泵空化性能分析及優(yōu)化設(shè)計

文/陳海恩 楊巍 李嵐翔

PTA 裝置用G-410A/B 泵空化性能分析及優(yōu)化設(shè)計——PTA裝置是國內(nèi)生產(chǎn)精對苯二甲酸最常用的裝置之一，在其運行過程中關(guān)鍵設(shè)備G-410A/B泵頻繁出現(xiàn)故障現(xiàn)象。本文以G-410A/B泵為研究對象，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法對其內(nèi)部流場進行了分析，提出了相應的改進措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該泵在設(shè)計工況下時，泵內(nèi)部已出現(xiàn)少量氣泡，隨著流量的減小，氣泡量明顯增多；通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，該泵的振頻主要體現(xiàn)在流體激振，在高頻是出現(xiàn)了明顯的波動，表現(xiàn)出明顯的汽蝕現(xiàn)象；經(jīng)過優(yōu)化后的新泵，無論是內(nèi)部流場，還是外特性均均能滿足設(shè)計要求，汽蝕性能得到了明顯改善。研究成果能夠為類似泵高頻振動分析提供參考。

圖1 原泵（FLOWSERVE）結(jié)構(gòu)示意圖

精對苯二甲酸（PTA）是合成聚酯的重要原料，主要是以對二甲苯（PX）為原料，醋酸為溶劑，在高溫、高壓下氧化生成的，廣泛應用于日常生活中，是合成纖維的最主要的品種之一，占全球合成纖維總量的80%。今年來隨著人民生活水平的不斷提高，對精對苯二甲酸的需求量不斷增大，這也給我國PTA 裝置提出了更高的要求。G-410A/B 進料加壓泵是PTA 裝置提供進料、加壓的關(guān)鍵動設(shè)備，其安全穩(wěn)定運行對精對苯二甲酸的生產(chǎn)起到了基礎(chǔ)保障作用，由某外資品牌商提供，該泵自安裝運行以來一直存在高頻振動，期間多次出現(xiàn)軸裂或斷、葉輪開裂等故障。深入研究發(fā)現(xiàn)，葉輪葉片設(shè)計不合理造成了在高速運轉(zhuǎn)時，流體介質(zhì)發(fā)生了空化，空化改變了主流的流體流動，誘發(fā)高頻振動，長時間在這種環(huán)境下運行時，出現(xiàn)了空蝕加劇流體擾動，是造成上述故障的主要原因?；诖?，本文以某石化PTA 裝置中G-410A/B進料加壓泵為研究對象，借助計算流體動力學（CFD）數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗測試技術(shù)對現(xiàn)有泵空化性能進行分析，找出空化產(chǎn)生的主要原因，提出相應的性能優(yōu)化措施，為我國同類泵型國產(chǎn)化改造提供參考和依據(jù)。

問題描述

某石化PTA 裝置中G-410A/B進料加壓泵的主要參數(shù)如下：設(shè)計 流 量Q=690 m3/h， 正 常 流 量Q=592 m3/h，設(shè)計揚程H=98 m，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，汽蝕余量NPSHr=3.3 m，葉輪外徑D2 為585 mm，其外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。運行介質(zhì)為未經(jīng)處理的TA 泥漿（Untreated TA Slurry），密度為ρ=1 085 kg/m3，介質(zhì)最大溫度為tmax=128℃。

故障描述

數(shù)值模擬

PTA 裝置中G-410A/B 進料加壓泵自2015年投入運行以來，一直存在高振動而引起多次故障，主要體現(xiàn)在葉輪與耐摩盤接觸、軸裂或斷何葉輪開裂。深入研究發(fā)現(xiàn)，該泵常溫水工況運行振動正常，當泵在工藝介質(zhì)和工藝流量運行時，泵的整體振動大幅升高。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，泵的設(shè)計流量點為Q=690 m3/h，而泵的實際運行流量為0.858Q（592 m3/h），該泵在小流量工況下運行。由泵基礎(chǔ)理論可以知道，當泵在小流量工況下運行時易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，泵汽蝕余量計算公式如下：

式中，v1為葉輪進口絕對速度，m/s；w1為葉輪進口相對速度，m/s；式中的 ，對進口流態(tài)較為敏感（λ=0.15～0.4），當液流沖角發(fā)生變化時，λ 取大值，在λ的表達式中，wk為空化位置處相對速度，m/s。由公式（1）可知，NPSHr 與v1和w1有關(guān)，減小v1或減小w1均能改善泵的汽蝕性能。由進口絕對速度

可以看出，v1 與輪轂直徑dh、葉輪進口直徑D1 和進口排擠系數(shù)ψ1 有關(guān)。dh 和ψ1 值一般是不變的，汽蝕與與D1 有關(guān)。

圖2 不同流量下泵的汽蝕分布圖

圖3 泵的故障類型

為了驗證理論分析的準確性，本文借助計算流體動力學（CFD）技術(shù)對現(xiàn)場工藝條件進行數(shù)值模擬。主要采用有限體積法（Finite volume method）對CG-410A/B 進料加壓泵內(nèi)部全流場進行計算，流體介質(zhì)的對流項采用高精度格式(High resolution scheme)，其他函數(shù)項采用中心差分格式（Central difference scheme）。邊界條件：進口為壓力進口，通過改變進口壓力獲得泵的汽蝕性能；出口采用質(zhì)量流量出口，改變出口流量可以得到不同工況下汽蝕性能；壁面函數(shù)采用無滑移壁面，參考壓力為0 Pa；旋轉(zhuǎn)部件（葉輪）與靜止部件（蝸殼）之間的能量傳遞采用“Frozen Rotor”方式連接，計算收斂標準設(shè)為10-4。通過上述計算方法得到泵的空化性能，如圖2所示。

圖4 G-410A/B 泵譜圖

圖5 優(yōu)化后的泵裝備示意圖

從圖2 中可以看到，當泵在設(shè)計工況（Q=690 m3/h）下運行時，泵進口附近已經(jīng)出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象，有少量氣泡在葉片進口附近出現(xiàn)，當流量減小至640 m3/h 時，氣泡明顯增多，研軸向和徑向方向擴展。當流量進一步減小，減小至泵現(xiàn)場工藝流量時（Q=592 m3/h）葉片內(nèi)部出現(xiàn)了大量氣泡，空化現(xiàn)象嚴重。

現(xiàn)場拆機檢測

G-410A/B 泵自2015年以來多次出現(xiàn)了故障，其中由故障拆機3次，其中故障類型主要可以分為3類，一是葉輪與耐摩盤接觸，如圖3（a）；二是主軸斷裂，如圖3（b）；三是葉輪開裂，如圖3（c）。通過對現(xiàn)場泵運行情況進行了測試，獲得了G-410A/B 泵的頻譜特性曲線，如圖4 所示。

從圖4 中可以看到，G-410A/B泵的主要振動頻率為6 倍頻葉片通過頻率，在3000 Hz 附近出現(xiàn)了高頻振動，但此時的頻率幅值相對較弱，說明此時泵內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生汽蝕，但汽蝕不是很嚴重，還沒有擾亂主流，振動頻譜尚未上升為主要因素。綜上所述，經(jīng)過上數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試，判斷該泵在規(guī)定的介質(zhì)和操作條件下，基本處于汽蝕狀態(tài)。

汽蝕性能優(yōu)化

優(yōu)化措施

從上節(jié)可以得到，G-410A/B 泵反復出現(xiàn)故障的原因為汽蝕引起的高頻振動。所以，在性能優(yōu)化方面，本文重新對泵頭進行設(shè)計，葉輪采用高抗汽蝕水力設(shè)計方法，降低泵的必須汽蝕余量，借助CFD 技術(shù)對泵內(nèi)部流場進行性能預測，達到優(yōu)化的目的。其中，在高抗汽蝕葉片水力模型設(shè)計時，主要采取的措施有：

（1）增加了葉輪進口直徑，減少進口流速；

（2）增大了葉片進口安放角，減少葉片的彎曲，增大葉片進口過流面積，減少葉片的排擠；

（3）增加了葉片進口寬度，進口過流面積增加，減少進口流速；

（4）增加了前蓋板的曲率半徑，減少前蓋板的流速和改善速度分布的均勻性；

（5）葉片進口邊適當向進口延伸并減薄，葉片提早接受液體的作用，增加葉片的表面積，減少葉片工作面和背面的壓差。

另外，在汽蝕性能優(yōu)化時，在保證現(xiàn)場工藝所需流量、揚程重要工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，降低了設(shè)計流量（Q=530 m3/h、揚程H=105 m），改善運行過程中的泵的必須汽蝕余量NPSHr，降低至NPSHr=2.5 m。其中，優(yōu)化后的葉輪外形尺寸示意圖如5 所示。性能預測

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對優(yōu)化后的泵內(nèi)部流場進行了預測，如圖6 所示。其中圖6（a）為壓力分布，圖6（b）為速度云圖，圖6（c）為速度矢量分布。從壓力分布圖可以看出，在葉輪進口附近存在低壓區(qū)，隨著流體從進口到出口的流動中，壓力不斷增大；從速度云圖可以看出，整體速度分布相對較為均勻，高速區(qū)域主要出現(xiàn)在流體進入葉片以后，隨著流道不不斷減小，速度逐漸增大；從速度矢量圖可以看出，整體速度矢量分布較為合理，但靠近葉片附近仍存在局部回流現(xiàn)象，對應壓力分布發(fā)現(xiàn)，該處的壓力遠大于臨界空化壓力，不會發(fā)生汽室現(xiàn)象。

圖6 優(yōu)化后的泵葉輪內(nèi)部流場分布

圖7 為新G-410A/B 泵 的試驗性能曲線圖。從圖中可以得到，優(yōu)化后的泵揚程和汽室余量均能達到設(shè)計的要求。此泵在泵體內(nèi)具有前后襯板（如圖5 所示），對在腐蝕、磨蝕程度高的工況中，只需更換前后襯板即可，增加了泵體、泵蓋的使用壽命。前襯板為可調(diào)式襯板，后襯板的調(diào)整可通過調(diào)整軸承前后調(diào)整墊的厚度，在葉輪及襯板發(fā)生磨損而導致泵性能下降時，可以通過調(diào)節(jié)前襯板以及后襯板繼續(xù)使用，增加易損件的壽命，從而達到節(jié)約成本的目的。

圖7 外特性曲線

結(jié)語

本文以某石化PTA 中的G-410A/B 加壓進料泵為研究對象，采用了數(shù)值模擬方法對泵現(xiàn)場運行工況下的汽蝕性能進行了分析，得到不同條件下的汽蝕分布，并對現(xiàn)場泵振動特性進行了測試，得到了泵的頻譜特性曲線，獲得了泵頻繁故障的主要原因，并提出了相應的優(yōu)化措施，主要結(jié)論如下：

（1）當泵在設(shè)計工況下運行時，泵葉片進口附近已經(jīng)出現(xiàn)了汽蝕現(xiàn)象，但氣泡量較少。隨著流量的減小，氣泡明顯增多，當流量減小至現(xiàn)場工藝工況時，泵內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的汽蝕現(xiàn)象。

（2）優(yōu)化后的新葉輪內(nèi)部流場分布相對較為合理，速度和壓力分布較為均勻，經(jīng)試驗驗證，無論是泵的揚程還是必須汽蝕余量均能滿足設(shè)計要求。

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化后的G-410A/B 加壓進料泵，自2018年10月裝機運行后，運行平穩(wěn)，運行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)任何故障現(xiàn)象。本文研究結(jié)果能夠為類似的泵高頻振動分析提供參考。