Неке заблуде о избору и примени центрифугалних пумпи

Куповина високо{0}}квалитетне центрифугалне пумпе која задовољава стандарде производње је само почетна тачка, а не крајњи циљ, за обезбеђивање дуготрајног-обезбеђивања{2} рада система. Ако опрема није дизајнирана да буде компатибилна са специфичним сценаријима примене, чак и најимпресивнији параметри перформанси ће неизбежно довести до проблема при прилагођавању стварном окружењу. Свака центрифугална пумпа има своју унапред подешену оптималну радну тачку и дозвољени радни опсег. Када стварни услови рада одступе од пројектованих граница-било у погледу брзине протока, нето позитивне усисне главе (НПСХ), карактеристика медија или -метода покретања и искључивања-, то ће директно угрозити хидрауличку стабилност, механичку поузданост и радни век пумпне јединице.

Овај чланак ће, на основу искуства инжењерске праксе, објаснити и разјаснити неке уобичајене заблуде у избору и примени центрифугалне пумпе како би се избегло да корисници доносе лош избор производа и одлуке о примени.

 

 

• Неке уобичајене заблуде у избору производа

 

Што је већа ефикасност, то боље

„Ефикасност“ је основни индикатор за мерење хидрауличних перформанси пумпе и такође је најдиректнија полазна тачка за кориснике да се фокусирају на трошкове потрошње енергије. Међутим, ако се једнострано тежи циљу максимизирања ефикасности пумпе, често је потребно направити више компромиса у фази пројектовања, што може утицати на робусност опреме и поузданост њеног-дуготрајног рада.

Висока ефикасност, која природно значи нижу радну потрошњу енергије, је и уобичајена очекивања корисника и примарна покретачка снага која стоји иза континуираних иновација за произвођаче пумпи. Сматра се „циљом“ јер у критичним условима рада који захтевају-дуготрајан непрекидан рад, као што су нуклеарна енергија, термоенергетика и петрохемијска постројења, безбедност и стабилност (тј. поузданост) пумпних јединица су увек најважнији.

Постизање дизајна високе{0}}ефикасности обично укључује неколико техничких карактеристика: мањи радни зазори (хабајући прстенови, механизми за балансирање, итд.), дужа и флексибилнија осовина пумпе, строги захтеви за толеранцијом и најглаткији могући профил путање протока. Иако ови дизајни донекле побољшавају хидрауличку ефикасност, они такође чине опрему осетљивијом на чистоћу медија, флуктуације у условима рада и поравнање инсталације, чиме се повећава учесталост одржавања, подижу техничке баријере и повећавају трошкови резервних делова за кориснике.

Произвођачи, на основу различитог тржишног позиционирања и стратегија производа, имају различите фокусе у својим филозофијама дизајна пумпи: неки дају приоритет енергетској ефикасности, неки сматрају поузданост основним принципом, а други теже ултра-дугом веку трајања у екстремним условима рада. Током 1980-их, кинеско тржиште производње топлотне енергије се брзо развијало, привлачећи бројне међународно познате добављаче пумпи за електране. Већина произвођача је користила сигурност и поузданост као техничке баријере, али је једна страна компанија ушла на тржиште са „највећом ефикасношћу у индустрији“ као разликовном предношћу. Иако је његова почетна измерена ефикасност заиста била 1% до 2% већа од конкуренције, често је доживљавао несреће са ломљењем вратила након пуштања у рад и на крају је избачен са кинеског тржишта електричне енергије. Овај случај дубоко илуструје да центрифугалне пумпе нису нужно боље што је већа ефикасност; стратегија дизајна која жртвује поузданост ради ефикасности једнака је испијању отрова за утаживање жеђи у критичним радним условима.

 

Што је нижа потребна нето позитивна усисна висина (НПСХ) пумпе, то боље.

За кориснике, што је нижа потребна нето позитивна усисна висина (НПСХР) пумпе, то је боље, јер ово може значајно смањити висину инсталације (тј. нето позитивну усисну главу НПСХА) и ефективно смањити инвестиционе трошкове.

У већини система пумпи, НПСХА има тенденцију да се смањује са повећањем протока, док НПСХР има тенденцију да расте са повећањем брзине протока. Стога, пре пројектовања система, треба узети у обзир препоруке произвођача пумпе и искуство у примени, и обезбедити довољну сигурносну маргину у оквиру свих очекиваних радних брзина протока. Истовремено, приликом одређивања нето позитивне усисне висине, купац и продавац треба да разјасне однос између минималног континуираног стабилног протока и специфичне брзине усисавања пумпе. Генерално, минимални континуирани стабилни проток пумпе расте са повећањем специфичне брзине усисавања... Приликом одабира специфичне брзине усисавања и сигурносне границе НПСХ, треба узети у обзир постојеће индустријске стандарде и искуство произвођача.

При истој брзини и протоку, што је нижи НПСХР, већа је специфична брзина усисавања пумпе. У поређењу са дизајном пумпи са нижим специфичним брзинама усисавања, пумпе са већим специфичним брзинама усисавања чешће ће наићи на нежељене вибрације и буку, а дозвољени радни опсег такође постаје ужи. Што се тиче утицаја специфичне брзине усисавања на оперативну поузданост центрифугалних пумпи, међународни колеге имају велико искуство у инжењерској примени и обезбедили су максималне границе специфичне брзине усисавања, које се могу користити као референца при избору пумпи. Међу њима, ограничење специфичне брзине усисавања наведено у УОП 5-11-7 [2] је широко признато и примењено на глобалном нивоу, а његове одредбе су следеће: специфична брзина усисавања пумпе не сме да прелази 13000 (м3/х, рпм м); када је медијум за пумпање вода или раствор са садржајем воде већим од 50%, а снага једностепеног радног кола пумпе прелази 75 кВ, специфична брзина усисавања не сме бити већа од 11000 (м3/х, о/мин, м). Са развојем науке и технологије, данас, без повећања улазног пречника радног кола, постоји много начина да се побољшају усисне перформансе центрифугалних пумпи, а сходно томе је повећана и граница специфичне брзине усисавања. Након проучавања производа многих мултинационалних компанија (као што су ЕБАРА, КСБ, ИТТ, итд.), аутор је открио да тип ББ2, пројектован коришћењем савремених метода пројектовања (уместо традиционалног метода повећања улазног пречника радног кола), може постићи ограничење специфичне брзине усисавања од приближно 14.400 (м3/х, о/мин, м).

Према томе, корисници не би требало слепо да траже „ниски НПСХ3“ без разматрања стварних услова рада. Уместо тога, требало би да раде са произвођачима да оставе довољну и разумну маргину између нето позитивне усисне главе јединице (НПСХА) и потребне нето позитивне усисне главе пумпе (НПСХ3), док пажљиво процењују ризике оперативне стабилности који могу бити узроковани високом специфичном брзином усисавања.

 

Што је критична брзина пумпе даље од њене стварне брзине, то боље.

Критична брзина се односи на карактеристичну брзину при којој роторски систем резонира, а њена вредност зависи од крутости ротора, крутости носача и расподеле масе. У стварним процесима лицитирања инжењеринга, због превеликог избегавања ризика од резонанце, купци имају тенденцију да захтевају да попречна критична брзина првог{1}}реда буде што је могуће даље од номиналне брзине пумпе (на пример, рани тендерски документи за конвенционалне острвске пумпе за напојну воду у нуклеарним електранама захтевају да „прва критична брзина система осовине пумпе 12 која одговара њеној номиналној брзини у води треба да буде већа од номиналне брзине у води). Неколико година касније, овај проценат је повећан на 135%, а на последњем тендеру је чак захтевано да достигне 150%, а да се и даље испуњавају актуелни стандарди енергетске ефикасности.

 

Из перспективе динамике, подизање критичне брзине до тачке далеко од опсега радне брзине је потпуно изводљиво – једноставним повећањем пречника осовине, скраћивањем распона или повећањем крутости ослонца. Међутим, ово неизбежно доводи до повећања тежине ротора, повећане потешкоће у балансирању и директног сукоба са циљевима енергетске ефикасности: под истим условима, што је већа критична брзина, то је дебљи систем осовине и већи губитак механичког трења и губитак трења диска, што значи нижу ефикасност пумпе.

 

Због тога је избор критичне брзине у суштини-одговор између „динамичке безбедности“ и „хидрауличне економичности“. Однос између критичне брзине и називне брзине пумпе треба рационално одредити на основу различитих типова пумпи и радних услова.

 

Центрифугалне пумпе могу да управљају гасом{0}}течним двофазним протоком.

Рад центрифугалних пумпи са раствореним гасом укључује веома сложен двофазни ток гаса-течности-, који су истраживачи опсежно проучавали како у земљи тако и у иностранству. Искуство је показало да са специјалним дизајном радног кола (нпр., полу-отворен задњи поклопац радног кола са повратним отвором близу улаза радног кола на проточном каналу радног кола), центрифугалне пумпе могу да одржавају стабилан рад чак и са садржајем гаса од 10% (по запремини). Обичне центрифугалне пумпе могу да раде са течностима које садрже мале количине гаса (1% до 2% запремине). Присуство мале количине гаса у течности може ублажити утицај колапса кавитационог мехура и смањити повезану буку, вибрације и оштећења од ерозије. Међутим, када садржај гаса достигне 6%, обичне центрифугалне пумпе могу искусити појаве кавитације и блокаде гаса, што доводи до оштрог пада перформанси (брзина протока, висина и ефикасност).

 

• Неке заблуде у примени

 

Омогућава дуготрајан{0}}рад испод минималног континуираног стабилног протока

Стандард АНСИ/АПИ 610 дефинише минимални континуирани-брзину протока у стабилном{1}} стању (МЦСФ) као минимални проток при којем пумпа може да ради непрекидно без прекорачења граница вибрација наведених у стандарду. Другим речима, ако пумпа ради испод овог протока током дужег периода, одмах ће покренути низ штетних физичких процеса, укључујући унутрашњи повратни ток, кавитацију, додатне радијалне силе (посебно уочене код једнослојних-суплутних пумпи) и повећану температуру течности. Они онда могу да изазову низ начина квара, као што су отклон осовине, хабање прстена за хабање, одвајање крајње површине механичког заптивача и абнормално прегревање лежаја. Последице су значајно повећање механичких вибрација и буке, што може драстично скратити радни век механичких заптивки и лежајева, или чак довести до лома вратила и озбиљног оштећења ротора и компонената које се спајају.

 

У стварном раду јављају се две уобичајене оперативне заблуде: Прво, неки корисници, због неразумевања упутства за употребу и одржавање током пуштања у рад, погрешно верују да центрифугалне пумпе могу да раде дуже време под било којим условима (укључујући испод минималног континуираног стабилног протока или чак нултог протока). Друго, неколико корисника, због неразумевања услова гаранције, покушава да вештачки створи екстремне услове рада током фазе пуштања у рад како би проверили „издржљивост“ опреме. Такве операције представљају деструктивно испитивање центрифугалних пумпи, које потенцијално изазивају не само тренутне кварове, већ и развој скривених дефеката као што су напрслине од замора, и морају бити строго забрањене.

 

Покретање пумпе са потпуно отвореним излазним вентилом значи покретање пумпе када је излазни вентил потпуно отворен.

У многим системима који захтевају дуготрајан{0}}континуирани рад (као што су системи електрана), резервне пумпе су обично инсталиране и увек су спремне за покретање (пумпа је напуњена медијумом; помоћни системи као што су заптивке, расхладна вода и уље за подмазивање раде). Ако главна пумпа поквари, резервна пумпа ће се аутоматски покренути. Због тога, излазни вентил пумпе мора бити отворен, што је уобичајено познато као "почетак отвореног вентила".

 

Многи купци или корисници имају погрешну представу о покретању отвореног вентила: верују да то значи почети са потпуно отвореним излазним вентилом. Ово је нетачно! „Покретање отвореног вентила“ заправо значи почетак са излазним вентилом при одређеном протоку (као што је називни проток). Типично, брзина протока коју излазни вентил пумпе у систему може да поднесе је много већа од номиналног протока пумпе. Ако је излазни вентил потпуно отворен, пумпа ће радити при претерано великом протоку, потенцијално изазивајући низ проблема као што су кавитација, вибрације, преоптерећење мотора или неуспех при покретању јединице.

 

Исправан поступак је следећи:На основу криве перформанси пумпе и криве отпора система, унапред подесите отвор излазног вентила на положај близу одговарајућег радног протока, а затим га фино-подесите на основу очитавања мерача притиска и амперметра након покретања пумпе.

 

Заптивка паковања може се директно заменити механичком заптивком.

Узимајући за пример центрифугалну пумпу типа ОХ1/ОХ2, разлике између заптивки за паковање и механичких заптивача леже не само у њиховом типу заптивања већ и у фундаменталним разликама у укупном структурном распореду. За заптивке за паковање, да би се обезбедио довољан аксијални простор за смештај заптивке, прстенова за заптивање, отвора за заптивање и простора за лак ручни рад, произвођачи пумпи морају да поставе радно коло далеко од лежаја, што доводи до значајног повећања распона конзоле радног кола Л. Када се пумпа покрене или се вратило отклони, због одређеног радијалног ослонца, због чврстоће полупречника паковање објективно делује као помоћно лежиште, постајући део носећег система и пружајући подршку.

 

Једноставно уклањање заптивке паковања и замена механичком заптивком без поновне{0}}верификације динамике ротора ће довести до следећих ризика:

 

Недостатак подршке:Механичке заптивке не поседују функцију заптивача за паковање као „део система носача вратила“. Једном када пригушење и крутост које обезбеђује заптивање нестане, када се пумпа покрене или вратило отклони, отклон на крају вратила може премашити могућност праћења механичког заптивача, што неизбежно доводи до одвајања лица заптивке, цурења и неравномерног хабања. Ово скраћује животни век компоненти и може чак довести до оштећења или квара опреме.

Просторна интерференција:Унутрашњи пречник кутије за пуњење (шупљина за заптивање) у заптивачу за паковање је обично мањи од величине шупљине коју захтева механичка заптивка. Овај уски простор је недовољан да механичка заптивка користи центрифугалну силу да избаци чврсте честице са површине заптивања, а такође не може да обезбеди довољан зазор за хлађење, што доводи до прегревања, коксовања или превременог квара површине заптивања.

 

Због тога, за крајње{0}}усисне центрифугалне пумпе, када се разматра прелазак на механички заптивач, прво мора да се изврши процена динамике ротора да би се израчунао однос Л³/Д⁴. Овде је Л растојање (инчи или милиметри) између центра унутрашњег лежаја и центра радног кола; Д је пречник осовине (инчи или милиметри) на чаури механичког заптивача. Ова вредност треба да буде мања од 60 (америчке јединице), или мања од 2,0 у метричким јединицама, да би се сматрала у оквиру прихватљивог опсега за отклон на крају вратила механичког заптивача.

 

Дозволи преокрет

У многим критичним апликацијама центрифугалних пумпи, корисници обично захтевају да пумпа може да издржи краткорочну-обрнуту ротацију када се појаве услови као што су квар излазног вентила или неисправност неповратног вентила и да дозвољена брзина уназад достигне номиналну брзину. Из перспективе маргине обртног момента динамике ротора, ово је теоретски изводљиво – под условом да се пречник вратила, кључна веза и контра навртка провере у односу на вршни обртни момент. Међутим, у практичним инжењерским апликацијама, због ограничења из више фактора као што су трошкови, енергетска ефикасност, сигурност и поузданост, системи механичких заптивки и радни услови, често је тешко истовремено постићи оптималне перформансе напред док се опреми обезбеђује јака толеранција уназад.

 

Штавише, „преокрет“, као типично стање грешке/несреће, често није изолован догађај, већ је често праћен суперпозицијом екстремних ситуација:

Самостални преокрет „Повер Слип“-Почетак:Када опрема изгуби струју, излазни вентил истовремено поквари функционисање и пумпа се окреће великом-брзином уназад, ако се напајање изненада врати у кратком временском периоду (тј. мотор поново убрза), то је еквивалентно изненадном покретању јединице пумпе током процеса обрнутог ротирања. У овом тренутку, ротор пумпе ће бити подвргнут векторској суперпозицији позитивног обртног момента и обрнутог инерцијалног обртног момента, и одмах ће се суочити са ударним оптерећењем од скоро двоструко већег од номиналног обртног момента, што може лако изазвати лом осовине или кидање еластичног елемента спојнице.

Неисправност испирања механичке заптивке:За конструкције механичких заптивача опремљених прстеновима за пумпање (вортексни ток), смер пумпања је стриктно једносмеран. При обрнутом раду, прстен за пумпање можда неће успети да успостави проток испирања, или чак да генерише обрнути притисак, што доводи до прекида течности за испирање механичког заптивача. Ово, заузврат, узрокује суво трење и термичко пуцање на површини заптивке, значајно скраћујући животни век механичког заптивача. Стога, када се пумпа окрене уназад, механичка заптивка мора бити растављена и прегледана након искључивања, а динамичке и стационарне заптивне прстенове треба заменити ако је потребно.

Отказивање механизма против{0}}олабављења:Ако причвршћивачи на ротору (као што су матице радног кола и сигурносне матице лежаја) немају поуздан дизајн против-олабављења (нпр. ослањајући се искључиво на обртни момент трења без механичке структуре закључавања), тренутни ударни момент који се генерише ротацијом уназад може да изазове отпуштање делова, оштећење или чак њихово померање.

 

• Суммаризе

На основу горенаведених ризика, препоручује се стратегија управљања на више нивоа: За не-критичне радне услове или за критичне сценарије у којима се обрнута ротација може избећи преко међусобног блокирања процеса, не препоручује се присиљавање пумпи да имају толеранцију ротације уназад; за критичне пумпе које морају да толеришу обрнуту ротацију, индекс обртног момента уназад треба да буде јасно одређен у фази пројектовања, а произвођач треба да спроведе специјалну проверу чврстоће осовине и сертификацију против-отпуштања причвршћивача како би обезбедио сигурносну маргину.

 

Рационалност избора и примене центрифугалне пумпе директно одређује цену{0}}животног циклуса и оперативну поузданост пумпног система. На основу претходне анализе, основни закључци су сажети на следећи начин:

• Већа ефикасност није увек боља – високо{0}}ефикасни дизајни често долазе по цену жртвовања зазора хабајућих прстенова, маргине пречника осовине и глаткоће канала протока. Поузданост треба дати приоритет у критичним условима рада.
• Нижи захтевани НПСХ није увек бољи – Низак НПСХ3 је обично праћен великом специфичном брзином усисавања, што доводи до ужег радног опсега и повећаног ризика од вибрација. Избор пумпе треба да одговара НПСХ система, а специфична брзина усисавања треба да буде ограничена према стандардима као што су УОП и ХИ.
• Критичну брзину треба подесити разумно, а не слепо повећавати – Повећање критичне брзине је у негативној корелацији са енергетском ефикасношћу. Критична маргина брзине за мокре роторе треба да буде разумно одабрана на основу типа пумпе и стандарда (као што је АПИ 610) да би се избегло претерано-дизајнирање.
• Обичне центрифугалне пумпе имају изузетно ниску толеранцију на гасовите медије – Само посебно дизајниране пумпе могу да поднесу 10% садржаја гаса. Конвенционалне пумпе доживљавају деградацију перформанси изнад 2%, а могу да доживе ваздушне блокаде изнад 6%.
• Продужени рад испод минималног континуираног стабилног протока је строго забрањен – морају се конфигурисати минималне мере заштите протока (као што су бајпас или аутоматски рециркулацијски вентили).
• Покретање отвореног вентила-уп=покретање вентила са пуним излазом-уп – унапред подешени степен отварања треба да одговара номиналном протоку да би се избегло преоптерећење и кавитација. ● Заптивне заптивке се не могу директно заменити механичким заптивачима – морају се извршити прорачуни угиба ротора (Л³/Д⁴) и мора се проценити динамички утицај промена на носећој конструкцији.
• Обрнутом ротацијом треба поступати са опрезом – није потребно осим ако је апсолутно неопходно; ако је потребно, треба извршити посебне провере чврстоће и дизајн против-олабављења.
• Индустријска пречишћена вода није погодна као расхладни медијум за пумпе високе{0}}температуре – препоручује се омекшана вода или пара, а управљање квалитетом воде и њено одржавање треба да буде појачано.

 

Само напуштањем изолованог селекционог начина размишљања о „превласти параметара“ и успостављањем научног оквира за{0}}доношење одлука о „прилагођавању система, усклађивању радних услова и компромисима у пуном животном циклусу-“ могу се у основи избећи -поменуте заблуде и постићи ефикасан, стабилан и дуг-рад центрифугалних система пумпи.