化工泵特性試驗
2017-12-29 17:37:03
化工泵在油田鉆井、采油及輸油等方面正得到越來越廣泛的應用。化工泵工作時，常常遇到調節泵流量問題(Emerson)。對于這種體積式泵，其流量的調節方法常用的有兩種。一是改變轉子（rotor）轉速;二是改變排出管線或吸入管線結構(通常是改變排出口閥門或吸入口閥門的開啟度)。現文主要討論第2種方法。然而，管線結構的改變除了改變泵的壓力、流量外，對泵的能耗、效率將產生多大程度的影響(influence)?改變泵出口閥門開啟度與改變泵吸入口閥門開啟度對泵特性的影響有何不同?針對這些問題，我們進行了以下2項室內試驗。
a) 化工泵流量、泵軸力矩、效率等參數隨出口壓力變化的特性試驗。上海凱泉由于葉輪進口不可能形成絕對真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經吸水管路帶來的沿程損失，實際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠小于10米。
b) 化工泵流量、泵軸力矩、效率等參數隨吸入口真空度變化的特性試驗。
1 試驗方法及試驗結果
化工泵特性試驗的試驗臺原理圖。上海凱泉泵業集團有限公司性能的技術參數有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。凱泉泵業開動前，先將泵和進水管灌滿水，水泵運轉后，在 葉輪高速旋轉而產生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補充了這個空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經蝸殼而進入出水管。試驗介質為清水、室溫。試驗用化工泵結構參數如下：螺桿直徑φ42mm，襯套導程241mm，螺桿偏心距7.1mm，額定揚程500mm。試驗分兩種情況(Condition)，一是將吸入口閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)12全部開啟，改變排出口閥門7的開啟度，同時測試出口壓力、流量、泵軸力矩、轉速和吸入口真空度這些參數，測試數據(data)如表1;二是將吸入口閥門12全部開啟，然后關小排出口閥門7，待出口壓力增至7.0MPa，排出口閥門7開啟度固定(fixed)不動，再逐漸關小吸入口閥門12，使吸入口真空度不斷增加，同時測試泵出口壓力、泵軸力矩、泵軸轉速及排出流量這些參數，測試數據如表2。分別以泵出口壓力和吸入口真空度為橫坐標，以流量、軸功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）、效率為縱坐標繪制泵特性曲線。
表1 改變化工泵出口壓力的特性試驗數據(data)
測 試 值 計 算 值 序號 出口壓 力po／ MPa 吸入口 壓力pi／ MPa 實際流 量Qp／ m3．d－1 泵軸力 矩Ma／ N．m 泵軸轉 速n／ r．min－1 軸功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 體積效 率ηv／ % 機械效 率ηm／ % 泵效 率η／ ％ 1 0.1 0.076 101.05 86.36 251 2.27 0.028 97.26 1.27 1.23 2 2.0 0.076 100.20 128.79 250 3.37 2.230 96.81 68.39 66.20 3 2.2 0.078 100.15 136.82 250 3.58 2.460 96.76 71.01 68.80 4 3.2 0.079 99.20 184.97 250 4.84 3.580 95.85 77.25 74.02 5 3.8 0.079 98.81 213.63 250 5.59 4.260 95.47 79.74 76.26 6 5.3 0.082 94.00 288.15 249 7.51 5.680 91.17 82.91 75.63 7 7.2 0.086 86.50 379.04 245 9.72 7.120 85.29 85.91 73.25 8 8.4 0.096 76.20 424.49 237 10.53 7.320 77.67 89.55 69.53
表2 改變化工泵吸入口真空度的特性試驗數據
測 試 值 計 算 值 序 號 出口壓 力po／ MPa 吸入口 真空度 phs／MPa 實際流 量Qp／ m3．d－1 泵軸力 矩Ma／ N．m 泵軸轉 速n／ r．min－1 軸功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 體積效 率ηv／ % 機械效 率ηm／ % 泵效 率η／ ％ 1 7.00 0.0493 87.70 363.13 246 9.35 7.06 86.12 87.62 75.51 2 6.80 0.0293 86.00 362.82 247 9.38 6.74 84.41 85.08 71.86 3 6.50 0.0157 84.70 355.48 247 9.19 6.36 82.84 83.50 69.21 4 5.50 0.0092 72.10 298.85 250 7.82 4.58 69.67 84.10 58.56 5 4.40 0.0079 63.60 262.55 250 6.87 3.23 61.46 76.58 47.02 6 1.60 0.0039 31.30 134.52 250 3.52 0.58 30.24 54.31 16.48
2 試驗分析(Analyse)
a) 化工泵理論流量、泵效率、體積效率和機械效率分別采用以下各式計算：
η=103ΔpQp/(1.44Ma.n)
Qt=1440×4eDTn
ηv=Qp/Qt
ηm=103QtΔp/(1.44Ma.n)
式中，Qt為泵理論流量，m3/d;η為泵效率;ηv為泵體積效率;ηm為泵機械效率;Qp為泵實際流量，m3/d;Δp為泵出口與吸入口壓差，MPa;D為螺桿斷面直徑，m;T為襯套導程，m;Ma為泵軸力矩，N.m;n為泵軸轉速，r.min-1;e為螺桿偏心距，m。
依據(yī jù)以上各式及表1、表2測試數據(data)，計算泵在不同工況下的泵軸功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）、有效功率、泵效率、體積效率及機械效率。其計算值亦列于表1、表2中。
b) 由表1可以看出，隨著泵出口壓力的增加，泵的流量逐漸減小，泵效率變化呈拋物線形，有一最高效率點。泵體積效率呈遞減趨勢，機械效率呈遞增趨勢，這說明隨出口壓力的增加，螺桿與襯套之間的間隙加大，螺桿在襯套內轉動時的摩擦阻力矩減小，導致(cause)機械效率增加;同時，高壓液體沿螺桿-襯套副密封線的竄流現象加劇，導致泵體積效率的降低。由表1數據還可以看出，出口壓力在3.2～8.4MPa范圍(fàn wéi)內變化時，效率最大差值為6.73%。參考離心泵的高效工作范圍，也可以認為該范圍即屬于螺桿泵高效工作范圍。當然，具體的高效工作范圍應視具體的泵而定。
c) 關小吸入口閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)相當于人為降低泵的充滿度，這必將導致(cause)泵流量減小、泵吸入口真空度增加，這一點亦被試驗所證實。由表2可以看出，隨著泵吸入口真空度的增加，泵的流量、軸功率（指物體在單位時間內所做的功的多少）、效率、體積效率和機械效率均呈下降趨勢。但當吸入口真空度在0.1～0.015MPa之間變化時，以上各參數均呈下降趨勢，但下降幅度較小。這說明，一定范圍(fàn wéi)內吸入口真空度的變化對泵特性影響(influence)較小;而一旦超出該范圍，則各參數呈直線下降趨勢，泵的工作狀況大大惡化。因此，當泵吸入口真空度大于某一規定(guī dìng)的值時，雖然泵的特性參數能得以大幅度提高，但由于泵機械效率、體積效率及總效率大大降低，因此應禁止泵在此工況下長期工作。
3 結論
1) 無論改變泵出口管線結構還是改變泵吸入口管線結構，都會對化工泵的特性產生一定程度的影響(influence)。
2) 改變泵排出口閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)開啟度，在一定范圍(fàn wéi)內達到改變泵特性參數的目的，而且泵具有較高的效率。凱泉泵業由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉，則可連續吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉所產生的離心力的作用下，將水提向高處的。
3) 改變化工泵吸入口閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)開啟度，當吸入口真空度較小時，泵特性參數變化不大，而當吸入口真空度較大時，泵的工作狀況急劇惡化。因此，這種方法不宜作為化工泵調整參數的手段。