計(jì)量泵振動(dòng)消除研究

馬建偉，舒忠杰，黃學(xué)忠，周金兵

(中化藍(lán)天氟材料有限公司，浙江 紹興 312300)

計(jì)量泵也稱(chēng)為定量泵或者比例泵，屬于往復(fù)式容積泵，主要應(yīng)用于需要精確計(jì)量的工況[1]。該類(lèi)型泵由泵缸、柱塞和進(jìn)出口閥構(gòu)成(隔膜式計(jì)量泵具有隔膜結(jié)構(gòu))。柱塞在外部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，伴隨著進(jìn)出口閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被輸送介質(zhì)的動(dòng)能及內(nèi)能，達(dá)到輸送液體的目的[2]。由于柱塞的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由曲軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換而來(lái)，其速度變化服從正弦曲線，這也是引起計(jì)量泵振動(dòng)的根源[3]。另外，由于計(jì)量泵瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的，管道內(nèi)的介質(zhì)不斷地加速和減速帶來(lái)管道內(nèi)部的壓力脈動(dòng)，繼而引起管道振動(dòng)[3-4]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，管道在超過(guò)合理范圍內(nèi)的振動(dòng)會(huì)帶來(lái)難以忍受的噪音，更會(huì)影響泵正常運(yùn)行，甚至?xí)构艿榔屏?，給生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患，因此研究消除計(jì)量泵振動(dòng)具有重要意義[5-6]。

1 生產(chǎn)實(shí)例分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，消除計(jì)量泵振動(dòng)主要有以下幾種常用方法：（1）通過(guò)縮短計(jì)量泵支座間距，減少計(jì)量泵進(jìn)出口管道中的彎頭，加固進(jìn)出口管道等措施解決計(jì)量泵振動(dòng)問(wèn)題[6]；（2）在計(jì)量泵進(jìn)口增加囊式蓄能器、背壓閥和出口增加囊式緩沖罐來(lái)減緩管路系統(tǒng)內(nèi)的液流激振力，從而降低計(jì)量泵的振動(dòng)[7-8]；（3）通過(guò)提高隔膜計(jì)量泵汽蝕性能，來(lái)消除計(jì)量泵振動(dòng)[9]。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中成本和經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題以及現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝條件的限制，本研究通過(guò)第三種方法來(lái)消除計(jì)量泵的振動(dòng)問(wèn)題，在實(shí)施過(guò)程中取得了較好的效果。

1.1 生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題描述

隔膜計(jì)量泵工藝流程、電機(jī)型號(hào)及參數(shù)分別見(jiàn)圖1 和表1。

圖1 計(jì)量泵管道布置圖

表1 電機(jī)型號(hào)及參數(shù)

計(jì)量泵將物料從儲(chǔ)槽送至換熱器，經(jīng)實(shí)際測(cè)量，儲(chǔ)槽的壓力介于0.03～0.16 MPa，泵出口壓力為1.2 MPa，管道均為DN50 碳鋼管。儲(chǔ)槽與泵進(jìn)口高度差為7 m，水平方向距離為3 m。裝置初次開(kāi)車(chē)運(yùn)行后，該計(jì)量泵的進(jìn)出口管路振動(dòng)劇烈，入口處單向閥撞擊聲過(guò)大，且實(shí)際工作流量低于設(shè)計(jì)流量。

1.2 理論分析計(jì)算

該計(jì)量泵在前期運(yùn)行中，振動(dòng)劇烈，同時(shí)伴有較大的噪聲，這會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。如前文所述，計(jì)量泵通過(guò)電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)，利用曲軸帶動(dòng)柱塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得進(jìn)料管道內(nèi)液體流動(dòng)也呈脈沖式急加速和急減速，造成泵管道振動(dòng)。該泵在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際流量一直不足，初步猜測(cè)是由于管路的安裝不合理，使得泵產(chǎn)生了汽蝕，導(dǎo)致吸液量不足從而造成該計(jì)量泵管道劇烈振動(dòng)。參考API675 標(biāo)準(zhǔn)以及HG/T 20570 — 95 標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式（1），考察該泵是否存在汽蝕導(dǎo)致的吸液量不足情況。

式（1）中：NPSHa為泵的有效凈吸入壓頭，m；P1為泵入口側(cè)儲(chǔ)槽最低工作壓力，kPa；Pv為泵進(jìn)口條件下液體飽和蒸汽壓，kPa；ρ 為輸送物質(zhì)的密度；H1為吸入液面與泵基礎(chǔ)頂面的垂直高度，吸上取負(fù)值，灌注取正值，m；△P1為管道引起的壓力損失，kPa；△Pe1為設(shè)備引起的壓力損失，kPa；Kacc為往復(fù)泵脈沖損失系數(shù)；H1acc為吸入管線加速度損失，m；L1為泵吸入管道直線長(zhǎng)度，m；Vd為泵的設(shè)計(jì)流量，m3/h；R 為泵往復(fù)次數(shù)，min-1；C為泵型系數(shù)；D1為吸入管徑內(nèi)徑，mm；Kl為液體校正系數(shù)；K 為泵流量安全系數(shù)，為泵的設(shè)計(jì)流量與正常流量之比。

在該裝置中，計(jì)量泵輸送量為1 m3/h，吸入側(cè)儲(chǔ)槽的壓力為101 kPa，管損△P1=0.41 kPa，，NPSHr=8 m。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況和查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到進(jìn)口管路NPSHa=6.7 m ＜NPSHr=8 m，無(wú)法滿足NPSHa＞NPSHr，表明該泵發(fā)生汽蝕。在管損，△P1=0.41 kPa，計(jì)算出吸入管線的加速度損失H1acc達(dá)到了5.44 m，從而可知該計(jì)量泵的NPSHa值偏小主要是由于加速度損失H1acc偏大造成。

1.3 改造方案

1.3.1 柱塞往復(fù)速度對(duì)實(shí)際流量的影響

根據(jù)上文理論分析，該計(jì)量泵的劇烈振動(dòng)可能與計(jì)量泵汽蝕余量不足有關(guān)，泵進(jìn)口長(zhǎng)期處于吸液量不足進(jìn)而引起管線劇烈振動(dòng)。因此可通過(guò)研究降低泵的汽蝕，使泵進(jìn)口管路的NPSHa＞NPSHr，以解決泵的振動(dòng)問(wèn)題。結(jié)合公式（1）可知，NPSHa與H1acc有較大關(guān)聯(lián)，而加速度損失H1acc與入口管線長(zhǎng)度L1、泵的往復(fù)速度R 成正比，且與入口管徑D12成反比。由于現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝條件的限制，綜合考慮改造方案更傾向于通過(guò)降低泵的往復(fù)速度來(lái)降低加速度損失，降低泵的汽蝕，從而消除計(jì)量泵的振動(dòng)。

為了保證輸送流量在正常生產(chǎn)的水平，調(diào)整計(jì)量泵柱塞往復(fù)速度，同時(shí)調(diào)節(jié)柱塞行程，具體操作結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)際流量隨計(jì)量泵往復(fù)速度的變化

從表2 中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)泵的往復(fù)速度在132 min-1以上時(shí)，實(shí)際流量明顯低于理論流量，而在132 min-1以下，實(shí)際流量與理論流量的偏差隨著往復(fù)速度的下降而減小。這也證實(shí)了上文理論分析結(jié)果，該計(jì)量泵產(chǎn)生了汽蝕，造成了進(jìn)口處吸液量不足。試驗(yàn)過(guò)程中，該計(jì)量泵的實(shí)際流量一直低于理論流量，可能是泵的單向閥出現(xiàn)泄漏或者存在死區(qū)導(dǎo)致的。在計(jì)量泵往復(fù)速度為92 min-1，柱塞行程為71%時(shí)，重新進(jìn)行核算，NPSHa達(dá)到了9.47 m，成功解決了泵的汽蝕余量不足問(wèn)題。

1.3.2 計(jì)量泵往復(fù)速度對(duì)振動(dòng)幅度的影響

測(cè)試該計(jì)量泵在不同的往復(fù)速度下泵進(jìn)口管路的振動(dòng)幅度，管路的振動(dòng)數(shù)據(jù)收集均在電機(jī)調(diào)速完成5 min 之后進(jìn)行，測(cè)量三次取平均值，測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，隨著計(jì)量泵往復(fù)速度的不斷降低，泵進(jìn)口管道的振動(dòng)幅度不斷降低。在往復(fù)速度降至92 min-1后，振幅明顯降低，同時(shí)計(jì)量泵進(jìn)口單向閥的撞擊噪音也明顯減弱。最后，選取計(jì)量泵的最優(yōu)運(yùn)行條件為往復(fù)速度92 min-1，柱塞行程71%，測(cè)得泵的實(shí)際輸送流量為1200 kg/h，且管道振動(dòng)幅度降低至1.2 mm/s[10]，滿足生產(chǎn)需要，使裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖2 進(jìn)口管路振幅隨計(jì)量泵往復(fù)速度的變化

2 總結(jié)

本文通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)探究，確定了計(jì)量泵振動(dòng)幅度過(guò)大是由于該泵產(chǎn)生了汽蝕，且由于進(jìn)口管路過(guò)長(zhǎng)，彎頭過(guò)多，導(dǎo)致加速度損失偏大，從而使得計(jì)量泵振動(dòng)劇烈。并結(jié)合實(shí)際改造難度和經(jīng)濟(jì)成本條件，探究得出在計(jì)量泵柱塞往復(fù)速度為92 min-1，柱塞行程為71%，測(cè)得泵管道振動(dòng)幅度降低至1.2 mm/s，且泵的實(shí)際輸送流量達(dá)到1200 kg/h，解決了該泵振動(dòng)問(wèn)題，使得裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

改造后的計(jì)量泵管道系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行。通過(guò)本案例可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)量泵進(jìn)口管路的加速度損失在于管道過(guò)長(zhǎng)，不可輕視。在項(xiàng)目初期設(shè)計(jì)泵入口管路時(shí)應(yīng)當(dāng)注意這一點(diǎn)，盡量選擇較大管徑的管路，減少管道的彎頭閥門(mén)數(shù)量，能夠有效降低以上問(wèn)題出現(xiàn)的概率。