮入口处出现再循环(回流),较大的叶轮入口(低NPSHR,高吸入比转速)和较高的入口圆周速度会产生较高能量的再循环。随着泵流量的进一步减小,循环强度增加,进而会引起汽蚀、噪音和流体脉动。再循环开始时的流量随着叶轮入口直径的增加而增加。

吸入比转速与泵的可靠性密切相关。对于高吸入比转速泵,如果在偏离BEP的低流量区域内频繁运行,常常会引起可靠性问题。如果吸入比转速高于8500至9000(USGPM, ft.)【约10000至10500(m3/h, m)】,泵的可靠性会开始呈指数下降[3]振动和噪音显著增加。

对于正常设计的泵,吸入比转速的值从6000至12000(USGPM, ft.)【约7000至14000(m3/h, m)】不等,在包括诱导轮在内的特殊设计中,可以获得更高的值。Jerry hallam的研究结果表明:当泵的吸入比转速超过11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】时,出现故障的概率是较低的吸入比转速的2倍。而美国水力学会HI将8500(USGPM, ft.)【约10000(m3/h, m)】的吸入比转速作为典型的指导值[4]

3.2   吸入比转速与泵性能之间的关系

为了改善离心泵的吸入性能,设计人员普遍通过加大叶轮进口直径(D1)的方法来实现。今天,这种设计方法在我国离心泵的工程设计中却还在一直使用。

在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情况下,吸入性能越好(叶轮入口面积越大,吸入比转速值越高),则叶轮口环处的间隙面积越大,这意味着泄漏量越大,而泵的效率就越低。


  4       吸入比转速的研究成果及应用


过去的10多年里,吸入比转速(限值)在我国石化行业的询价数据表或泵技术规格书中已得到了普遍的使用。但是,当时没有多少人知道它的真正含义或数值的意义,只是简单地将吸入比转速超过11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】时,便认为泵的设计不合理。

随着对吸入比转速研究的不断加深,人们逐渐认识到它与离心泵的运行可靠性及性能密切相关,并将其作为泵运行可靠性的预测及研发的一种工具(或依据)。吸入比转速的研究成果及应用主要有以下几方面。

4.1    最小流量

泵在小流量下运行时,可能会导致以下问题:液体温度升高、产生额外的径向力(特别是单蜗壳泵)、入口回流、汽蚀等,从而引发机械振动、噪音增加及轴承和机械密封寿命的降低。因此,对于指定装置,制造商应该给出泵的最小连续稳定流量限值。

一般来说,泵的最小连续稳定流量随着吸入比转速的增加而增加[2]

根据汽蚀基本原理,吸入比转速越大,泵的抗汽蚀能力越好,即NPSHR(API610标准为NPSH3,下同)越小。但是,并非吸入比转速越大越好,一方面现有的技术水平决定了NPSHR不可能无限制的减小;另一方面吸入比转速的大小与泵的运行可靠性密切相关。

1982年,Chevron公司的Richard Dubner根据吸入比转速的研究成果开发了一张图表,用于确定离心泵的最小连续稳定流量。它允许处理碳氢化合物的泵的最小连续稳定流量比那些处理水的泵的流量低;并且与较小的泵相比,要求更大的泵在更靠近BEP的区域运行。

Richard Dubner的图表告诫人们不要使用吸入比转速值大于11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】的泵,并且禁止任何BEP流量大于100 gpm(22.7 m3/h)的泵以低于BEP的20% 流量连续运行。该图可用作为泵的运行指南,并在新泵的选择过程中排除最小流量高于预期服务的产品。

工程实践中,大多数离心泵最小连续稳定流量通常为最高效率点流量的25 % ~ 30 %,小型离心泵相对小一些,而大型离心泵可能达到最高效率点流量的35% 以上。例如,EBARA公司OH2型UCW泵,进/出口通径小于50×40时,最小连续稳定流量通常为BEP点流量的12 %;进/出口通径等于50×40时,为BEP点流量的15 %;而当进/出口通径大于等于100×80时,为BEP点流量的25 % ~ 30 %。对于实型泵,准确的最小流量之值可通过试验测得。由于泵的实际运行工况并非绝对恒定,因此泵制造商提供给用户最终的最小连续稳定流量之值会大于试验测得值。

4.2   稳定运行窗口

吸入比转速研究的成果之一是被普遍引用的一张图表,称为泵的“稳定运行窗口”。

不管是制造商还是用户,都希望泵始终处于BEP运行,在此流量下,所有泵的零部件都将具有最长的使用寿命。而实际工程应用中,泵很少在其BEP运行,但如果在“稳定运行窗口”的流量范围内运行,则泵的零部件使用寿命将大大延长。吸入比转速在很大程度上表示该“窗口”的大小。吸入比转速值较低的泵具有较大的“窗口”。

1985年,Lobanoff和Ross在《离心泵:设计与应用》一书中提供了图1所示的图表。它不仅为泵“稳定”运行提供了最小流量,而且还提供了最大流量,它是八只不同叶轮在同一台OH2型4x6-11(100x150-280)泵中的测试结果。吸入比转速的范围从7000(USGPM, ft.)【135(m3/s, m)】到20000(USGPM, ft.)【387(m3/s, m)】不等。对于每只叶轮,通过改变流量,测量泵的振动(至API610标准允许的峰值水平)来确定“不稳定”的开始。

1.png

图1   Loanoff &Ross提供的泵吸入比转速与“稳定”运行窗口

1990年,Dick Allen对Lobanoff – Ross的图表进行了改进,以帮助用户/买方在招标时对泵进行评估。它提供了一种方法,通过评估“稳定”运行窗口的大小来对较小稳定运行窗口的泵(具有较高的吸入比转速)进行(减分)处罚。

处罚分值是任意的,取决于图表作者的判断,并且可以根据给定公司的经验和理念进行修改。

Dick Allen图表给出的要点是:

1)不要购买在“不可接受”的区域内连续运行的泵(任何大约小于QBEP流量的50%)。

2)要在“优先”水力范围内运行,流量必须高于“处罚”范围(约为QBEP流量的75%)。

3)不要购买高于QBEP流量下连续运行的泵。

4)不要购买额定流量高于QBEP流量约115%的泵。

4.3   可靠性曲线

吸入比转速研究的另一个成果是泵可靠性曲线的应用。人们经常在泵类文章和讲座中使用或见到由Nelson-Barringer提供的泵可靠性曲线,后来Jim Elsey对此曲线进行了改进,具体见图2。

图2不仅定性的给出了泵可靠的运行区间,而且给出了在偏离BEP的不同区间内运行时可能会出现的潜在问题,非常直观。根据泵在可靠性曲线上的实际运行区域,可以大概判断选型是否合理。

2.png

图2   Jim Elsey基于Nelson-Barringer改进版的泵可靠性曲线

4.4   估算NPSHA

对于买方/用户来说,为了有效降低或控制项目初期投资成本,通常都希望提供尽可能低的装置汽蚀余量NPSHA,这就要求供应商/制造商提供较低NPSHR的泵。而较低的NPSHR对应的是较高的吸入比转速。实际工程经验表明,在较高的吸入比转速下,泵的可靠性将呈指数级下降。

吸入比转速还有一个研究成果便是通过其限值估算NPSHA。

在进行新泵的水力设计时,可以通过吸入比转速的限值计算泵的必须汽蚀余量NPSHR,然后根据工程经验或相应标准规范给出相应的NPSH裕量,最终估算出NPSHA。

以某BB2型双吸泵为例,该泵用于电站供水,其主要技术参数如下:

泵的最高效率点的流量Q = 3000 m3/h,泵转速n = 1480 rpm,常温。

1)吸入比转速的限定值按S = 11000 (m3/h, rpm, m),则可算出NPSHR = 9 m。

2)根据ANSI/HI 9.6.1-1998 《Centrifugal and Vertical Pumps for NPSH Margin》标准中表9.6.1.1的规定,对于电站用低吸入能量、高吸入能量及很高吸入能量离心泵,推荐的最小NPSH裕量比(即NPSHA与NPSHR的比值)分别为1.1、1.5和2.0。由于该BB2型泵为很高吸入能量泵,则取NPSHA/ NPSHR = 2.0。

3)由此可以估算出NPSHA之值

NPSHA = 2.0 × NPSHR = 18 m。

即:为了确保该泵可靠运行所需的装置汽蚀余量不低于18米。

这种“逆向思维”设计的好处是:

1)可以最大限度地避免泵在用户现场实际运行过程中出现不稳定运行问题。

2)不仅可以较准确地预测项目初期投资成本,而且可以优化项目整个生命周期内的成本。




  5      吸入比转速限值是否是不可跨越的红线


很多人错误地将吸入比转速的限值11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】视为“泵警察”发布的绝对“速度限制”,是不可逾越的。对此,Jerry hallam有一个非常形象的说法,可以将吸入比转速简单地看作是画在双车道公路中心的虚线:“如果对细节给予适当的关注,人们可以超过这条线” – 你需要先检查迎面而来的车辆,然后再离开中心线过去。

吸入比转速的限值是基于半个世纪前的20世纪60年代及70年代设计的叶轮。沧海桑田,叶轮的设计方法和计算工具在随后的五十年中发生了翻天覆地的变化,全新设计的叶轮叶片及其几何形状完全可以减轻甚至消除导致许多先前的不稳定性的问题。

对于这一点,在工程实践中得到了普遍的验证。

5.1   案例1

在Jerry hallam的研究结果发布的十多年后,先后有许多泵业同行【如(Stoffel & Jaeger, 1996),(Gulich,2001),(Michael Hirschberger,2009)和(Balasubramanian等,2011)】对吸入比转速进行了研究。他们发现:在所有其它条件保持不变的情况下,现代叶轮设计技术可以实现更高的吸入比转速,而不必完全依靠扩大叶轮入口直径。

5.2   案例2

10多年前,作者曾亲自参加金陵石化某项目招标(于LPEC)的技术交流,当时EBARA公司有几个泵型的吸入比转速之值超出了招标文件规定的13000(m3/h, m)限值,很幸运,遇见了一位对吸入比转速具有丰富应用经验的杨工(杨力民),在他的确认下得以顺利放行。至今,这些泵在用户现场一直安全可靠运行。

5.3   案例3

作者研究了不少国际知名的离心泵制造商的产品,他们的吸入比转速的高值均超过了当年Jerry hallam所规定的11000(USGPM, ft.)【13000(m3/h, m)】限值。具体如下[1]

1) KSB公司:标准设计和生产的普通离心泵,其吸入比转速的平均值通常为200 r/min (m3/s, m)【12000(m3/h, m)】,高值通常限定在240 r/min (m3/s, m)【14400(m3/h, m)】。

2)某国际公司:针对不同型式的离心泵,其吸入比转速的限值范围具有一定的差异,并分别给出了低值-中间值-最高值。端吸泵190 - 230 - 270 (m3/s, m)【11400 - 13800 - 16200(m3/h, m)】;中等轴穿过叶轮入口的泵170 - 200 - 240 (m3/s, m)【10200 - 12000 - 14400 (m3/h, m)】;单级扬程超过500 m的多级泵150 - 180 - 220 (m3/s, m) 【9000 - 10800 - 13200 (m3/h, m)】。

3)ITT公司:离心泵吸入比转速的限值范围为5000到14000 (USGPM, ft.)【约5800到16270(m3/h, m)】,中间值为9000 (USGPM, ft.),10460 (m3/h, m)。

4)EBARA公司:石化流程泵的吸入比转速限值范围大致为1)OH2型泵6000~12000(USGPM, ft),约为7000~14000(m3/h, m),低值~3500(USGPM, ft),~4000(m3/h, m),高值~13300(USGPM, ft),~15500(m3/h, m);2)BB2型泵7000~12460(USGPM, ft),约8000~14500(m3/h, m)。

以上述数据均来自于各制造商公开发表的书籍、培训资料、论文或网站等。


  6    吸入比转速限值可以跨越的条件


正如上文所述,吸入比转速的限值并非完全不可跨越,但必须满足一定的条件。

6.1    具有稳定的运行区间

如果泵始终保持在一个稳定区间(如优先工作区)内运行,则吸入比转速可以允许适当超出Jerry hallam给出的限值。这些泵通常包括:

1)石油(碳氢化合物)流程泵。因为其流程通常是稳定的,很少有系统不稳定(瞬态)或快速流量变化的需求。

2)变速或带旁路系统的泵。通过变速或旁路系统(而非通过出口阀来调节流量)控制,使泵保持在一个稳定的区间内运行。例如由汽轮机或液力偶合器或变频驱动的离心泵,虽然其运行工况会发生改变,但通过变速使泵始终处于高效区内运行。

6.2   现代设计技术的应用

如果通过现代技术、而非采用传统的加大叶轮入口直径来改善泵吸入性能的设计,允许适当提高吸入比转速限值。例如:

1) 叶轮叶片向泵入口边适当延伸,相当于增加一只小的诱导轮。

2) 后掠叶片,以减少其前缘的任何汽蚀。

3) 采用扭曲叶片,不仅有利于提高泵的水力效率,同时可改善泵的吸入性能。

4) 优化叶轮叶片前缘轮廓(如采用抛物线前缘轮廓、减薄吸入侧叶片厚度等),可有效限制叶片前缘的压力峰值和降低对部分负荷下运行的敏感程度。

5) 利用现代计算机计算分析技术给定叶轮入口设计可优化的条件,从而更好地控制和了解叶轮流道中流量及压力分布情况。


  7      总结


吸入比转速与泵的可靠性密切相关。

吸入比转速的限值不应视为一个硬性指标,而应看作一个警示标志。

吸入比转速是帮助你做出决策的一个工具。也许在接近限值时谨慎选择是明智的,但还有其它需要考虑的方面,比如系统的总投资成本。

应与泵供应商/制造商共同确定、并验证安全可靠的工作区间。

20世纪80年代给出的吸入比转速的限值并非不可跨越,只要满足一定的条件,则可以允许适当提高。


  8      注意事项及特别说明


8.1    高吸入比转速泵应用注意事项

1)运行位置。偏离BEP越远,不稳定运行的可能性越大。

2)NPSH裕量。随着NPSH裕量的增加,不稳定运行的可能性降低。

3)吸入能量。随着吸入能量的增加,不稳定运行的可能性也在增加。

4)入口管道。尺寸越大、直管段越长,流速越低、湍流越少,对稳定运行越好。

8.2   特别说明

需要特别说明的是,随着人们对安全、生命周期成本以及最小化排放的日益重视,用于一些危险区域及重要工况的离心泵(如核电站及输送危化品用泵等),在没有相同或相近工况运行业绩支撑的情况下,建议谨慎选择超出限值的产品。

参考文献】

[1] 谢小青,吸入比转速解读有其对离心泵性能的影响,船舶标准化工程师,2017年第4期,总第63期,40-43

[2] ANSI/API STANDAED 610 “Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries”, ELEVENTH EDITION, SEPTEMBER 2010; ISO 13709: 2009 (Identical)

[3] “Article #3: Suction Specific Speed”, http://www.pump-magazine.com

[4] Chandra Gupt Porwal, “High Specific Speed in Circulating Water Pump Can Cause Cavitation, Noise and Vibration”, World Academy of Science, Engineering and Technology International of Mechanical and Mechatronics Engineering, Vol:9, No:12, 2015


更多精彩内容,关注泵友圈微信号(ID:bengyouquan)


泵友圈2.png