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480多臺泵的可靠性研究結(jié)果：泵的可靠性與吸入比轉(zhuǎn)速明顯相關，特別是當泵的吸入比轉(zhuǎn)速超過11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】時，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，當一臺泵的吸入比轉(zhuǎn)速=10950（USGPM, ft.）時，被認為是可以接受的；而當其吸入比轉(zhuǎn)速=11050（USGPM, ft.）時，被認為是不可接受的。

除了極少數(shù)例外，實際工程應用中，幾乎沒有一臺離心泵始終處于BEP運行。在一些工廠/系統(tǒng)中的流量需求會發(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產(chǎn)生較高能量的再循環(huán)。隨著泵流量的進一步減小，循環(huán)強度增加，進而會引起汽蝕、噪音和流體脈動。再循環(huán)開始時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。對于高吸入比轉(zhuǎn)速泵，如果在偏離BEP的低流量區(qū)域內(nèi)頻繁運行，常常會引起可靠性問題。如果吸入比轉(zhuǎn)速高于8500至9000（USGPM, ft.）【約10000至10500（m3/h, m）】，泵的可靠性會開始呈指數(shù)下降[3]，振動和噪音顯著增加。

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

3.2   吸入比轉(zhuǎn)速與泵性能之間的關系

為了改善離心泵的吸入性能，設計人員普遍通過加大葉輪進口直徑（D1）的方法來實現(xiàn)。今天，這種設計方法在我國離心泵的工程設計中卻還在一直使用。

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)的詢價數(shù)據(jù)表或泵技術規(guī)格書中已得到了普遍的使用。但是，當時沒有多少人知道它的真正含義或數(shù)值的意義，只是簡單地將吸入比轉(zhuǎn)速超過11000（USGPM, ft.）【13000（m3/h, m）】時，便認為泵的設計不合理。

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

泵在小流量下運行時，可能會導致以下問題：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)機械振動、噪音增加及軸承和機械密封壽命的降低。因此，對于指定裝置，制造商應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標準為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)速的大小與泵的運行可靠性密切相關。

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。它允許處理碳氫化合物的泵的最小連續(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)運行。該圖可用作為泵的運行指南，并在新泵的選擇過程中排除最小流量高于預期服務的產(chǎn)品。

工程實踐中，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流量的25 % ~ 30 %，小型離心泵相對小一些，而大型離心泵可能達到最高效率點流量的35% 以上。例如，EBARA公司OH2型UCW泵，進/出口通徑小于50×40時，最小連續(xù)穩(wěn)定流量通常為BEP點流量的12 %；進/出口通徑等于50×40時，為BEP點流量的15 %；而當進/出口通徑大于等于100×80時，為BEP點流量的25 % ~ 30 %。對于實型泵，準確的最小流量之值可通過試驗測得。由于泵的實際運行工況并非絕對恒定，因此泵制造商提供給用戶最終的最小連續(xù)穩(wěn)定流量之值會大于試驗測得值。

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)定運行窗口”。

不管是制造商還是用戶，都希望泵始終處于BEP運行，在此流量下，所有泵的零部件都將具有很長的使用壽命。而實際工程應用中，泵很少在其BEP運行，但如果在“穩(wěn)定運行窗口”的流量范圍內(nèi)運行，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：設計與應用》一書中提供了圖1所示的圖表。它不僅為泵“穩(wěn)定”運行提供了最小流量，而且還提供了最大流量，它是八只不同葉輪在同一臺OH2型4x6-11（100x150-280）泵中的測試結(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。對于每只葉輪，通過改變流量，測量泵的振動（至API610標準允許的峰值水平）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”運行窗口

1990年，Dick Allen對Lobanoff – Ross的圖表進行了改進，以幫助用戶/買方在招標時對泵進行評估。它提供了一種方法，通過評估“穩(wěn)定”運行窗口的大小來對較小穩(wěn)定運行窗口的泵（具有較高的吸入比轉(zhuǎn)速）進行（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)驗和理念進行修改。

Dick Allen圖表給出的要點是：

1）不要購買在“不可接受”的區(qū)域內(nèi)連續(xù)運行的泵（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)速研究的另一個成果是泵可靠性曲線的應用。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對此曲線進行了改進，具體見圖2。

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

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

4.4   估算NPSHA

對于買方/用戶來說，為了有效降低或控制項目初期投資成本，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，這就要求供應商/制造商提供較低NPSHR的泵。而較低的NPSHR對應的是較高的吸入比轉(zhuǎn)速。實際工程經(jīng)驗表明，在較高的吸入比轉(zhuǎn)速下，泵的可靠性將呈指數(shù)級下降。

吸入比轉(zhuǎn)速還有一個研究成果便是通過其限值估算NPSHA。

在進行新泵的水力設計時，可以通過吸入比轉(zhuǎn)速的限值計算泵的必須汽蝕余量NPSHR，然后根據(jù)工程經(jīng)驗或相應標準規(guī)范給出相應的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，其主要技術參數(shù)如下：

泵的最高效率點的流量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》標準中表9.6.1.1的規(guī)定，對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行所需的裝置汽蝕余量不低于18米。

這種“逆向思維”設計的好處是：

1）可以最大限度地避免泵在用戶現(xiàn)場實際運行過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定運行問題。

2）不僅可以較準確地預測項目初期投資成本，而且可以優(yōu)化項目整個生命周期內(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“速度限制”，是不可逾越的。對此，Jerry hallam有一個非常形象的說法，可以將吸入比轉(zhuǎn)速簡單地看作是畫在雙車道公路中心的虛線：“如果對細節(jié)給予適當?shù)年P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世紀前的20世紀60年代及70年代設計的葉輪。滄海桑田，葉輪的設計方法和計算工具在隨后的五十年中發(fā)生了翻天覆地的變化，全新設計的葉輪葉片及其幾何形狀完全可以減輕甚至消除導致許多先前的不穩(wěn)定性的問題。

對于這一點，在工程實踐中得到了普遍的驗證。

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）】對吸入比轉(zhuǎn)速進行了研究。他們發(fā)現(xiàn)：在所有其它條件保持不變的情況下，現(xiàn)代葉輪設計技術可以實現(xiàn)更高的吸入比轉(zhuǎn)速，而不必完全依靠擴大葉輪入口直徑。

5.2   案例2

10多年前，作者曾親自參加金陵石化某項目招標（于LPEC）的技術交流，當時EBARA公司有幾個泵型的吸入比轉(zhuǎn)速之值超出了招標文件規(guī)定的13000（m3/h, m）限值，很幸運，遇見了一位對吸入比轉(zhuǎn)速具有豐富應用經(jīng)驗的楊工（楊力民），在他的確認下得以順利放行。至今，這些泵在用戶現(xiàn)場一直安全可靠運行。

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：標準設計和生產(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）】；單級揚程超過500 m的多級泵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)定的運行區(qū)間

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

1）石油（碳氫化合物）流程泵。因為其流程通常是穩(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，使泵保持在一個穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)運行。例如由汽輪機或液力偶合器或變頻驅(qū)動的離心泵，雖然其運行工況會發(fā)生改變，但通過變速使泵始終處于高效區(qū)內(nèi)運行。

6.2   現(xiàn)代設計技術的應用

如果通過現(xiàn)代技術、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計，允許適當提高吸入比轉(zhuǎn)速限值。例如：

1） 葉輪葉片向泵入口邊適當延伸，相當于增加一只小的誘導輪。

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部分負荷下運行的敏感程度。

5） 利用現(xiàn)代計算機計算分析技術給定葉輪入口設計可優(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。

吸入比轉(zhuǎn)速的限值不應視為一個硬性指標，而應看作一個警示標志。

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

應與泵供應商/制造商共同確定、并驗證安全可靠的工作區(qū)間。

20世紀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，則可以允許適當提高。

  8     注意事項及特別說明

8.1    高吸入比轉(zhuǎn)速泵應用注意事項

1）運行位置。偏離BEP越遠，不穩(wěn)定運行的可能性越大。

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

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，對穩(wěn)定運行越好。

8.2   特別說明

需要特別說明的是，隨著人們對安全、生命周期成本以及最小化排放的日益重視，用于一些危險區(qū)域及重要工況的離心泵（如核電站及輸送?；酚帽玫龋跊]有相同或相近工況運行業(yè)績支撐的情況下，建議謹慎選擇超出限值的產(chǎn)品。