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泵选型计算的初步研究

豪迈化工技术2022-06-26 23:28:32

泵选型计算的初步研究

王少梅

山东豪迈化工技术

引言

在石油的储存运输过程中,广泛的使用泵来增加液体的能量,克服流动阻力,达到沿管路输送的目的,泵是其中最常用的流体机械。输送液体介质并提高其能头的就称为泵。

泵的用途十分广泛,几乎遍及工、农业各个生产领域,如矿山、冶金、机械、石油化工、国防、交通和农田灌溉等等,所以又是通用机械。在石油化工生产中,其原料、半成品或成品大多是流体,因此泵在其生产中占有重要的地位。在石油及天然气的储运工作中,离不开管道、储罐、泵。管道是输送工具,储罐是储存设备,而泵是连接管道和储罐的输送动力。任何一个炼厂或油库都离不开泵,作为一个化工设计工作者,在进行设计工作的时候不可避免的会遇到泵的选型问题,如何合理的对泵进行选型是设计工作中的一个重要部分。本文将结合某项目中的实际数据阐述了泵选型的初步计算,从而满足整体的工艺设计。

影响泵选型的基本参数

1.1  储运用泵的类型选择

炼油厂、石油化工厂和油库的液体原料、成品油和副产物料储运系统中,物料的操作温度一般都在100℃以下。输转物料用泵一般为间断操作,一泵多用,备用泵少;一般要求泵的吸入口为水平方向。对于输送易凝物料的泵要求有防凝措施。

1)装卸用泵,一般要求流量大,扬程低。对于沿海装卸油轮用泵其流量可达10003000m³/h。一般选用单级离心泵,尤其是管道泵用的比较普遍。物料粘度较大时,例如燃料油或减压塔底油。只要其效率粘度换算系数不小于0.7时,仍可选用离心泵,否则可选用螺杆泵或往复泵。

2)物料调合用泵,一般多用大流量低扬程的单级离心泵或管道泵。

3)物料输转用泵,多用流量较大、扬程适中的离心泵。厂区之间输转用泵常为扬程较高的多级离心泵。

4)储罐区抽送底油或清罐用泵一般用电动往复泵或蒸汽往复泵。

5)化学药剂如液碱、硫酸等一般用耐腐蚀离心泵。

6)润滑油多用离心泵或螺杆泵。

7)铁路洗罐站抽吸底油、热水采用水环式真空泵;油罐车上卸一般采用潜油泵。

在选择合适的泵之前,首先要根据介质的性质和现场条件等因素确定需要的泵类型,以方便进行下一步设计工作。

1.2 流量参数

泵的流量是指单位时间内泵排出口所输出的液体量。泵制造厂用实测数据绘制的流量—扬程(QH)曲线,用以表示QH的变化关系。

在考虑流量因素时,应综合考虑业主的油品周转量需求和管径及经济流速等因素。如在设计装车泵考虑流量因素时,应根据装车鹤位的装车流量来选定泵的流量,使泵在额定的工作范围内运动,以获得最经济、最合理的使用效果;在技改项目中,往往管道已定不做改动,需要更换泵,如在这种情况下想提高流量需综合考虑在已有管径下介质能否达到经济流速。

1.3 流量参数

泵的扬程是指单位重量液体通过泵所获得的能量增值。泵样本或铭牌上给出的泵扬程是以水为基准测试得出的。对离心泵来说,在任何条件下,恒转速下泵的扬程与液体的密度无关。而压力增值与密度有关。

泵的扬程H可用能量平衡方程(伯努利方程)确定,方程如下:

在选用泵的扬程时,根据伯努利方程可计算出泵所需要的扬程,结合泵厂家样本可选择合适的扬程,从而满足工艺管道的需求

1.4 汽蚀余量因素

在选择泵时,要考虑汽蚀余量的因素。

1)汽蚀现象:泵第一级叶轮进口处的压力低于液体在该温度下的饱和蒸汽压时,液体开始气化,同时还可能有溶解在液体内的气体从液体中逸出,形成大量小气泡(空化)。当这些小气泡随液体流到叶轮流道内压力高于临界值的区域时,小气泡就会重新凝结、溃灭。这时周围的液体就以极高的速度向空化点冲来,液体质点互相撞击形成局部水力冲击。这种水力冲击速度很快,频率达每秒钟数千、甚至几万次,使叶轮金属表面很快因疲劳而剥蚀。这种气化和凝结过程中产生对泵的冲蚀、振动和使泵性能下降的现象,称之为气蚀现象。

2)气蚀余量(NPSH):又称净正吸入头,指泵进口处单位重量液体所具有的超过气化压力的富余能量,即泵进口处的压力(绝压)减液体汽化压力(绝压)。

3)泵必需气蚀余量(NPSH)r:是指泵进口处所必需具有的超过液体气化压力的能量;是指泵工作时不产生气蚀现象所必需具有的富余能量;是泵本身具有的一种特性,由泵制造厂通过试验测定。

影响(NPSH)r大小的主要因素是泵的结构,如吸入室与叶轮进口的几何形状,以及泵的转速和流量等,而与吸入管道系统无关。所以(NPSH)r的大小,一定程度上是一台泵本身抗气蚀性能的标志,也是离心泵的一个重要性能参数。

4)有效气蚀余量(NPSH)a:是进口侧系统提供给泵进口处超过液体气化压力的能量。它的大小与泵系统的操作条件有关,而与泵本身的结构尺寸无关,故也称为泵系统的有效气蚀余量。为了使泵能正常操作而不产生气蚀,必需使(NPSH)a值大于(NPSH)r值。有效气蚀余量(NPSH)a可用下式表示:

式中(NPSH)a——有效汽蚀余量,m

Hgs——泵实际几何安装高度,即进口侧容器的最低液面至泵中心线的垂直距离(高度差),灌注时为负值,吸上时为正值,m

其他符号意义同前。

在进口侧容器液面处于平衡状态时,

上式变为:

2.选型实例

2.1 泵类型的选择

例如,原油、燃料油泵房中的油品为高粘度油品,运动粘度为500mPa.s,泵房中的已有泵全部为离心泵,在对工艺流程进行改造时,需要增加4台泵以满足工艺需求,考虑到油品特性和双螺杆泵具有自吸能力强、低噪音、无脉动、对介质无乳化剪切作用和高效率的特点,新增4台泵全部为双螺杆泵。

2.2 流量参数的计算

以某产品质量升级项目乙醇汽油调和设施单元为例,对三个汽油装车鹤位进行改造,新增乙醇线,接入上述三个汽油装车鹤位上,将乙醇与汽油按1:10的比例混合后进行装车。在确定新增泵的流量时,参考汽油装车泵的流量为85m3/h,按照1:10的体积比混合,乙醇装车泵的流量应为8.5m3/h,在对照泵厂家样本之后,最终选择了额定流量为10 m3/h的离心泵,正常工作时开泵的流量为8.5m3/h。另外,在一些改造项目中,往往管道已定,在流速选择中,要选择合适的流量来尽量满足推荐流速。表1为部分油品流体的推荐流速:

2.3. 扬程的计算

若已知原油、燃料油泵房的原油和燃料油经新增泵加压后远输至10km外的炼厂的罐区,外输管径为DN400,取原油、燃料油的粘度为500mm2/s,流量已定为500m3/h,取油品的密度约为900kg/m3,现求泵的扬程。可知Q=500m3/h0.139m3/s。所以:

判断流体流态可知:

Re2000时,流态为层流或称滞留,水力摩阻系数与管壁粗糙度无关,只是雷诺数的函数,

可得沿程摩阻为

因为长输至地方炼厂库区还需要预留0.2~0.3MPa的压力,可得P1.4MPa,扬程H=1400000÷900÷9.8156m。从而满足工艺需求。

2.4.汽蚀余量的计算

为避免发生气蚀现象,必须使有效气蚀余量大于必需气蚀余量,必需气蚀余量为泵本身特性,只与泵结构有关,所以在结合泵厂家样本查得必需汽蚀余量之后,需对泵系统有效汽蚀余量进行计算,若不符合有效气蚀余量大于必需气蚀余量,则无法满足工艺需求。

以原油、燃料油泵房新增管输螺杆泵为实例,稳定原油的饱和蒸汽压一般小于0.1MPa(小于当地大气压),经确认,取0.07MPa。燃料油饱和蒸汽压取0.045MPa。从罐区沿程摩阻至泵入口当量长度取300m,泵入口管径为DN450,计算得沿程摩阻约为2m。原油泵房中新增一台高压螺杆泵,必需汽蚀余量为3.5m,根据有效汽蚀余量的计算公式:

燃料油泵房中置换两台高压螺杆泵和一台低压螺杆泵,低压螺杆泵必需汽蚀余量为4.7m,高压螺杆泵有效汽蚀余量为3.5m,则

可得有效汽蚀余量均大于必需气蚀余量,所以不会发生气蚀现象,满足要求。

3.总结

本文对泵的选型需要考虑的因素和基础参数计算进行了分析,并较为系统的总结了泵的初步选型的步骤和方法。以实际项目的实例计算,对现场条件和已知数据进行分析和计算,最终结合厂家样本和业主需求选择泵的型号和参数,并完全符合工艺需求。

参考文献

[1]张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册·第一篇 设计与计算(第四版)[M].中国石化出版社出版发行,2009,9(4):17-30.

[2] 李征西.徐思文.油品储运设计手册.石油工业出版社.1997.10.

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