第一节 液体输送设备

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第一章 液体输送设备第一节 概述

在石油和化工生产装置中,流体输送是必不可少的单元操作。做功以完成输送任务的机械或设备称为“体输送设备”。流体输送设备是石油、化工和其它领域最常用的机械设备。生产上对流体输送的要求差别很大,输送的流体流量和扬程各不相同;流体种类繁多、性质千差万别;温度、压力等操作条件也有较大的差别。为了适应生产上各种不同的要求,所以输送设备的型式种类是多种多样的,规格更是十分广泛,常见的如泵、风机、压缩机等。

泵通常是指为液体提供能量的流体输送设备。泵的种类很多,其中离心泵具有性能范围广泛、流量均匀、结构简单、运转可靠和维修方便等诸多优点,因此离心泵是工业生产中应用最为广泛的一种液体输送设备。除了在高压小流量或计量时常用往复式泵,液体含气时常用旋涡泵和容积式泵,高粘度介质常用转子泵外,其余场合,绝大多数使用离心泵。据统计,在石油、化工生产装置中,离心泵的使用量占泵总量的70%~80%。第二节 泵的分类及特点

离心泵的类型很多:按叶轮数目可分为单级泵(只有一个叶轮)和多级泵(有两个以上的叶轮,级数越多,扬程越高);按叶轮进液方式可分为单吸式(液体从一侧进入叶轮)和双吸式(液体从叶轮两侧吸入,吸入性能较好,多见于大流量的离心泵);按泵壳剖分形式可分为水平剖分泵和垂直于泵轴剖分泵;按泵壳的结构还可分为蜗壳式泵(具有像蜗牛壳形状的泵壳)和透平式泵(在叶轮外围安装有几个固定叶片的泵,用于多级泵)。此外,按泵扬程的大小分为低压泵(扬程小于20米水柱)、中压泵(20~160米水柱)和高压泵(高于160米水柱);按泵转速的高低分为普通离心泵和高速离心泵;桉输送介质不同又分为水泵、轻烃泵、油泵以及耐腐蚀泵等;按用途可以分为进料泵、循环泵、回流泵、塔底泵或重沸器泵、产品泵等;按密封形式分为屏蔽泵、磁力泵和外加密封泵等。2.1 离心泵的分类

按离心泵的结构分类,见表1.2.1

表1.2.1 泵按结构分类

分类方式

类 型

特 点

图 例

按吸入方式

单吸泵

液体从一侧流入叶轮,存在轴向力

图1.2.1

双吸泵

液体从两侧流入叶轮,不存在轴向力,泵的流量几乎比单吸泵增加一倍

图1.2.2

按级数

单级泵

泵轴上只有一个叶轮

图1.2.1

多级泵

同一根泵轴上装两个或多个叶轮,液体依次流过每级叶轮,级数越多,扬程越高

图1.2.3

按泵轴方位

卧式泵

轴水平放置

图1.2.1、1.2.2、1.2.3

立式泵

轴垂直于水平面

图1.2.4

按壳体型式

分段式泵

壳体按与轴垂直的平面剖分,节段与节段之间用长螺栓连接

图1.2.2

中开式泵

壳体在通过轴心线的平面上剖分

蜗壳泵

装有螺旋形压水室的离心泵,如常用的端吸式悬臂离心泵

图1.2.1

特殊结构

潜水泵

泵和电动机制成一体浸入水中

液下泵

泵体浸入液体中

图1.2.4

管道泵

泵作为管路一部分,安装时无需改变管路

屏蔽泵(磁力泵)

叶轮与电动机转子联为一体,并在同一个密封壳体内,或采用磁力驱动方式,将动密封改为静密封,不需采用密封结构,属于无泄漏泵

图1.2.5

图1.2.1 单级单吸卧式泵

图1.2.2 双吸泵

1-泵盖;2-泵壳;3-叶轮;4-轴;5-密封环;

6-轴套;7-密封组件;8-轴承

图1.2.3 多级泵

1-吸入段;2-中段;3-平衡盘;4-轴;5-轴承;

6-首级叶轮;7-密封环;8-末级叶轮;8-密封组件

图1.2.4 液下泵

图1.2.5 屏蔽泵

按离心泵的工作介质分类,见表1.2.2。

表1.2.2 按工作介质分类

类 型

特 点

水泵

清水泵

最常用的离心泵,采用铸铁泵,填料密封

锅炉给水泵

(1)泵的压力较高,要求保证法兰连接的紧密性;(2)应防止泵进口处产生汽蚀,过流部件应采用抗腐蚀性和抗电化学腐蚀的材料;(3)防止温度变化引起不均匀变形

热水循环泵

(1)吸入压力高,温度高,要求泵的强度可靠;(2)填料函处于高压、高温下,应考虑减压和降温;(3)如采用端吸式悬臂泵时,由于轴向推力大,要求轴承可靠

凝结水泵

(1)对泵的汽蚀性能要求高,常采用加诱导轮或加大叶轮入口直径和宽度的方法改善泵的汽蚀性能;(2)泵运转易发生汽蚀,过流部件有时采用耐汽蚀的材料(如硬质合金、磷青铜等);(3)填料函处于负压下工作,应防止空气侵入

油泵

通用油泵

(1)油品往往易燃易爆,要求泵密封性能好,常采用机械密封,采用隔爆电动机;(2)泵的材质和结构上应考虑耐腐和耐磨;(3)为保证泵的连续可靠运转,应采取专门的冷却、密封、冲洗和润滑等措施

冷油泵

当粘度>20mm2/s(20cSt)时,应考虑粘度对泵性能的影响

热油泵

(1)应考虑各零部件的热膨胀,必要时采取保温措施;(2)过流部件采用耐高温材料;(3)要求第一级叶轮的吸入性能好;(4)轴承和轴封处要冷却;(5)开泵前应预热(常用热油循环升温来加热泵,一般泵体温度不应低于入口温度40℃)

液态烃泵

(1)泵吸入压力高,应保证泵体的强度和密封性;(2)要求第一级叶轮的吸入性能好;(3)因液态烃易泄漏引起结冰,因此对轴封要求高,不允许泄漏;(4)泵内应防止液态烃气化,并保证能分离出气体;(5)选配电动机时应考虑装置开工试运转时的功耗,或采取限制泵试运转流量的措施,以免产生电机过载

油浆泵

(1)由于介质中含固体颗粒,过流部件应采用耐磨蚀的材料和结构;(2)为防止固体颗粒进入轴封,含颗粒较少时,可采用注入比密封腔压力高的清洁液冲洗轴封,含颗粒较多时一般采用付叶轮(或背叶片)加填料密封的轴封结构

耐腐蚀泵

通用特点:(1)用于输送酸、碱及其它腐蚀性化学药品,过流部件应采用耐腐蚀材料;(2)结构上应考虑到不耐蚀零部件(如托架)的防腐;(3)密封环间隙比水泵应大些;(4)应避免在小流量下工作,以免液体温度升高加剧腐蚀;(5)停车时应及时关闭吸入阀,或采用停车密封,以免介质漏出泵体

耐蚀金属泵

(1)常用的耐蚀金属泵,其过流部件的材质有:普通铸铁、高硅铸铁、不锈钢、高镍合金钢、钛及其 合金等,应根据介质特性和温度范围选用不同的材质;(2)高镍合金钢、钛及其合金的价格高,一般应避免选用;(3)耐蚀金属泵的耐温、耐压及工作稳定性一般优于非金属泵

非金属泵

(1)非金属泵过流部件的材料有:聚氯乙烯、玻璃钢、聚丙烯、F46、氟合金、PVDF、超高分子量聚 乙烯、石墨、陶瓷、搪玻璃、玻璃等。应根据介质的特性和温度范围选用不同材质;(2)——般非金属泵的耐腐蚀性能优于金属,但非金属泵的耐温、耐压性一般比金属泵差。常用于 流量不大、且温度较低、使用压力较低的场合

杂质泵

(1)输送含有固体颗粒的浆液、料浆、污水、渣浆的泵总称为杂质泵。其过流部件应采用耐磨蚀自材料和结构;(2)为防止堵塞,采用较宽的过流通道,叶轮的叶片数少,采用开式或半开式叶轮;(3)轴封处应防止固体颗粒的侵入,含颗粒较少时,可采用注入比密封腔压力高的清洗液冲洗辆封。含颗粒较多时,可采用副叶轮(或背叶片)加填料密封(或带冲洗机械密封)的轴封结构2.2 石油化工用离心泵的特点

石油化工用离心泵和普通泵的主要差别,在于选用的材料和采用的结构有些不同。石油化工用泵常采用一些特殊材料和特殊结构,以保证流通,保护环境,获得高的效率和良好的性能。对于输送性质恶劣液体、使用条件苛刻的石油化工泵,发生故障的原因比普遍泵要复杂得多,在设计、选用和使用维护检修时必须引起足够重视。石油化工用泵大至有以下几点要求。

1、适应化工工艺要求、运行可靠。

泵在化工生产中的地位,犹如人体中的心脏,起着输送、加压的功能,如果泵经受不住长期运转的考验,检修又费时间,这样的泵在化工生产中后果不堪设想。正常的石油化工用泵必须满足工艺要求中的流量、压力等指标,并且要保证长周期连续可靠运转,还要操作维护检修方便和达到长期免维修水平。

2、耐腐蚀、耐磨损。

化工生产中的液体种类极其繁多,特性多种多样,所输送的液体往往具有腐蚀性(有机溶剂、酸、碱等),有的含有固体颗粒。因此,泵壳、叶轮等部件就要针对不同的介质采用不同耐腐蚀和耐磨蚀的材料,以防腐蚀和磨损造成失效无法工作。常用的不锈钢材料、钛材、搪瓷、塑料、橡胶等整体或复合材料基本上能满足这方面的要求。

3、满足无泄漏要求。

由于化工生产中泵所输送的许多介质是易燃易爆,有毒有害,挥发性强的。为了保证生产的安全,不污染环境以及保护人的身体健康等要求,炼油或石油化工用泵在输送过程中不应有泄漏。泵的泄漏主要是泵轴的动密封处泄漏较多,那么如何选用有效的密封,运用密封新技术,掌握正确的检修方法来提高检修质量以保证泵不泄漏,是检修人员应该掌握的内容。

4、耐高温或低温并能有效连续工作。

在化工生产中泵的操作条件往往十分苛刻,高温介质和低温介质均有。例如在导热油加热系统中,导热油泵的工作温度通常在300℃左右,有的泵的工作温度甚至可达到900℃。另外,在乙烯分离装置以及输送液氯、液氧等冷态介质的场合,泵的工作温度都要在-20℃以下,有的可达-100℃以下。耐高温泵要考虑热膨胀对泵正常工作的影响,耐低温泵要考虑到泵材质的冷脆性等等,装配间隙的大小要考虑温差的影响。第三节 离心泵一、离心泵的工作原理

离心泵是由于叶轮高速旋转时产生离心力而输送液体的。

图1.3.1所示是典型离心泵的一般装置示意图。

离心泵在启动之前,泵内应灌满液体,此过程称为灌泵。工作时驱动机通过泵轴带动叶轮旋转,叶轮中的叶片驱使液体一起旋转,因此产生离心力,在此离心力的作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经过蜗壳送入排出管。液体从叶轮获得能量,使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。当一个叶轮不能使液沐获得足够的能量时,可用多个叶轮串联或并联起来对液体作功。

当液体甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处就形成了低压,在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,便不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮。这样,叶轮在旋转过程中,一面不断地吸入液体,一面又不断地给吸入的液体以一定的能量,将液体排出,使离心泵连续不断地工作。

离心泵性能和结构有以下特点:流量均匀,压力稳定;扬程和流量大小主要取决于叶轮外径和转速;扬程和轴功率与流量存在对应关系,扬程随流量增大而降低,轴功率随流量增大而增加;自吸能力差,极易产生汽蚀现象;在低流量下工作效率降低,但设计点效率较高;通常采用开关出口阀的方法来调节流量,必要时可车削叶轮外径或改变原动机转速,但不宜长时间在低流量下操作;离心泵结构简单、紧凑,易于安装和检修,占地面积小,易损件少,可与电机直接连接;故适用于要求大流量、低扬程、粘度较小的液体输送。

图1.3.1 离心泵的一般装置示意图

1-泵;2-吸液罐;3-吸入口;4-吸入管路;5-泵入口阀;6-入口压力表;

7-出口压力表;8-泵出口阀;9-单向阀;10-排出管路;11-流量计;12-排液罐

离心泵工作时,最为担心的是泵入口有气体。因为气体的密度小,旋转时产生的离心力就很小,叶轮中不能产生必要的真空,也就无法将密度较大的液体吸入泵中。因此在开泵前必须使泵和吸入系统充满液体,而且在工作中,吸入系统不能漏气,这是离心泵正常工作必须具备的条件。二、离心泵的主要性能参数与特性曲线

离心泵的主要性能参数有转速、流量、扬程、功率和效率等。

(1)转速:即离心泵叶轮(或轴)的转速,用符号n表示,其单位是转/分,以r/min表示。转速改变,泵的扬程、流量、功率、效率等都会发生变化。

(2)流量:泵的流量Q是指单位时间内由泵的排液口排出的液量。有泵的流量(即有效流量)和理论流量之分,大多采用体积流量Q,单位为m3/s、 m3 /min、m3/h或L/s。有时也用质量流量G表示,单位为kg/s、kg/min、和t/h。质量流量与体积流量的相互关系是:G=Qρ(式中ρ表示液体密度:kg/m3 )。

离心泵的流量与泵的结构、尺寸(主要为叶轮直径和宽度)及转速等有关。应予指出,离心泵总是和特定的管路相联系的,因此离心泵的实际流量还与管路特性有关。

泵的理论流量QT是指单位时间内流入泵作功部件里的液量。由于一般泵在工作时不免有内部和外部的泄漏,因此泵的理论流量QT与泵的流量Q间有如下关系:

QT=Q+∑q m3/s (1.3.1)

式中∑q为单位时间内泵的容积泄漏量,单位与Q相同,它包括所有不经排出管而漏到泵体外的外部泄漏,及叶轮出来后仍漏回叶轮入口的内部泄漏。

(3)扬程(也称压头):有泵的扬程(实际扬程)及理论扬程之分。

泵的扬程H——单位重量液体流过泵后的总能量的增值。或者作功元件对泵排出的单位重量液体所作的有效功(单位为m—液柱)。离心泵的压头与泵的结构(如叶片的弯曲情况、叶轮直径等)、转速及流量有关。对于一定的泵和转速,压头与流量间具有一定的关系。

理论扬程HT——作功元件对流经叶轮的单位重量液体所作的功。

理论扬程为实际扬程与泵内的流体阻力损失(包括冲击损失)之和:

HT=H+∑hhyd m液柱 (1.3.2)

如前所述,离心泵的理论压头可用离心泵的基本方程式计算。实际上由于液体在泵内的流动情况较复杂,因此目前尚不能从理论上计算泵的实际压头,一般由实验测定。

(4)功率:有有效功率Neff、内功率Ni和轴功率N之分。

有效功率Neff是单位时间内泵排出口流出的液体从泵中取得的能量。其值可按下式计算:

Neff= KW (1.3.3)

式中 ρ——液体密度,Kg/m3;g——重力加速度 9.81m/s2

内功率Ni(或水力功率)为单位时间内作功单元所给出的能量。可按下式计算:

Ni= KW (1.3.4)

轴功率N是指单位时间内由原动机传递到泵主轴上的功。泵在工作时,难免有运动件之间的机械摩擦损失,另外还有轮阻损失。因为泵的轮阻损失转为热量后对泵内液体的状态变化影响很小,故轮阻损失功率Ndf可不作为内功率的一部分,而是与外部机械摩擦损失功率归在一起,统称为机械损失功率Nmec。轴功率就等于内功率和机械损失功率之和。即:

N= Ni+ Nmec KW (1.3.5)

(5)效率:泵效率(总效率)η是衡量泵工作是否经济的指标,定义为:

η= Neff/N,即有效功率与轴功率的比值。

离心泵在输送液体过程中,当外界能量通过叶轮传给液体时,不可避免地会有能量损失,即由原动机提供给泵轴的能量不能全部为液体所获得,致使泵的有效压头和流量都较理论值为低,通常用效率来反映能量损失。

离心泵的能量损失包括以下几项:

1)容积损失 容积损失是指泵的液体泄漏所造成的损失。离心泵可能发生泄漏的地方很多,例如密封环、平衡孔及密封压盖等(如图1.3.2所示)。这样,一部分已获得能量的高压液体通过这些部位被泄漏,致使泵排送到管路系统的液体流量少于吸人量,并多消耗了部分能量。容积损失主要与泵的结构及液体在泵进、出口处的压强差有关。容积损失可由容积效率来表示,一般闭式叶轮的容积效率为0.85~0.95。

2)机械损失 由泵轴与轴承之间、泵轴与填料函之间以及叶轮盖板外表面与液体之间产生摩擦而引起的能量损失称为机械损失,可用机械效率来反映这种损失,其值一般为0.96~0.99。

3)水力损失 粘性液体流经叶轮通道和蜗壳时产生的摩擦阻力以及在泵局部处因流速和方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力,统称为水力损失。水力损失与泵的结构、流量及液体的性质等有关,水力损失可用水力效率来表示。

应予指出,离心泵在一定转速下运转时,容积损失和机械损失可近似地视为与流量无关,但水力损失则随流量变化而改变。在水力损失中,摩擦损失hf大致与流量的平方成正比;而环流、冲击损失ht与流量的关系如下:若在某一流量Qη下,液体的流动方向恰与叶片的入口角相一致,这时损失最小;当流量小于或大于Qη时,损失都将增大。图1.3.3表示水力损失随流量的变化关系。额定流量Qs下离心泵的水力效率一般为0.8~0.9。

图1.3.2 离心泵的泄漏损失

1一密封环;2一平衡孔;3一叶轮入口;4一密封压盖

图1.3.3 水力效率与流量的关系

离心泵的效率反映上述三项能量损失的总和,故又称为总效率。因此总效率为上述三个效率的乘积,即

η=ηvηmηh (1.3.6)

由上面的定性分析可知,离心泵的效率在某一流量(对正确设计的泵,该流量与设计流量相符合)下为最高,小于或大于该流量时η都将降低。通常将最高效率下的流量称为额定流量。

离心泵的效率与泵的类型、尺寸、制造精密程度、液体的流量和性质等有关。一般小型离心泵的效率为50%~70%,大型泵可高达90%。

除了以上所述,离心泵还有一个重要性能参数就是泵的允许吸上真空度〔Hs〕或允许汽蚀余量〔NPSH〕,单位均以米——液柱表示。

离心泵的主要性能参数之间存在着一定的关系,可用实验测定。将实验结果标绘于坐标纸上,得出一组曲线,称为离心泵的特性曲线。图1.3.4为某型号离心泵在转速为2900r/min时的特性曲线。

图1.3.4 离心泵的特性曲线

离心泵性能曲线的特点:

(1)H—Q曲线 表示泵的压头与流量的关系。离心泵的压头一般是随流量的增大而下降(在流量极小时可能有例外)。

(2)N—Q曲线 表示泵的轴功率与流量的关系。离心泵的轴功率随流量的增大而上升,流量为零时轴功率最小。所以离心泵启动时,应关闭泵的出口阀门,使启动电流减少,以保护电机。

(3)η—Q曲线 表示泵的效率与流量的关系。由图1.3.4所示的特性曲线可看出,当Q=0时,η=0;随着流量增大,泵的效率随之而上升并达到一最大值;此后随流量再增大时效率便下降。说明离心泵在一定转速下有一最高效率点,通常称为设计点。泵在与最高效率相对应的流量及压头下工作最为经济,所以与最高效率点对应的Q、H、N值称为最佳工况参数。离心泵的铭牌上标出的性能参数,就是指该泵在运行时效率最高点的性能参数。

根据输送条件的要求,离心泵往往不可能正好在最佳工况下运转,因此一般只能规定一个工作范围,称为泵的高效率区,通常为最高效率的92%左右,选用离心泵时,应尽可能使泵在此范围内工作。

液体物性的对离心泵性能的影响

泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线,一般都是在一定转速和常压下以常温的清水为工质做实验测得的。在化工生产中,所输送的液体是多种多样的,即使采用同一泵输送不同的液体,由于各种液体的物理性质(例如密度和粘度)不同,泵的性能就要发生变化。此外,若改变泵的转速或叶轮直径,泵的性能也会发生变化。

(1)密度的影响

由离心泵的基本方程可看出,离心泵的压头、流量均与流体的密度无关,故泵的效率亦不随液体的密度而改变,所以离心泵特性曲线中的H—Q及,η—Q曲线保持不变。但是泵的轴功率随液体密度而改变。因此,当被输送液体的密度与水的不同时,原离心泵特性曲线中的N—Q曲线不再适用,此时泵的轴功率可按式(1.3.3)重新计算。

(2)粘度的影响

若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度,则泵体内部液体的能量损失增大,因此泵的压头、流量都要减小,效率下降,而轴功率增大,亦即泵的特性曲线发生改变。三、离心泵的运行特性与串并联操作

1 离心泵的汽蚀

(1)汽蚀机理及其危害

液体在泵叶轮中流动时,由于叶片的形状和液流在其中突然改变方向等流动特点,决定了液道中液流的压力分布。在叶片入口附近的非工作面上存在着某些局部低压区,当处于低压区的液流压力降低到对应液体温度的饱和蒸汽压时,液体便开始汽化而形成气泡。气泡随液流在流道中流动到压力较高之处时又瞬时溃灭。在气泡溃灭的瞬间,气泡周围的液体迅速冲入气泡溃灭形成的空穴,并伴有局部的高温、高压水击现象,这就是产生汽蚀的机理。

水击是汽蚀现象的特征。由于水击作反复敲击,致使金属表面受到疲劳破坏。而且,在连续的压力波作用下,液体能渗入和流出金属的孔隙,使金属质点脱离母体而被液体带走,金属表面出现一个个空穴,产生严重的点蚀。泵的零件在这样大的周期性作用力的作用下,将引起泵的振动。所以汽蚀对泵的危害很大,主要表现在下述几个方面:

1)泵的性能突然下降。泵发生汽蚀时,叶轮与液体之间的能量传递受到干扰,流道不但受到气泡的堵塞,而且流动损失增大,严重时,泵中液流中断,泵不能工作。

2)泵产生振动和噪音。

3)泵的过流部件表面受到机械性质的破坏以外,如果液体汽化时放出的气体有腐蚀作用,还会产生一定的化学性质的破坏(但前者的破坏是主要的)。严重时,叶轮的表面(尤其在叶片入口附近)呈蜂窝状或海绵状。

(2)形成汽蚀的条件

泵发生汽蚀是由于液道入口附近某些局部低压区处的压力降低到液体饱和蒸汽压,导致部分液体汽化所致。所以,凡能使局部压力降低到液体汽化压力的因素都可能是诱发汽蚀的原因。产生汽蚀的条件应从吸入装置的特性,泵本身的结构以及所输送的液体性质三方面加以考虑。

(3)防止汽蚀的措施

通常,防止泵产生汽蚀的措施有以下几种:

1)结构措施:采用双吸叶轮,以减小经过叶轮的流速,从而减小泵的汽蚀余量;在大型高扬程泵前装设增压前置泵,以提高进液压力;叶轮特殊设计,以改善叶片入口处的液流状况;在离心叶轮前面增设诱导轮,以提高进入叶轮的液流压力。

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