多級離心泵升速流程操作優(yōu)化

劉 磊，羅紹華，王方萍，趙建琳，魏 平

（重慶水泵廠有限責任公司國家企業(yè)技術(shù)中心，重慶 400033）

0 引言

由于離心泵工作時滿足連續(xù)性方程[1]的特點，理論上在允許工作范圍內(nèi)的使用點能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來覆蓋?，F(xiàn)有某航天動力研究所水泵單元2 試驗用高壓多級離心泵，在現(xiàn)場調(diào)試過程中，采用變頻調(diào)速裝置（VFDS）[2]進行調(diào)節(jié)，通過改變電機轉(zhuǎn)速使泵的特性曲線發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)流量。但在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程中，出現(xiàn)了非驅(qū)動端軸承溫度急劇升高的現(xiàn)象，軸承排氣孔中冒出煙霧。停車拆檢發(fā)現(xiàn)泵非驅(qū)動端推力軸承燒毀（圖1）。

圖1 燒毀的軸承

1 原因分析

1.1 要因確定

該泵為BB3 型多級離心泵結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子中10級葉輪對稱布置，理論上前后葉輪所產(chǎn)生的軸向力通過自身進行平衡，所以泵在正常時轉(zhuǎn)子總軸向力理論上不大。

離心泵的工作流量范圍可以分成兩個區(qū)：一個稱為“最優(yōu)工作區(qū)”或“優(yōu)先工作區(qū)”，在此區(qū)范圍內(nèi)，泵運行穩(wěn)定，振動低；另一個稱為“允許工作區(qū)”，在此區(qū)范圍內(nèi)的流量下運行泵的振動較高，但仍然是“可以接受”的水平，以及此區(qū)內(nèi)的上限輸入功率低于配套電機的輸出功率。

離心泵在啟動時，泵的出口管路內(nèi)還沒水，因此還不存在管路阻力和提升高度阻力，因此離心泵啟動后，離心泵揚程很低，流量很大，此時泵電機（軸功率）輸出很大（據(jù)泵性能曲線），很容易超載，就會使泵的電機及線路損壞，因此啟動時要關(guān)閉出口閥，才能使泵正常運行。

在排除潤滑等因素的情況下，最可能原因是在相同轉(zhuǎn)速下軸承過載，即無法承受超過其承載范圍內(nèi)的載荷，導致短時間溫度急劇上升、潤滑油黏度下降，失去潤滑冷卻效果，最終導致軸承快速失效。軸承所承受的載荷主要來源于兩個方面：

（1）整個轉(zhuǎn)子重量而產(chǎn)生的徑向力：該載荷來源單一，并且并不會隨著工況而發(fā)生較明顯的變化。因此可以判斷轉(zhuǎn)子重量引起的徑向力并非軸承燒毀的主要原因。

（2）整個轉(zhuǎn)子軸向力加載在軸承上的軸向載荷，該載荷與泵運行工況相關(guān)，泵軸向力發(fā)生變化有以下因素：

1.1.1 承受壓差零件軸向力隨壓差改變而改變

承受壓差零件在泵運行工況改變時，由于壓力變化造成壓差跟隨改變，零件尺寸不變時壓差作用下壓差變化使軸向力也相應改變，而且轉(zhuǎn)速越高變化越大，同時在工頻50 Hz 下是該泵使用零件壓差和軸向力最大的，也在其他地方多有使用，未見異常，說明此因素雖有影響但不足于損壞軸承，因此不是主因。

1.1.2 泵吸入性能不足

由于泵轉(zhuǎn)速升高，泵的輸出參數(shù)增加：

其中，Q、Qi為調(diào)速前、后流量；n、ni為調(diào)速前、后轉(zhuǎn)速；H、Hi為調(diào)速前、后揚程；P、Pi為調(diào)速前、后功率。

由上式可知，隨著轉(zhuǎn)速升高，多級離心泵輸出的參數(shù)流量Qi、揚程Hi及功率Pi會有不同程度的提高（圖2）。其中，隨著流量Qi的迅速升高，對泵進口吸入性能的要求增加，此時若進口閥門開度不足則難以滿足泵吸入要求。并且隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，當吸入性能無法滿足時將出現(xiàn)氣蝕空化現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)抽空斷流現(xiàn)象，從而出現(xiàn)對稱布置的葉輪內(nèi)流體流動不連續(xù)、對稱性被破壞，導致軸向力大大改變而使軸承超載。

圖2 泵結(jié)構(gòu)示意

1.1.3 泵超負荷運行

隨著轉(zhuǎn)速的不斷升高，輸出參數(shù)增加，輸入功率隨著升高。性能曲線變化如圖3 中④→②所示，若升速前工況點位于④點右側(cè)（即允許工作范圍之外）。低轉(zhuǎn)速時由于輸出參數(shù)較低，即使超過允許工作區(qū)振動、溫度等監(jiān)控參數(shù)也不是很明顯。因此剛開始升速階段并未發(fā)現(xiàn)異常。升速后期，所需的輸入功率逐漸以偏離允許工作區(qū)的狀態(tài)甚至超過電機的額定輸入功率，因此整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)處于一個異常工作狀態(tài)，超負荷運轉(zhuǎn)。此時泵振動會上升，電機軸承、繞組溫度會增高，但現(xiàn)場除了泵推力軸承發(fā)熱燒壞外，其他基本正常，所以此影響因素也可以被排除。

圖3 調(diào)速范圍性能變化表

通過以上分析后認為，要因在軸向力方面，分別為軸向力變化、吸入性能不足和超負荷運行。采用排除法，確定吸入性能不足為主因。

1.2 處理方案

針對吸入性能不足的主因進行分析，本項目提供了兩種啟泵升速方案。

1.2.1 處理方案1

如果啟泵后升速過程中需要調(diào)節(jié)出口閥門，則使出口流量控制在圖3 所示中“允許工作范圍”內(nèi)即可。為保證流量控制在該范圍內(nèi)，對應的閥門開度有如下關(guān)系：

閥門開度與流量大小的計算公式：

式中 fp——導管幾何形狀系數(shù)

fy——節(jié)流系數(shù)

fr——雷諾系數(shù)的修正系數(shù)

δp——調(diào)節(jié)閥的壓差

ρ——介質(zhì)密度

kv——流量系數(shù)直線調(diào)節(jié)閥的流量特性可知，在某個Δp下：

通過閥門開度與流量之間的關(guān)系，即可進行具體調(diào)節(jié)。

1.2.2 處理方案2

如果啟泵升速至額定轉(zhuǎn)速過程中不再調(diào)節(jié)出口閥門，則保證啟泵最低轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速取決于閥門精度，同時檢測出口壓力，保證出口壓力不低于④點對應的壓力，同時控制閥門開度保證額定輸出流量小于①點的流量值。隨后進行提速，若直接升速至額定轉(zhuǎn)速，則需在15～20 s 內(nèi)完成；若階段性升速：則每次升速5 Hz（5 s左右完成），提速過程中當泵振動突然增加時（一階共振區(qū)）應快速通過不允許在此處長期運行。

1.3 處理結(jié)果

按照上述方案進行后，整個調(diào)速過程沒有出現(xiàn)異常，軸承溫度及殼體振動均保持正常，

2 結(jié)論

多級離心泵運行期間升速過程中需注意：

（1）首先需要根據(jù)出口配備的閥門精度來確定整個系統(tǒng)所能允許的最低受控運轉(zhuǎn)速度。該速度確定后由相關(guān)公式可以確定最低及最高出口升速壓力，即圖3 中③和④點對應的壓力值，其中④點可以確定閥門開度的上限。

（2）隨后根據(jù)①點流量通過出口閥門流量特性公式可計算出對應的開度；調(diào)整至此開度后，觀察該開度下最低轉(zhuǎn)速時的流量與③點流量之間的關(guān)系，該開度下流量小于③點對應的流量，則應確定③點流量對應的開度即為最低運轉(zhuǎn)速度下閥門開度的下限。若該開度下流量大于③點對應的流量，則該開度即為最低運轉(zhuǎn)速度下閥門開度的下限（圖4）。

圖4 調(diào)速建議操作流程