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离心泵选型及所涉及的标准规范离心泵选型及所涉及的标准规范在购买和安装泵时，目标是在满足工艺需求的同时，采购一台尽可能可靠且高效运行的泵。 Peter Gaydon 前言 在购买和安装泵时，目标是在满足工艺需求的同时，采购一台尽可能可靠且高效运行的泵。 图1：基于系统曲线变化的运行区间 在泵的选型过程中，可靠性与效率息息相关。这是因为，一台根据正常运行工况合理选型和控制的泵，通常会在最佳效率点（BEP）附近运行。此时，施加在机械部件上的力较小，振动也相对较低，这些因素共同确保了设备的最佳可靠性。 泵送应用场景千差万别，不符合要求或泵过早失效的后果也因应用而异。因此，无法简单地给出泵的设计和性能选择标准。鉴于此，本文将重点探讨如何选择在优先工作区（POR）内运行的泵。这些泵应具备高于必需汽蚀余量（NPSHR）的有效汽蚀余量（NPSHA），同时还需有足够的裕量，并确保振动水平在可接受范围内，以实现可靠且高效的泵送目标。美国国家标准为泵的NPSH裕量、POR及允许振动值提供了通用的指南和验收标准，具体如下： ANSI/HI 9.6.1 《Rotodynamic Pumps - Guideline for NPSH margin》 ANSI/HI 9.6.3 《Rotodynamic Pumps - Guideline for Operating Regions》 ANSI/HI 9.6.4 《Rotodynamic Pumps for Vibration Measurements and Allowable Values》 除了这里提供的通用指南外，石油、天然气和化学加工等行业也有其特定的设计标准，这些标准明确了行业要求和应遵循的适当规范。 优先工作区 POR是BEP流量两侧的一定的流量范围，在该范围内，泵的水力效率和运行可靠性不会大幅降低。旋转动力泵的POR因其设计而异，因此，要确定特定泵的POR，建议参考ANSI/HI 9.6.3标准。 要选择在POR内运行的泵，首先需要确定工艺流量的最大和最小要求，以及对应的系统压头（扬程）。接下来，应绘制出在正常运行工况下系统压头要求的工艺系统曲线。该曲线以图形方式呈现系统静态压头（即液源端到目标端的液位或压力差）和摩擦压头（液体流动产生的损失）。系统压头通常用所输送液体的液柱高度（英尺或米）来表示，这个高度反映了泵在特定流量下输送该液体“所需的压力值”。 系统曲线非常重要，因为泵的运行流量取决于泵曲线与系统曲线的交点。在开式系统中（见图1），系统曲线会因静态压头的变化而变化，例如液源端和目标端之间的液位变化，从而形成一个工作区域而不是单一工作点。 净正吸入压头 应确定系统工况范围内的有效汽蚀余量（NPSHA）。NPSHA是泵吸入口的绝对总吸入压头，必须超过泵在运行工况下所泵送液体的蒸汽压力。而NPSHR则是制造商提供的最低NPSHA，它是泵在特定流量、转速和泵送液体条件下所需达到的最低要求。 如图2所示，泵的NPSHA通常随着流量的增加而降低，而NPSHR通常会随着流量的增加而升高。 图2：典型的NPSHA和NPSHR与流量的关系 许多泵制造商采用行业标准的扬程下降3%（即NPSH3）作为公布的NPSHR值。这意味着，当泵在NPSHA等于NPSH3的工况下运行，可能会发生汽蚀现象，并因此导致扬程下降3%。除非另有说明，用户应默认公布的NPSHR基于NPSH3，并按照ANSI/HI 9.6.1标准（根据市场应用和泵型分类）提供高于NPSH3的适当裕量。 离心泵选型 根据最大工艺流量的要求，选择一台泵或多台并联或串联的泵，在POR下运行时满足最大工艺流量的要求，同时确保NPSHR低于NPSHA，并留有足够的安全裕量。 从制造商的目录中选择泵时，请参考图3和图4。图3为某一泵型的特定型谱图，显示了特定制造商的某一泵型在给定转速下各种泵规格的典型工作区域。型图有助于制定满足工艺要求的候选泵名单。 图3：泵型谱图 例如，若前期确定的系统最大需求为：泵在标准4极电机转速下需达到1000 gpm的流量和100 ft的总扬程。图4显示：5×6×11与6×8×11两种规格泵在型谱上存在性能重叠区，这使它们成为重点评估的优选规格。 图4：泵制造商公布的性能曲线 在将泵的选型范围缩小至满足工况点（1,000 gpm流量，100 ft扬程）的合适规格后，可以参考制造商公布的性能曲线来进一步确定最佳泵型。图4显示了5×6×11规格泵在1,770 rpm转速下的典型性能曲线，通过该曲线，能够获取以下关键信息： 1）符合设计点性能的叶轮直径在10到10.5英寸之间。 2）泵在设计点的效率为85%，在BEP时的效率为86%。 3）在设计点，泵输入功率将在25至30马力（hp）之间；然而，为了确保曲线末端的无过载状态，可能需要40马力的电机。 4）NPSH3在设计点处为9至10英尺，在曲线末端为20英尺。 需要特别注意的是，本曲线所示参数均基于68°F（20°C）清水工况。如果在该温度下应用液体的比重高于或低于水的比重，功率值将相应变化。此外，如果应用液体的粘度高于测试液体，则需要按照ANSI/HI 9.6.7《Rotodynamic Pumps - Guideline for Effects of Liquid Viscosity on Performance to select the correct pump》中的规定对流量、扬程和效率进行校正，以确保泵的选择准确无误。 如前所述，为满足工艺要求，系统可能会需要一系列正常运行流量。此时应选择一种最佳的控制方式，以确保泵在所有正常工况点都能可靠且高效地运行。实践中通常通过以下方式控制泵以保持液位、压力、流量或温度等工艺参数：间歇运行泵、旁通流量、节流流量、变速驱动，或将这些技术组合使用，每种控制技术都有其相应的优缺点（见表1）。 表1：控制方式汇总 所选的控制方式应尽可能确保泵在POR内运行。图5展示了一组变速泵的性能曲线和系统曲线。在些情况下，80%的效率线表示POR。通过选择在系统曲线与泵曲线在BEP右侧相交的100%转速的泵，可以将泵的运行范围从100%转速扩展到近80%转速，从而最大化POR内运行的运行效率。此外，需要注意的是，当泵转速降至80%以下时，泵曲线和系统曲线的交汇点会迅速接近最小允许流量。因此，当采用变速控制时，必须设定最低转速限制，以避免因流量过低而导致的运行可靠性问题。 图5：变速泵曲线和系统曲线 性能测试及验证 在选择了符合系统要求的泵组和控制装置后，用户可以要求制造商进行测试，以验证泵的水力性能保证值、NPSH3或机械完整性。用户可参考ANSI/HI 14.6《Rotodynamic Pumps for Hydraulic Performance Acceptance Tests》进行水力性能验收试验。 泵的安装和运行 泵的安装和运行应严格遵循行业标准以及泵制造商提供的安装、运行和维护手册。管道设计必须符合ANSI/HI 9.6.6《Rotodynamic Pumps for Pump Piping Design》，并确保泵的进出口精确对中，以防止施加在泵管口上的载荷导致泵壳体和底座变形。安装人员可以参考ANSI/HI 9.6.2《Rotodynamic Pumps for Assessment of Applied Nozzle Loads》来评估所施加的接管载荷。 泵振动 ANSI/HI 9.6.4标准提供了振动数据的测量位置、程序以及各测点振动允许限值，以确保符合标准要求。对于正确选型、安装和控制的泵组，其振动值应在ANSI/HI 9.6.4规定的限值范围内。 泵的振动主要由机械或水力工况引起的受迫振动造成。当泵内的激振力（激振频率）过大，或系统固有频率与激振频率重合时，就会引发异常振动。这种频率重合现象会导致振动放大，称为共振。 通过正确的设计、安装和运行，可以有效降低泵内的激振频率。泵的购买者或技术人员应根据泵系统的重要性及已知的风险和不确定性因素，开展前期动态分析，以规避共振风险。动态分析评估激振力，并将激振频率与泵系统的固有频率进行比较，以预测它们之间的相互作用结果。与其它设计和测试考虑的因素一样，动态分析也涉及相应成本，因此需要在技术规范中明确规定。在制定动态分析规范时，用户可以参考ANSI/HI 9.6.8《Rotodynamic Pumps - Guideline for Dynamics of Pumping Machinery》。该指南通过流程化的引导，帮助非专业用户能够： 1）与制造商协同工作 2）明确分析等级要求 3）为分析专家提供文档内范例规范界定的技术考量项 动态分析的最终目标是确保泵组在ANSI/HI 9.6.4标准规定的振动限值范围内稳定运行。 结论 如果所选泵组在其POR内运行，用户将同时获得运行可靠性和能效提升的双重收益。除了正确的选型外，泵的安装与控制也是确保可靠性和能效的关键因素。行业标准为泵系统设计及接管载荷应用提供了规范依据，同时必须严格遵循制造商提供的安装、运行和维护手册。此外，可以指定必须进行动态分析与性能测试，以验证泵组能否正常运行。最终，通过现场泵振动测量，并对照ANSI/HI 9.6.4标准验证安装后的泵振动是否超出允许限值，并利用这些测量值设定报警和报警等级，以便进行后续监测。 作者简介：Peter Gaydon是水力协会的技术事务主管，负责监督该协会技术出版物和项目的开发。在加入水力协会之前，Gaydon曾在主要泵制造商担任设计、开发和测试工程师。 |
