高壓液氨泵并聯(lián)運(yùn)行流量脈動(dòng)分析

(兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527)

往復(fù)式高壓液氨泵是尿素裝置中的主要設(shè)備之一，為典型的三柱塞單作用往復(fù)泵，一般配置為兩開(kāi)一備。其作用是將氨庫(kù)來(lái)的液氨加壓后輸送至高壓合成系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

主機(jī)型號(hào) 3YA-28/16.5-TB

柱塞數(shù)量 3個(gè)

流量 14～28 m3/h

進(jìn)口壓力 1.92 MPa

出口壓力 16.5 MPa

柱塞行程 150 mm

連桿長(zhǎng)度 330 mm

減速機(jī)速比 10.2

電機(jī)型號(hào) YBP315L-4

電機(jī)功率 185 kW

由于柱塞瞬時(shí)流量呈周期性變化的固有特性，加之在雙泵并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中存在錯(cuò)相位角和轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)雜的組合操作，流量脈動(dòng)控制難度較大，而流量脈動(dòng)經(jīng)由流體管路阻抗變?yōu)閴毫γ}動(dòng)。在管道的彎曲部位、直徑變化的部位或通過(guò)控制閥等處，壓力脈動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間而變化的激振力，激發(fā)管道系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，以致出現(xiàn)管道支撐裂紋、管道法蘭泄漏等安全問(wèn)題[1]。因此，對(duì)雙泵并聯(lián)操作的流量脈動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋求最佳的降低流量脈動(dòng)的操作參數(shù)，降低壓力脈動(dòng)對(duì)管道振動(dòng)的影響，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行極為必要。

1 流量脈動(dòng)計(jì)算的理論基礎(chǔ)

高壓液氨泵的工作原理如圖1所示，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成腔內(nèi)容積變化[2]，完成液氨輸送。

1.1 單柱塞瞬時(shí)流量的計(jì)算

往復(fù)泵在單位時(shí)間內(nèi)活塞的往復(fù)次數(shù)是恒定的，所以單位時(shí)間內(nèi)輸送流體的體積是恒定的，但是活塞每一個(gè)沖程速度是變化的。往復(fù)泵活塞

圖1 高壓液氨泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作原理示意

往復(fù)位移X的計(jì)算公式[3]如下：

(1)

式中：φ為曲柄轉(zhuǎn)角，φ=ωt(ω為曲柄角速度=2πn；t為時(shí)間)；R為曲柄半徑；λ=R/L(L為連桿長(zhǎng)度)。

由(1)式可推導(dǎo)出活塞往復(fù)速度u：

(2)

據(jù)(2)式可以推導(dǎo)出單缸單作用往復(fù)泵的瞬時(shí)理論流量Q：

(3)

式中：A為柱塞截面積。

1.2 單泵瞬時(shí)流量的計(jì)算

高壓液氨泵為三柱塞泵，曲柄錯(cuò)角為120°，以柱塞A為基準(zhǔn)，則柱塞B、C的曲柄轉(zhuǎn)角分別在柱塞A的基礎(chǔ)上加120°、240 °。

柱塞B的瞬時(shí)流量QAB：

QAB=Au

(4)

柱塞C的瞬時(shí)流量QAC：

QAC=Au

(5)

1.3 雙泵并聯(lián)瞬時(shí)流量的計(jì)算

設(shè)雙泵在同轉(zhuǎn)速條件下，錯(cuò)相位角為θ，仍以A泵的柱塞A為基準(zhǔn)柱塞。

B泵柱塞A的瞬時(shí)流量QBA:

QBA=Au

(6)

B泵柱塞B的瞬時(shí)流量QBB：

QBB=Au

(7)

B泵柱塞C的瞬時(shí)流量QBC：

QBC=Au

(8)

雙泵并聯(lián)瞬時(shí)流量的累加QL：

QL=QAA+QAB+QAC+QBA+QBB+QBC

(9)

1.4 流量不均勻系數(shù)的計(jì)算

流量不均勻系數(shù)(δq)是衡量流量脈動(dòng)程度的指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(10)

單泵運(yùn)行，其最大瞬時(shí)流量Qmax出現(xiàn)在φ=π/6時(shí)，而最小流量Qmin出現(xiàn)在φ=0或φ=π/3時(shí)，則推導(dǎo)可得瞬時(shí)流量的平均值Qm：

(11)

雙泵并聯(lián)運(yùn)行的流量不均勻系數(shù)，不同工況下變化較大，需用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。

2 Excel函數(shù)編程進(jìn)行流量脈動(dòng)模擬設(shè)計(jì)

因?yàn)橛?jì)算本身并不包含循環(huán)語(yǔ)句的流程，只是一般的數(shù)學(xué)公式的應(yīng)用，而Excel既具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析及處理能力，還可以將數(shù)據(jù)以圖形、圖表的方式形象地表示出來(lái)，且可操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)單易懂，所以通過(guò)Excel對(duì)其進(jìn)行程序化計(jì)算，是一種最為簡(jiǎn)潔、高效的方法，主操作界面見(jiàn)圖2。

(1)基本參數(shù)部分。用于輸入基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速、柱塞直徑、減速機(jī)速比、連桿長(zhǎng)度、曲拐半徑等；主要操作參數(shù)，變頻比率和錯(cuò)相位角；同時(shí)完成中間技術(shù)參數(shù)的轉(zhuǎn)化計(jì)算，如曲柄連桿比、柱塞行程、泵轉(zhuǎn)速等。

(2)過(guò)程計(jì)算部分。以10°為間隔單位，將柱塞的一個(gè)往復(fù)行程的曲柄轉(zhuǎn)角360°進(jìn)行等分，利用已經(jīng)推出的瞬時(shí)流量計(jì)算公式，首先分別計(jì)算A泵、B泵的瞬時(shí)流量，再進(jìn)行雙泵并聯(lián)瞬時(shí)流量疊加。對(duì)于計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)的流量部分通過(guò)if條件語(yǔ)句進(jìn)行歸零處理。

(3)流量曲線的模擬顯示。在界面的右側(cè)分別展示A泵、B泵和雙泵并聯(lián)瞬時(shí)流量的模擬曲線，使流量脈動(dòng)分析更加直觀。

(4)主要計(jì)算結(jié)論數(shù)據(jù)。計(jì)算顯示A泵、B泵和雙泵并聯(lián)瞬時(shí)流量不均勻系數(shù)的中間值[如使用MAX()、MIN()和AVERAGE()函數(shù)計(jì)算出最大流量、最小流量、平均流量等]和終值、兩泵各自的主激振頻率、軸功率等相關(guān)參數(shù)。

圖2 操作界面圖

3 流量脈動(dòng)疊加曲線分析

利用自行編制的Excel程序軟件，對(duì)雙泵并聯(lián)的組合工況進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，得出有關(guān)流量脈動(dòng)的變化規(guī)律。

(1)單泵的流量不均勻系數(shù)不隨轉(zhuǎn)速的調(diào)整而變化，恒定為0.447%。

(2)雙泵錯(cuò)相位角為零時(shí)，流量不均勻系數(shù)最大，為0.447%，且與兩泵的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。見(jiàn)圖3。

圖3 雙泵錯(cuò)相位角為0°流量疊加曲線

(3)當(dāng)雙泵在相同轉(zhuǎn)速下，錯(cuò)相位角為70°時(shí)，并聯(lián)流量的不均勻系數(shù)最低，為0.212%。

(4)錯(cuò)相位角在0～70°間，流量不均勻系數(shù)逐步降低至最小值0.212%；在70°～120°間逐步增大至最大值0.447%；同樣地，在120°～170°和240°～310°之間逐步降低，在170°～240°和310°～360°之間逐步增高。

(5)在錯(cuò)相位角不變時(shí)，流量不均勻系數(shù)與雙泵轉(zhuǎn)速差值呈正比。

(6)在錯(cuò)相位角為60°時(shí)，瞬時(shí)流量曲線疊加后徹底分散，曲線峰谷間隔均勻，與六柱塞泵曲柄錯(cuò)角為60°(均分)時(shí)相同，為最佳分散相角。見(jiàn)圖4。

圖4 雙泵錯(cuò)相位角為60°流量疊加曲線

(7)在錯(cuò)相位角為60°，且雙泵均滿轉(zhuǎn)時(shí)激振頻率最大，為14.7。在錯(cuò)相位角為60°，雙泵轉(zhuǎn)速相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越低，激振頻率越低；雙泵錯(cuò)相位角非60°，且轉(zhuǎn)速不相等時(shí)，為雙頻合成振頻。

4 結(jié)論及建議

多個(gè)往復(fù)泵并聯(lián)運(yùn)行，流量脈動(dòng)隨每次泵的開(kāi)啟而有所變化，其結(jié)果不是流量脈動(dòng)最大值或最小值的簡(jiǎn)單疊加，而是符合一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[4]。雙泵并聯(lián)操作時(shí)，錯(cuò)相位角為零的高轉(zhuǎn)速是最惡劣的工況，在操作中應(yīng)盡可能避免；而錯(cuò)相位角為60°時(shí)，雙泵在相同轉(zhuǎn)速下流量曲線峰谷分散最為合理，且主機(jī)振動(dòng)為波形單一的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，使壓力脈動(dòng)引起的液柱諧振和柱塞運(yùn)動(dòng)引起的機(jī)械共振更易于控制[5]。

采用電子耦合技術(shù)，可通過(guò)相角實(shí)時(shí)識(shí)別裝置與電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速器和PLC構(gòu)成泵組閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可保證各泵相角差同步耦合，實(shí)現(xiàn)峰值分散的目的[6]。

對(duì)于未采用峰值分散技術(shù)的機(jī)組，在現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)錯(cuò)相位角不為零的情況下，應(yīng)通過(guò)變頻器調(diào)整

雙泵轉(zhuǎn)速相同，盡可能降低流量不均勻系數(shù)。

在實(shí)際操作中，還應(yīng)綜合考慮進(jìn)排液閥、余隙容積、填料泄漏等方面因素對(duì)流量脈動(dòng)的影響，全方位控制流量脈動(dòng)造成的安全隱患[7]。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨錫淇，黃幼玲. 工程中的管道振動(dòng)問(wèn)題[J]. 力學(xué)與實(shí)踐，1993，15(4)：9～16.

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[3]往復(fù)泵設(shè)計(jì)編寫(xiě)組. 往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4]邢志偉，蘇欣平，王立文，等. 往復(fù)泵并聯(lián)系統(tǒng)流量疊加的計(jì)算及仿真研究[J]. 機(jī)床與液壓，2009，37(5)：77～79.

[5]黃志堅(jiān)，高立新，廖一凡等編著. 機(jī)械設(shè)備振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)與診斷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：1～7.

[6]凌學(xué)勤. 往復(fù)泵輸送礦漿峰值分散技術(shù)(下)[J]. 冶金設(shè)備，2003，24(4)：22～26.

[7]肖俊建，宋曉華. 雙缸雙作用隔膜泵脈動(dòng)消減技術(shù)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2005，27(2)：221～223.