全面理解離心泵吸入比轉(zhuǎn)速

1982年，Jerry hallam發(fā)布了其在Amoco Texas City煉油廠對(duì)480多臺(tái)泵的可靠性研究結(jié)果：泵的可靠性與吸入比轉(zhuǎn)速明顯相關(guān)，特別是當(dāng)泵的吸入比轉(zhuǎn)速超過11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】時(shí)，出現(xiàn)故障的概率是較低的吸入比轉(zhuǎn)速的2倍。

在Jerry hallam的研究結(jié)果發(fā)布后的幾年中，吸入比轉(zhuǎn)速≤11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】變成了石油和天然氣行業(yè)（泵選型）的一個(gè)硬性限制，并以某種規(guī)范形式而被廣泛采用，這是非常罕見的。例如，當(dāng)一臺(tái)泵的吸入比轉(zhuǎn)速=10950（USGPM, ft.）時(shí)，被認(rèn)為是可以接受的；而當(dāng)其吸入比轉(zhuǎn)速=11050（USGPM, ft.）時(shí)，被認(rèn)為是不可接受的。

除了極少數(shù)例外，實(shí)際工程應(yīng)用中，幾乎沒有一臺(tái)離心泵始終處于BEP運(yùn)行。在一些工廠/系統(tǒng)中的流量需求會(huì)發(fā)生變化，操作人員通常通過出口閥門來調(diào)節(jié)泵的流量。

如果流量低于一定值，就會(huì)在葉輪入口處出現(xiàn)再循環(huán)（回流），較大的葉輪入口（低NPSHR，高吸入比轉(zhuǎn)速）和較高的入口圓周速度會(huì)產(chǎn)生較高能量的再循環(huán)。隨著泵流量的進(jìn)一步減小，循環(huán)強(qiáng)度增加，進(jìn)而會(huì)引起汽蝕、噪音和流體脈動(dòng)。再循環(huán)開始時(shí)的流量隨著葉輪入口直徑的增加而增加。

吸入比轉(zhuǎn)速與泵的可靠性密切相關(guān)。對(duì)于高吸入比轉(zhuǎn)速泵，如果在偏離BEP的低流量區(qū)域內(nèi)頻繁運(yùn)行，常常會(huì)引起可靠性問題。如果吸入比轉(zhuǎn)速高于8500至9000（USGPM, ft.）【約10000至10500（m3/h, m）】，泵的可靠性會(huì)開始呈指數(shù)下降[3]，振動(dòng)和噪音顯著增加。

對(duì)于正常設(shè)計(jì)的泵，吸入比轉(zhuǎn)速的值從6000至12000（USGPM, ft.）【約7000至14000（m3/h, m）】不等，在包括誘導(dǎo)輪在內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)中，可以獲得更高的值。Jerry hallam的研究結(jié)果表明：當(dāng)泵的吸入比轉(zhuǎn)速超過11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】時(shí)，出現(xiàn)故障的概率是較低的吸入比轉(zhuǎn)速的2倍。而美國水力學(xué)會(huì)HI將8500（USGPM, ft.）【約10000（m3/h, m）】的吸入比轉(zhuǎn)速作為典型的指導(dǎo)值[4]。

3.2   吸入比轉(zhuǎn)速與泵性能之間的關(guān)系

為了改善離心泵的吸入性能，設(shè)計(jì)人員普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑（D1）的方法來實(shí)現(xiàn)。今天，這種設(shè)計(jì)方法在我國離心泵的工程設(shè)計(jì)中卻還在一直使用。

在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙相同的情況下，吸入性能越好（葉輪入口面積越大，吸入比轉(zhuǎn)速值越高），則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大，這意味著泄漏量越大，而泵的效率就越低。

過去的10多年里，吸入比轉(zhuǎn)速（限值）在我國石化行業(yè)的詢價(jià)數(shù)據(jù)表或泵技術(shù)規(guī)格書中已得到了普遍的使用。但是，當(dāng)時(shí)沒有多少人知道它的真正含義或數(shù)值的意義，只是簡(jiǎn)單地將吸入比轉(zhuǎn)速超過11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】時(shí)，便認(rèn)為泵的設(shè)計(jì)不合理。

隨著對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速研究的不斷加深，人們逐漸認(rèn)識(shí)到它與離心泵的運(yùn)行可靠性及性能密切相關(guān)，并將其作為泵運(yùn)行可靠性的預(yù)測(cè)及研發(fā)的一種工具（或依據(jù)）。吸入比轉(zhuǎn)速的研究成果及應(yīng)用主要有以下幾方面。

泵在小流量下運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致以下問題：液體溫度升高、產(chǎn)生額外的徑向力（特別是單蝸殼泵）、入口回流、汽蝕等，從而引發(fā)機(jī)械振動(dòng)、噪音增加及軸承和機(jī)械密封壽命的降低。因此，對(duì)于指定裝置，制造商應(yīng)該給出泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量限值。

一般來說，泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量隨著吸入比轉(zhuǎn)速的增加而增加[2]。

根據(jù)汽蝕基本原理，吸入比轉(zhuǎn)速越大，泵的抗汽蝕能力越好，即NPSHR（API610標(biāo)準(zhǔn)為NPSH3，下同）越小。但是，并非吸入比轉(zhuǎn)速越大越好，一方面現(xiàn)有的技術(shù)水平?jīng)Q定了NPSHR不可能無限制的減?。涣硪环矫嫖氡绒D(zhuǎn)速的大小與泵的運(yùn)行可靠性密切相關(guān)。

1982年，Chevron公司的Richard Dubner根據(jù)吸入比轉(zhuǎn)速的研究成果開發(fā)了一張圖表，用于確定離心泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量。它允許處理碳?xì)浠衔锏谋玫淖钚∵B續(xù)穩(wěn)定流量比那些處理水的泵的流量低；并且與較小的泵相比，要求更大的泵在更靠近BEP的區(qū)域運(yùn)行。

Richard Dubner的圖表告誡人們不要使用吸入比轉(zhuǎn)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% 流量連續(xù)運(yùn)行。該圖可用作為泵的運(yùn)行指南，并在新泵的選擇過程中排除最小流量高于預(yù)期服務(wù)的產(chǎn)品。

工程實(shí)踐中，大多數(shù)離心泵最小連續(xù)穩(wěn)定流量通常為最高效率點(diǎn)流量的25 % ~ 30 %，小型離心泵相對(duì)小一些，而大型離心泵可能達(dá)到最高效率點(diǎn)流量的35% 以上。例如，EBARA公司OH2型UCW泵，進(jìn)/出口通徑小于50×40時(shí)，最小連續(xù)穩(wěn)定流量通常為BEP點(diǎn)流量的12 %；進(jìn)/出口通徑等于50×40時(shí)，為BEP點(diǎn)流量的15 %；而當(dāng)進(jìn)/出口通徑大于等于100×80時(shí)，為BEP點(diǎn)流量的25 % ~ 30 %。對(duì)于實(shí)型泵，準(zhǔn)確的最小流量之值可通過試驗(yàn)測(cè)得。由于泵的實(shí)際運(yùn)行工況并非絕對(duì)恒定，因此泵制造商提供給用戶最終的最小連續(xù)穩(wěn)定流量之值會(huì)大于試驗(yàn)測(cè)得值。

吸入比轉(zhuǎn)速研究的成果之一是被普遍引用的一張圖表，稱為泵的“穩(wěn)定運(yùn)行窗口”。

不管是制造商還是用戶，都希望泵始終處于BEP運(yùn)行，在此流量下，所有泵的零部件都將具有很長的使用壽命。而實(shí)際工程應(yīng)用中，泵很少在其BEP運(yùn)行，但如果在“穩(wěn)定運(yùn)行窗口”的流量范圍內(nèi)運(yùn)行，則泵的零部件使用壽命將大大延長。吸入比轉(zhuǎn)速在很大程度上表示該“窗口”的大小。吸入比轉(zhuǎn)速值較低的泵具有較大的“窗口”。

1985年，Lobanoff和Ross在《離心泵：設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書中提供了圖1所示的圖表。它不僅為泵“穩(wěn)定”運(yùn)行提供了最小流量，而且還提供了最大流量，它是八只不同葉輪在同一臺(tái)OH2型4x6-11（100x150-280）泵中的測(cè)試結(jié)果。吸入比轉(zhuǎn)速的范圍從7000（USGPM, ft.）【135（m3/s, m）】到20000（USGPM, ft.）【387（m3/s, m）】不等。對(duì)于每只葉輪，通過改變流量，測(cè)量泵的振動(dòng)（至API610標(biāo)準(zhǔn)允許的峰值水平）來確定“不穩(wěn)定”的開始。

 

 圖1  Loanoff &Ross提供的泵吸入比轉(zhuǎn)速與“穩(wěn)定”運(yùn)行窗口

1990年，Dick Allen對(duì)Lobanoff – Ross的圖表進(jìn)行了改進(jìn)，以幫助用戶/買方在招標(biāo)時(shí)對(duì)泵進(jìn)行評(píng)估。它提供了一種方法，通過評(píng)估“穩(wěn)定”運(yùn)行窗口的大小來對(duì)較小穩(wěn)定運(yùn)行窗口的泵（具有較高的吸入比轉(zhuǎn)速）進(jìn)行（減分）處罰。

處罰分值是任意的，取決于圖表作者的判斷，并且可以根據(jù)給定公司的經(jīng)驗(yàn)和理念進(jìn)行修改。

Dick Allen圖表給出的要點(diǎn)是：

1）不要購買在“不可接受”的區(qū)域內(nèi)連續(xù)運(yùn)行的泵（任何大約小于QBEP流量的50%）。

2）要在“優(yōu)先”水力范圍內(nèi)運(yùn)行，流量必須高于“處罰”范圍（約為QBEP流量的75%）。

3）不要購買高于QBEP流量下連續(xù)運(yùn)行的泵。

4）不要購買額定流量高于QBEP流量約115%的泵。

4.3   可靠性曲線

吸入比轉(zhuǎn)速研究的另一個(gè)成果是泵可靠性曲線的應(yīng)用。人們經(jīng)常在泵類文章和講座中使用或見到由Nelson-Barringer提供的泵可靠性曲線，后來Jim Elsey對(duì)此曲線進(jìn)行了改進(jìn)，具體見圖2。

圖2不僅定性的給出了泵可靠的運(yùn)行區(qū)間，而且給出了在偏離BEP的不同區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的潛在問題，非常直觀。根據(jù)泵在可靠性曲線上的實(shí)際運(yùn)行區(qū)域，可以大概判斷選型是否合理。

圖2  Jim Elsey基于Nelson-Barringer改進(jìn)版的泵可靠性曲線

4.4   估算NPSHA

對(duì)于買方/用戶來說，為了有效降低或控制項(xiàng)目初期投資成本，上海意嘉泵業(yè)通常都希望提供盡可能低的裝置汽蝕余量NPSHA，這就要求供應(yīng)商/制造商提供較低NPSHR的泵。而較低的NPSHR對(duì)應(yīng)的是較高的吸入比轉(zhuǎn)速。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，在較高的吸入比轉(zhuǎn)速下，泵的可靠性將呈指數(shù)級(jí)下降。

吸入比轉(zhuǎn)速還有一個(gè)研究成果便是通過其限值估算NPSHA。

在進(jìn)行新泵的水力設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過吸入比轉(zhuǎn)速的限值計(jì)算泵的必須汽蝕余量NPSHR，然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范給出相應(yīng)的NPSH裕量，最終估算出NPSHA。

以某BB2型雙吸泵為例，該泵用于電站供水，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

泵的最高效率點(diǎn)的流量Q = 3000 m3/h，泵轉(zhuǎn)速n = 1480 rpm，常溫。

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

2）根據(jù)ANSI/HI 9.6.1-1998 《Centrifugal and Vertical Pumps for NPSH Margin》標(biāo)準(zhǔn)中表9.6.1.1的規(guī)定，對(duì)于電站用低吸入能量、高吸入能量及很高吸入能量離心泵，推薦的最小NPSH裕量比（即NPSHA與NPSHR的比值）分別為1.1、1.5和2.0。由于該BB2型泵為很高吸入能量泵，則取NPSHA/ NPSHR = 2.0。

3）由此可以估算出NPSHA之值

NPSHA = 2.0 × NPSHR = 18 m。

即：為了確保該泵可靠運(yùn)行所需的裝置汽蝕余量不低于18米。

這種“逆向思維”設(shè)計(jì)的好處是：

1）可以最大限度地避免泵在用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行問題。

2）不僅可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)項(xiàng)目初期投資成本，而且可以優(yōu)化項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的成本。

  5     吸入比轉(zhuǎn)速限值是否是不可跨越的紅線

很多人錯(cuò)誤地將吸入比轉(zhuǎn)速的限值11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】視為“泵警察”發(fā)布的絕對(duì)“速度限制”，是不可逾越的。對(duì)此，Jerry hallam有一個(gè)非常形象的說法，可以將吸入比轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單地看作是畫在雙車道公路中心的虛線：“如果對(duì)細(xì)節(jié)給予適當(dāng)?shù)年P(guān)注，人們可以超過這條線” – 你需要先檢查迎面而來的車輛，然后再離開中心線過去。

吸入比轉(zhuǎn)速的限值是基于半個(gè)世紀(jì)前的20世紀(jì)60年代及70年代設(shè)計(jì)的葉輪。滄海桑田，葉輪的設(shè)計(jì)方法和計(jì)算工具在隨后的五十年中發(fā)生了翻天覆地的變化，全新設(shè)計(jì)的葉輪葉片及其幾何形狀完全可以減輕甚至消除導(dǎo)致許多先前的不穩(wěn)定性的問題。

對(duì)于這一點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到了普遍的驗(yàn)證。

5.1   案例1

在Jerry hallam的研究結(jié)果發(fā)布的十多年后，先后有許多泵業(yè)同行【如（Stoffel & Jaeger， 1996），（Gulich，2001），（Michael Hirschberger，2009）和（Balasubramanian等，2011）】對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)：在所有其它條件保持不變的情況下，現(xiàn)代葉輪設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的吸入比轉(zhuǎn)速，而不必完全依靠擴(kuò)大葉輪入口直徑。

5.2   案例2

10多年前，作者曾親自參加金陵石化某項(xiàng)目招標(biāo)（于LPEC）的技術(shù)交流，當(dāng)時(shí)EBARA公司有幾個(gè)泵型的吸入比轉(zhuǎn)速之值超出了招標(biāo)文件規(guī)定的13000（m3/h, m）限值，很幸運(yùn)，遇見了一位對(duì)吸入比轉(zhuǎn)速具有豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的楊工（楊力民），在他的確認(rèn)下得以順利放行。至今，這些泵在用戶現(xiàn)場(chǎng)一直安全可靠運(yùn)行。

5.3   案例3

作者研究了不少國際知名的離心泵制造商的產(chǎn)品，他們的吸入比轉(zhuǎn)速的高值均超過了當(dāng)年Jerry hallam所規(guī)定的11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】限值。具體如下[1]：

1） KSB公司：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的普通離心泵，其吸入比轉(zhuǎn)速的平均值通常為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）某國際公司：針對(duì)不同型式的離心泵，其吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍具有一定的差異，并分別給出了低值-中間值-最高值。端吸泵190 - 230 - 270 (m3/s, m)【11400 - 13800 - 16200（m3/h, m）】；中等軸穿過葉輪入口的泵170 - 200 - 240 (m3/s, m)【10200 - 12000 - 14400 （m3/h, m）】；單級(jí)揚(yáng)程超過500 m的多級(jí)泵150 - 180 - 220 (m3/s, m) 【9000 - 10800 - 13200 （m3/h, m）】。

3）ITT公司：離心泵吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍為5000到14000 (USGPM, ft.)【約5800到16270（m3/h, m）】，中間值為9000 (USGPM, ft.)，10460 （m3/h, m）。

4）EBARA公司：石化流程泵的吸入比轉(zhuǎn)速限值范圍大致為1）OH2型泵6000～12000（USGPM, ft），約為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），約8000～14500（m3/h, m）。

以上述數(shù)據(jù)均來自于各制造商公開發(fā)表的書籍、培訓(xùn)資料、論文或網(wǎng)站等。

  6     吸入比轉(zhuǎn)速限值可以跨越的條件

正如上文所述，吸入比轉(zhuǎn)速的限值并非完全不可跨越，但必須滿足一定的條件。

6.1    具有穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)間

如果泵始終保持在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間（如優(yōu)先工作區(qū)）內(nèi)運(yùn)行，則吸入比轉(zhuǎn)速可以允許適當(dāng)超出Jerry hallam給出的限值。這些泵通常包括：

1）石油（碳?xì)浠衔铮┝鞒瘫?。因?yàn)槠淞鞒掏ǔＪ欠€(wěn)定的，很少有系統(tǒng)不穩(wěn)定（瞬態(tài)）或快速流量變化的需求。

2）變速或帶旁路系統(tǒng)的泵。通過變速或旁路系統(tǒng)（而非通過出口閥來調(diào)節(jié)流量）控制，使泵保持在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。例如由汽輪機(jī)或液力偶合器或變頻驅(qū)動(dòng)的離心泵，雖然其運(yùn)行工況會(huì)發(fā)生改變，但通過變速使泵始終處于高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

6.2   現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

如果通過現(xiàn)代技術(shù)、而非采用傳統(tǒng)的加大葉輪入口直徑來改善泵吸入性能的設(shè)計(jì)，允許適當(dāng)提高吸入比轉(zhuǎn)速限值。例如：

1） 葉輪葉片向泵入口邊適當(dāng)延伸，相當(dāng)于增加一只小的誘導(dǎo)輪。

2） 后掠葉片，以減少其前緣的任何汽蝕。

3） 采用扭曲葉片，不僅有利于提高泵的水力效率，同時(shí)可改善泵的吸入性能。

4） 優(yōu)化葉輪葉片前緣輪廓（如采用拋物線前緣輪廓、減薄吸入側(cè)葉片厚度等），可有效限制葉片前緣的壓力峰值和降低對(duì)部分負(fù)荷下運(yùn)行的敏感程度。

5） 利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)計(jì)算分析技術(shù)給定葉輪入口設(shè)計(jì)可優(yōu)化的條件，從而更好地控制和了解葉輪流道中流量及壓力分布情況。

  7     總結(jié)

吸入比轉(zhuǎn)速與泵的可靠性密切相關(guān)。

吸入比轉(zhuǎn)速的限值不應(yīng)視為一個(gè)硬性指標(biāo)，而應(yīng)看作一個(gè)警示標(biāo)志。

吸入比轉(zhuǎn)速是幫助你做出決策的一個(gè)工具。也許在接近限值時(shí)謹(jǐn)慎選擇是明智的，但還有其它需要考慮的方面，比如系統(tǒng)的總投資成本。

應(yīng)與泵供應(yīng)商/制造商共同確定、并驗(yàn)證安全可靠的工作區(qū)間。

20世紀(jì)80年代給出的吸入比轉(zhuǎn)速的限值并非不可跨越，只要滿足一定的條件，則可以允許適當(dāng)提高。

  8     注意事項(xiàng)及特別說明

8.1    高吸入比轉(zhuǎn)速泵應(yīng)用注意事項(xiàng)

1）運(yùn)行位置。偏離BEP越遠(yuǎn)，不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性越大。

2）NPSH裕量。隨著NPSH裕量的增加，不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性降低。

3）吸入能量。隨著吸入能量的增加，不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性也在增加。

4）入口管道。尺寸越大、直管段越長，流速越低、湍流越少，對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行越好。

8.2   特別說明

需要特別說明的是，隨著人們對(duì)安全、生命周期成本以及最小化排放的日益重視，用于一些危險(xiǎn)區(qū)域及重要工況的離心泵（如核電站及輸送危化品用泵等），在沒有相同或相近工況運(yùn)行業(yè)績(jī)支撐的情況下，建議謹(jǐn)慎選擇超出限值的產(chǎn)品。