化工泵特性試驗(yàn)
2017-12-29 17:37:03
化工泵在油田鉆井、采油及輸油等方面正得到越來越廣泛的應(yīng)用。化工泵工作時(shí)，常常遇到調(diào)節(jié)泵流量問題(Emerson)。對(duì)于這種體積式泵，其流量的調(diào)節(jié)方法常用的有兩種。一是改變轉(zhuǎn)子（rotor）轉(zhuǎn)速;二是改變排出管線或吸入管線結(jié)構(gòu)(通常是改變排出口閥門或吸入口閥門的開啟度)。現(xiàn)文主要討論第2種方法。然而，管線結(jié)構(gòu)的改變除了改變泵的壓力、流量外，對(duì)泵的能耗、效率將產(chǎn)生多大程度的影響(influence)?改變泵出口閥門開啟度與改變泵吸入口閥門開啟度對(duì)泵特性的影響有何不同?針對(duì)這些問題，我們進(jìn)行了以下2項(xiàng)室內(nèi)試驗(yàn)。
a) 化工泵流量、泵軸力矩、效率等參數(shù)隨出口壓力變化的特性試驗(yàn)。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。
b) 化工泵流量、泵軸力矩、效率等參數(shù)隨吸入口真空度變化的特性試驗(yàn)。
1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果
化工泵特性試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)原理圖。上海凱泉泵業(yè)集團(tuán)有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。凱泉泵業(yè)開動(dòng)前，先將泵和進(jìn)水管灌滿水，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，在 葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補(bǔ)充了這個(gè)空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進(jìn)入出水管。試驗(yàn)介質(zhì)為清水、室溫。試驗(yàn)用化工泵結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：螺桿直徑φ42mm，襯套導(dǎo)程241mm，螺桿偏心距7.1mm，額定揚(yáng)程500mm。試驗(yàn)分兩種情況(Condition)，一是將吸入口閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)12全部開啟，改變排出口閥門7的開啟度，同時(shí)測試出口壓力、流量、泵軸力矩、轉(zhuǎn)速和吸入口真空度這些參數(shù)，測試數(shù)據(jù)(data)如表1;二是將吸入口閥門12全部開啟，然后關(guān)小排出口閥門7，待出口壓力增至7.0MPa，排出口閥門7開啟度固定(fixed)不動(dòng)，再逐漸關(guān)小吸入口閥門12，使吸入口真空度不斷增加，同時(shí)測試泵出口壓力、泵軸力矩、泵軸轉(zhuǎn)速及排出流量這些參數(shù)，測試數(shù)據(jù)如表2。分別以泵出口壓力和吸入口真空度為橫坐標(biāo)，以流量、軸功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）、效率為縱坐標(biāo)繪制泵特性曲線。
表1 改變化工泵出口壓力的特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(data)
測 試 值 計(jì) 算 值 序號(hào) 出口壓 力po／ MPa 吸入口 壓力pi／ MPa 實(shí)際流 量Qp／ m3．d－1 泵軸力 矩Ma／ N．m 泵軸轉(zhuǎn) 速n／ r．min－1 軸功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 體積效 率ηv／ % 機(jī)械效 率ηm／ % 泵效 率η／ ％ 1 0.1 0.076 101.05 86.36 251 2.27 0.028 97.26 1.27 1.23 2 2.0 0.076 100.20 128.79 250 3.37 2.230 96.81 68.39 66.20 3 2.2 0.078 100.15 136.82 250 3.58 2.460 96.76 71.01 68.80 4 3.2 0.079 99.20 184.97 250 4.84 3.580 95.85 77.25 74.02 5 3.8 0.079 98.81 213.63 250 5.59 4.260 95.47 79.74 76.26 6 5.3 0.082 94.00 288.15 249 7.51 5.680 91.17 82.91 75.63 7 7.2 0.086 86.50 379.04 245 9.72 7.120 85.29 85.91 73.25 8 8.4 0.096 76.20 424.49 237 10.53 7.320 77.67 89.55 69.53
表2 改變化工泵吸入口真空度的特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
測 試 值 計(jì) 算 值 序 號(hào) 出口壓 力po／ MPa 吸入口 真空度 phs／MPa 實(shí)際流 量Qp／ m3．d－1 泵軸力 矩Ma／ N．m 泵軸轉(zhuǎn) 速n／ r．min－1 軸功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 體積效 率ηv／ % 機(jī)械效 率ηm／ % 泵效 率η／ ％ 1 7.00 0.0493 87.70 363.13 246 9.35 7.06 86.12 87.62 75.51 2 6.80 0.0293 86.00 362.82 247 9.38 6.74 84.41 85.08 71.86 3 6.50 0.0157 84.70 355.48 247 9.19 6.36 82.84 83.50 69.21 4 5.50 0.0092 72.10 298.85 250 7.82 4.58 69.67 84.10 58.56 5 4.40 0.0079 63.60 262.55 250 6.87 3.23 61.46 76.58 47.02 6 1.60 0.0039 31.30 134.52 250 3.52 0.58 30.24 54.31 16.48
2 試驗(yàn)分析(Analyse)
a) 化工泵理論流量、泵效率、體積效率和機(jī)械效率分別采用以下各式計(jì)算：
η=103ΔpQp/(1.44Ma.n)
Qt=1440×4eDTn
ηv=Qp/Qt
ηm=103QtΔp/(1.44Ma.n)
式中，Qt為泵理論流量，m3/d;η為泵效率;ηv為泵體積效率;ηm為泵機(jī)械效率;Qp為泵實(shí)際流量，m3/d;Δp為泵出口與吸入口壓差，MPa;D為螺桿斷面直徑，m;T為襯套導(dǎo)程，m;Ma為泵軸力矩，N.m;n為泵軸轉(zhuǎn)速，r.min-1;e為螺桿偏心距，m。
依據(jù)(yī jù)以上各式及表1、表2測試數(shù)據(jù)(data)，計(jì)算泵在不同工況下的泵軸功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）、有效功率、泵效率、體積效率及機(jī)械效率。其計(jì)算值亦列于表1、表2中。
b) 由表1可以看出，隨著泵出口壓力的增加，泵的流量逐漸減小，泵效率變化呈拋物線形，有一最高效率點(diǎn)。泵體積效率呈遞減趨勢，機(jī)械效率呈遞增趨勢，這說明隨出口壓力的增加，螺桿與襯套之間的間隙加大，螺桿在襯套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力矩減小，導(dǎo)致(cause)機(jī)械效率增加;同時(shí)，高壓液體沿螺桿-襯套副密封線的竄流現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致泵體積效率的降低。由表1數(shù)據(jù)還可以看出，出口壓力在3.2～8.4MPa范圍(fàn wéi)內(nèi)變化時(shí)，效率最大差值為6.73%。參考離心泵的高效工作范圍，也可以認(rèn)為該范圍即屬于螺桿泵高效工作范圍。當(dāng)然，具體的高效工作范圍應(yīng)視具體的泵而定。
c) 關(guān)小吸入口閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)相當(dāng)于人為降低泵的充滿度，這必將導(dǎo)致(cause)泵流量減小、泵吸入口真空度增加，這一點(diǎn)亦被試驗(yàn)所證實(shí)。由表2可以看出，隨著泵吸入口真空度的增加，泵的流量、軸功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）、效率、體積效率和機(jī)械效率均呈下降趨勢。但當(dāng)吸入口真空度在0.1～0.015MPa之間變化時(shí)，以上各參數(shù)均呈下降趨勢，但下降幅度較小。這說明，一定范圍(fàn wéi)內(nèi)吸入口真空度的變化對(duì)泵特性影響(influence)較小;而一旦超出該范圍，則各參數(shù)呈直線下降趨勢，泵的工作狀況大大惡化。因此，當(dāng)泵吸入口真空度大于某一規(guī)定(guī dìng)的值時(shí)，雖然泵的特性參數(shù)能得以大幅度提高，但由于泵機(jī)械效率、體積效率及總效率大大降低，因此應(yīng)禁止泵在此工況下長期工作。
3 結(jié)論
1) 無論改變泵出口管線結(jié)構(gòu)還是改變泵吸入口管線結(jié)構(gòu)，都會(huì)對(duì)化工泵的特性產(chǎn)生一定程度的影響(influence)。
2) 改變泵排出口閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)開啟度，在一定范圍(fàn wéi)內(nèi)達(dá)到改變泵特性參數(shù)的目的，而且泵具有較高的效率。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。
3) 改變化工泵吸入口閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)開啟度，當(dāng)吸入口真空度較小時(shí)，泵特性參數(shù)變化不大，而當(dāng)吸入口真空度較大時(shí)，泵的工作狀況急劇惡化。因此，這種方法不宜作為化工泵調(diào)整參數(shù)的手段。