工業(yè)循環(huán)水泵及管線的計(jì)算與選型

侯晨茹,南君芳,張葉新,薛建森,蘇江峰

(國(guó)投金城冶金有限責(zé)任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

泵在化工、船舶、國(guó)防等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,既可以輸送水、油、酸、堿液等液體,也可輸送含懸浮固體物等流體。在實(shí)際生產(chǎn)中,如果需要實(shí)現(xiàn)某種流體的空間傳輸,往往會(huì)選擇工業(yè)泵為流體提供動(dòng)力,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成流體運(yùn)動(dòng)所需要的動(dòng)能,實(shí)現(xiàn)流體輸送任務(wù)。若泵選擇的過大或過小,會(huì)存在汽蝕、振動(dòng)、卡頓等風(fēng)險(xiǎn),長(zhǎng)此以往,導(dǎo)致較高的維修成本和較短的使用壽命。因此,根據(jù)工況科學(xué)合理地選擇工業(yè)泵,一方面充分利用泵的最佳效率點(diǎn),提升輸送效率;另一面有效降低生產(chǎn)成本,實(shí)現(xiàn)效益最大化。

在某生產(chǎn)車間建設(shè)期間,需要對(duì)高溫設(shè)備配備一套冷卻系統(tǒng),涉及到相關(guān)泵的選型,本文以此為例,給出工業(yè)泵選型的步驟及思路,為相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員提供參考。總的思路先根據(jù)廠房建設(shè)布局進(jìn)行管線走向基礎(chǔ)設(shè)計(jì),此外依據(jù)工藝計(jì)算需要輸送的流量任務(wù),利用輸送任務(wù)推算出管徑的大小、流體流動(dòng)狀態(tài)、阻力損失等相關(guān)數(shù)據(jù),確定泵的揚(yáng)程,根據(jù)流量、揚(yáng)程、輸送介質(zhì)的物理性質(zhì)選擇合適的工業(yè)泵。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在冶煉行業(yè),一般采用水冷方式對(duì)高溫部件進(jìn)行熱交換,對(duì)其降溫并改善工作環(huán)境。以某建設(shè)生產(chǎn)車間為例,車間準(zhǔn)備增加一臺(tái)火法提純爐設(shè)備,預(yù)估生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的運(yùn)行溫度為650 ℃。生產(chǎn)時(shí)原料通過料盤(材質(zhì)為304 不銹鋼)裝滿后推進(jìn)爐體,原料在爐體內(nèi)加熱揮發(fā),揮發(fā)時(shí)間設(shè)計(jì)為6 h,完成揮發(fā)后料盤被傳送機(jī)構(gòu)拉出爐體,轉(zhuǎn)運(yùn)至冷卻床,通過底部冷卻床對(duì)料盤冷卻降溫至室溫(20 ℃),冷卻時(shí)間設(shè)計(jì)為4 h。為了在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的冷卻效果,需要提前估算總的循環(huán)水量。

1.1 確定輸送的流量

假設(shè)揮發(fā)料盤的熱量全部通過循環(huán)水帶走熱量,根據(jù)式(1)計(jì)算料盤總的熱量Q。

式中Q—熱量,kJ;

C—熱容,kJ/kg/℃;

T2、T1—料盤的最終溫度、初始溫度,℃。

已知揮發(fā)料盤為304 材質(zhì),密度ρ為7.98 ×103kg/m3,體積V為2.448 m3,質(zhì)量m為1 953.5 kg,比熱容C為0.5 kJ/kg/℃,揮發(fā)料盤的初始溫度T1為650 ℃,最終冷卻溫度T2為20 ℃,最終可以計(jì)算得:總的熱量Q為6 153 537.6 kJ。

根據(jù)式(2)計(jì)算循環(huán)水的體積流量Qv。

式中Qv—體積流量,m3/h;

Q—料盤總的熱量,kJ;

C＇—水的熱容,kJ/kg/℃;

t—冷卻時(shí)間,h;

△T—循環(huán)水冷卻前后的溫度差,℃。

根據(jù)式(1)得到總的熱量Q為6 153 537.6 kJ,這些熱量全部由水帶走。查得水的比熱容C＇為4.2 kJ/kg/℃,冷卻時(shí)間t為4 h,溫度差△T設(shè)計(jì)為10℃,將上述參數(shù)帶入式(2),可以求得循環(huán)水的體積流量Qv為36.628 m3/h。

1.2 確定設(shè)計(jì)的目標(biāo)任務(wù)

根據(jù)1.1 中得到本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇合適的泵將流量為37 m3/h 的循環(huán)水送到冷卻床。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)泵的入口管道長(zhǎng)度l1為0.5 m,出口管道長(zhǎng)度l2為17 m,在管道拐彎處焊接4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭,在泵的進(jìn)口、出口、冷卻盤進(jìn)水口各安裝一個(gè)閘閥便于調(diào)節(jié)流量,為統(tǒng)計(jì)冷卻水消耗的用量,管道中間安裝一個(gè)渦輪流量計(jì)測(cè)量流量,管道敷設(shè)如圖1 所示。

圖1 循環(huán)水管道敷設(shè)圖

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 確定輸送流體管徑

在輸送流量確定的情況下,根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇泵入口流速為1.50 m/s,泵出口流速為3.00 m/s。管徑與流體流速成反比,設(shè)計(jì)流速越大,管徑越細(xì),反之設(shè)計(jì)流速越小,則所需要配置的管徑則越粗,因此確定管徑的根本在于選擇流體的流速。因?yàn)楣艿纼?nèi)的流體是循環(huán)水,管道選擇普通碳鋼無(wú)縫管即可,根據(jù)式(3)分別計(jì)算泵進(jìn)口和出口的管徑。

式中ν—管道流速,m/s;

d—管道直徑,mm;

Qv—體積流量,m3/h。

將式(2)計(jì)算得到的體積流量帶入,分別得到泵入口管的內(nèi)徑d1為93 mm,泵出口的管內(nèi)徑d2為66 mm。通過查詢無(wú)縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)尺寸[1],選擇泵入口管規(guī)格Φ102 ×4 mm,泵出口管規(guī)格Φ73 ×4 mm。將新的管內(nèi)徑分別帶入式(3)核算泵入口管的流速為1.46 m/s,泵出口管的流速為3.07 m/s。

2.2 確定流體的流動(dòng)狀態(tài)

流體在管道內(nèi)受到的摩擦力與流體的流動(dòng)狀態(tài)有著密切的關(guān)系,同時(shí)摩擦力的大小會(huì)對(duì)泵的選擇產(chǎn)生直接的影響,因此確定流體的流動(dòng)狀態(tài)是一項(xiàng)重要工作。流體力學(xué)中根據(jù)雷諾數(shù)Re判斷管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài),當(dāng)Re≤2 000 時(shí),流體中各質(zhì)點(diǎn)全部延軸線方向運(yùn)動(dòng),并且流體各質(zhì)點(diǎn)之間相互獨(dú)立、互不影響,流體的這種流動(dòng)狀態(tài)為層流;當(dāng)2 000≤Re≤4 000 時(shí),流體各質(zhì)點(diǎn)之間不再是簡(jiǎn)單的軸線運(yùn)動(dòng),開始相互作用,出現(xiàn)小范圍擾動(dòng),此時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)處于過渡區(qū);當(dāng)Re≥4 000 時(shí),流體質(zhì)點(diǎn)伴有嚴(yán)重的橫向擾動(dòng),質(zhì)點(diǎn)之間彼此相互影響,流體處于湍流區(qū)[2]。根據(jù)式(4)計(jì)算流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re。

式中ρ—流體密度,kg/m3;

ν—管道流速,m/s;

d—管道直徑,mm;

μ—流體黏度,Pa·s;

Re—雷諾數(shù)。

將水的密度(1000 kg/m3)、黏度(0.00298 Pa·s)和進(jìn)出口管的流速、管徑數(shù)值分別帶入(4)式,計(jì)算得入口管的雷諾數(shù)Re1為46 270,大于4 000,可以認(rèn)為入口管的流動(dòng)狀態(tài)為湍流[2];同樣得到出口管的雷諾數(shù)Re2為66 914,大于4 000,出口管的流動(dòng)狀態(tài)為湍流。

湍流狀態(tài)下,流體在管道中流動(dòng)時(shí),其摩擦阻力系數(shù)λ的值與管壁的相對(duì)粗糙度ε＇有關(guān),相對(duì)粗糙度的計(jì)算如(5)式所示。

式中d—管子內(nèi)徑,mm;

ε—絕對(duì)粗糙度,mm;

ε＇—相對(duì)粗糙度。

查得無(wú)縫鋼管絕對(duì)粗糙度為0.2 mm,分別帶入管徑數(shù)值d1、d2,得到進(jìn)出口管子的相對(duì)粗糙度、分別為0.002 13、0.003 077。查詢摩擦阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re、相對(duì)粗糙度ε＇關(guān)系圖[2],得到進(jìn)口管道的摩擦阻力系數(shù)λ1為0.025 2,出口管道的摩擦阻力系數(shù)λ2為0.025 3。

2.3 泵將流體從水箱輸送到冷卻床的阻力損失計(jì)算

泵將流體從水箱輸送到冷卻床的過程中,流體的阻力損失主要由兩部分組成,一部分是由流體流動(dòng)時(shí)管道的摩擦阻力帶來(lái)的損失,另一部分是管件帶來(lái)的局部阻力損失,總的阻力損失是二者之和,計(jì)算如式(6)。

式中:λ—管道的摩擦阻力系數(shù);

l—管道長(zhǎng)度,m;

d—管子內(nèi)徑,m;

Σζ—管件的阻力系數(shù)之和;

v—流體的流速,m/s;

hf—阻力損失,m。

各管件的阻力系數(shù)如表1 所示。

表1 各管件的阻力系數(shù)

帶入相應(yīng)數(shù)值,計(jì)算得泵的入口端的阻力損失hf1為0.086 5 m,出口端的阻力損失hf2為6.736 0 m。

由式(7)計(jì)算得整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)總的阻力損失Σhf為6.822 6 m。

2.4 泵將流體從水箱輸送到冷卻床所需揚(yáng)程計(jì)算

揚(yáng)程是指泵的有效壓頭,即單位質(zhì)量流體通過泵獲得的能量?jī)粼黾又?是泵的重要工作性能參數(shù),可表示為流體的壓力能頭、動(dòng)能頭和位能頭的增加[3]。為了計(jì)算流體從水箱輸送到冷卻床的揚(yáng)程值,在A、B液面之間使用伯努利方程,根據(jù)式(8)計(jì)算揚(yáng)程。

式中:h—所需揚(yáng)程,m;

△z—A、B 液面高度差,m;

g—重力加速度,m/s2;

△ν—A、B 液面流速差,m/s;

△p—A、B 液面壓力差,Pa;

ρ—流體密度,kg/m3;

Σhf—阻力損失,m。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)任務(wù)中的水箱和冷卻床均是敞口容器,所以A、B 液面壓力差△p為0,A、B 液面流速差△ν為0。A、B 液面高度差△z為1 m,阻力損失Σhf為6.822 6 m,計(jì)算得到揚(yáng)程h為7.822 6 m。通常情況下,泵所需要的額定揚(yáng)程是計(jì)算揚(yáng)程的1.05～1.1 倍,所以最終的揚(yáng)程h確定為8.6 m。

3 泵的選型

在選擇合適的泵輸送流體前主要考慮的因素有流體的物化性質(zhì)、流量Qv、揚(yáng)程h,所選泵的型號(hào)和性能必須符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所需的流量、揚(yáng)程、溫度等工藝參數(shù)的要求。

3.1 輸送流體的物理化學(xué)性質(zhì)

流體的物理化學(xué)性質(zhì)主要影響選擇泵的葉輪材質(zhì)、驅(qū)動(dòng)力、密封性。當(dāng)輸送的流體易燃、易爆、有毒,則對(duì)泵的軸封要求較高,可采用無(wú)泄漏泵,如選擇隔膜泵、屏蔽泵;當(dāng)輸送的流體腐蝕性較強(qiáng),則要求泵的葉輪采用耐腐蝕性材料,如工程塑料磁力驅(qū)動(dòng)泵、不銹鋼耐腐蝕泵等[4];當(dāng)輸送的流體摻雜有固體顆粒時(shí),則必須選擇采用耐磨材料制成的對(duì)流部件的泵。此外,軸封采用清潔液體沖洗[5]。

基于本設(shè)計(jì)敷設(shè)的管路,輸送的流體是新水,溫度在20 ℃左右,故選擇材質(zhì)為普通鑄鐵材質(zhì)的泵即可。此外考慮到現(xiàn)場(chǎng)空間有限、工況復(fù)雜等情況,選用ISGB 立式便拆式管道離心泵,與市面上其它ISG管道離心泵、IS 離心泵、SH 雙吸離心泵等常規(guī)離心泵相比,ISGB 立式便拆式管道離心泵增加了加長(zhǎng)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu),更換泵內(nèi)部配件時(shí)無(wú)需挪動(dòng)電機(jī),也無(wú)需拆卸泵體和管道,可以直接在線更換,具有運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、配套更方便、維護(hù)保養(yǎng)更輕松等的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 工藝參數(shù)

泵的類型確定好之后,下一步需要考慮的是生產(chǎn)時(shí)的工藝參數(shù),進(jìn)而確定泵的具體序列。本次設(shè)計(jì)的輸送任務(wù)要將流量Qv為37 m3/h,揚(yáng)程h為8.6 m,可以選擇泵型號(hào)為ISGB65-12.5(Ⅰ),具體相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

表2 泵的性能參數(shù)

3.3 設(shè)計(jì)分析

此項(xiàng)設(shè)計(jì)作以下幾點(diǎn)說明:①計(jì)算局部阻力時(shí)按照閥門全開設(shè)計(jì),實(shí)際中會(huì)根據(jù)生產(chǎn)情況調(diào)節(jié)閥門的開度。閥門關(guān)小會(huì)使管道內(nèi)流體的流量減小,同時(shí)會(huì)使局部阻力系數(shù)增大,管道的特性曲線變陡,揚(yáng)程會(huì)增加;②設(shè)計(jì)時(shí)利用雷諾數(shù)Re和管道的相對(duì)粗糙度ε＇查詢流體在管道中的摩擦系數(shù)λ,存在一定的誤差;③在本文中只對(duì)泵的選型做了介紹,實(shí)際工業(yè)建設(shè)時(shí),在泵的型號(hào)選好之后,要根據(jù)實(shí)際情況確定泵的工作點(diǎn)和允許安裝高度。

3.4 水泵安裝注意事項(xiàng)

選擇好合適的水泵之后,在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)必須注意以下幾點(diǎn):①首先水泵在安裝時(shí)不能受力,因此盡可能保證管路的進(jìn)出口軸線安裝在一條直線上,因此水泵前后進(jìn)出口部件需要用鋼角架支撐固定或吊起來(lái),不能出現(xiàn)晃動(dòng)的情況;②在水泵的進(jìn)口要安裝過濾器,并且水泵與管路連接前要沖洗,避免系統(tǒng)內(nèi)留有殘?jiān)?在高壓運(yùn)轉(zhuǎn)下使葉片快速磨損,影響水泵的使用壽命;③在水泵進(jìn)出口處盡可能安裝壓力表,以便實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)內(nèi)的壓力情況,進(jìn)行流量和壓力調(diào)節(jié)。

3.5 水泵啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作

水泵在正式投入使用前要進(jìn)行試運(yùn)行,啟動(dòng)前認(rèn)真檢查泵的相關(guān)部件(出入口管線、支架、閥門、壓力表接頭)是否符合安裝規(guī)范,緊固件(地腳螺栓、法蘭等)有無(wú)松動(dòng),冷卻水是否暢通。安排現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員啟泵前盤車,檢查轉(zhuǎn)子是否轉(zhuǎn)動(dòng)輕松靈活,檢查泵體內(nèi)是否有金屬撞擊聲或摩擦聲。

3.6 水泵試運(yùn)轉(zhuǎn)

檢查完成后泵入口閥門全開,關(guān)閉出口閥,啟動(dòng)電機(jī),全面檢查機(jī)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,觀察是否有漏水情況,及時(shí)做好試運(yùn)轉(zhuǎn)記錄,以便后期整改。

3.7 水泵使用注意事項(xiàng)

水泵在正常使用時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①在任何情況下都不允許離心泵空轉(zhuǎn),避免損壞零部件,在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí),現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員要關(guān)注離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音,出現(xiàn)異響及時(shí)上報(bào),避免出現(xiàn)故障耽誤生產(chǎn);②離心泵啟動(dòng)后,在出口閥未開的情況下,不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn),因此電機(jī)啟動(dòng)后及時(shí)打開出口閥;③離心泵不允許用入口閥來(lái)調(diào)節(jié)流量,而應(yīng)用出口閥來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量;④在正常情況下,離心泵運(yùn)行的最小流量應(yīng)不低于額定流量的三分之一。

4 結(jié)論

通過輸送流量、管道直徑、流動(dòng)狀態(tài)、阻力損失和揚(yáng)程的計(jì)算分析,最終得到以下結(jié)論。

1)要實(shí)現(xiàn)在4 小時(shí)內(nèi)將料盤冷卻至室溫,需要循環(huán)水的流量為37 m3/h。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇管線的流速,確定泵的入口管規(guī)格Φ102 ×4 mm,出口管規(guī)格Φ73 ×4 mm。

3)根據(jù)輸送任務(wù)和廠房布局敷設(shè)循環(huán)水管線,循環(huán)水的流動(dòng)狀態(tài)為湍流,阻力損失6.822 6 m,揚(yáng)程8.6 m,選擇泵型號(hào)為ISGB65-12.5(Ⅰ)。

4)水泵的安裝、運(yùn)行必須符合規(guī)范,才能保證水泵長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。