Цзянсу Хайфа Машиностроение Лтд.

На химическом производстве мы часто сталкиваемся с ситуацией: насос еще работает, температура подшипников не слишком высока, механическое уплотнение не имеет явных утечек, но ток двигателя завышен, давление на выходе нестабильно, вибрация повышена, а фактическая производительность не соответствует первоначальным требованиям. Пользователь обычно говорит: «Этот насос проработал много лет, можно ли не менять его целиком, а только повысить КПД?» Я — технический специалист компании Jiangsu Haifa Machinery Manufacturing Co., Ltd., которая долгое время занимается продукцией, такой как химические процессные насосы API610, нефтехимические процессные насосы OH2, высоконапорные насосы серии BB, вертикальные насосы серии VS, насосы для расплава мочевины, питательные насосы гидролизеров мочевины, насосы с малым расходом и высоким напором, насосы с трубкой Пито, струйные насосы. При модернизации старых насосов для энергосбережения мы не сразу предлагаем пользователю заменить насос на новый. Корпуса многих старых насосов, корпуса подшипников, основания, двигатели и трубопроводы все еще можно использовать. Настоящее влияние на КПД часто оказывают гидравлика рабочего колеса, проточная часть улитки, зазоры в уплотнительных кольцах, внутренняя рециркуляция насоса, кавитация и отклонение рабочего режима от расчетной точки. В последние годы мы все больше внимания уделяем технологии CFD-моделирования при модернизации старых насосов. нужен не для создания красивых картинок линий тока, а для того, чтобы увидеть реальные проблемы течения внутри насоса. То, что раньше определялось на основе опыта, теперь можно анализировать с помощью данных о скорости потока, распределении давления, зонах вихрей, угле атаки на входе рабочего колеса, потоке на выходе лопаток, ударе о язык улитки, риске кавитации Проект модернизации, выполненный таким образом, — это не просто ремонт, а гидравлическая оптимизация, основанная на расчетах.

I. Почему снижается КПД старых насосов

Снижение КПД старых насосов обычно не вызвано одной причиной. При проведении полевых обмеров мы часто сталкиваемся со следующими проблемами. Во-первых, длительная работа насоса вне зоны высокого КПД. После расширения производства, модернизации или изменения трубопроводов на многих химических установках насосы больше не работают вблизи точки оптимального КПД. Некоторые насосы долгое время работают с малым расходом, клапан на выходе открыт незначительно, наблюдается явная внутренняя рециркуляция; другие насосы долгое время работают с превышением расхода, что приводит к увеличению мощности на валу, недостаточному кавитационному запасу, повышению вибрации и шума. Во-вторых, износ или коррозия рабо колеса. Утонение входных кромок лопаток, износ выходных кромок, эрозия дисков рабочего колеса — все это влияет на напор и КПД насоса. Особенно при работе со средами, содержащими мелкие частицы, слабоагрессивными или высокотемпературными, после нескольких лет эксплуатации профиль рабочего колеса уже не соответствует первоначальному проекту. В-третьих, увеличение зазоров в уплотнительных кольцах. При увеличении зазоров жидкость высокого давления перетекает со стороны нагнетания обратно на сторону всасывания, увеличивая объемные потери насоса. Внешне насос работает, но часть энергии тратится на внутреннюю циркуляцию. В-четвертых, локальная эрозия или образование отложений в корпусе насоса и проточной части улитки. разборке некоторых старых насосов в проточной части улиткиваются коррозионные раковины, отложения, следы сварки, что нарушает плавность течения жидкости, увеличивает локальные вихри и, естественно, снижает КПД. Впятых, несоответствие двигателя и насоса. В некоторых случаях двигатель или рабочее колесо заменялись без пересчета расхода, напора и мощности, что приводит к работе «большого двигателя на малом насосе» или к отклонению фактической рабочей точки насоса от расчетной. В-шест, игнорирование проблемы кавитации. Кавитация не всегда сразу проявляется в виде серьезных повреждений; иногда это лишь легкий шум, вибрация и снижение КПД. Особенно для высокотемпературного конденсата, легких углеводородов, растворителей, жидкого аммиака, криогенных жидкостей и условий всасывания с отрицательным давлением кавитационный запас необходимо пересчитывать. Поэтому наш первый шаг при повышении КПД старого насоса — не сразу рисовать новое рабочее колесо, а выяснить, почему насос неэффективен.

II. Что может дать CFD-моделирование при модернизации старых насосов

Технология CFD-моделирования помогает нам увидеть четыре основные вещи. Во-первых, проверить, плавно ли жидкость поступает на вход рабочего колеса. Если угол атаки на входе рабочего колеса неоптимален, могут возникнуть обратные токи на входе, локальное понижение давления и риск кавитации. После многолетней эксплуатации входные кромки рабочего колеса изнашиваются, или фактический расход изменяется, и поток на входе может отклониться отного. Во-вторых, увидеть, есть ли отрыв потока и вихри в межлопаточных канала. Если угол охвата лопатки, угол выхода лопатки или ширина канала неоптималь, в межлопаточном канале возникает отрыв потока, что приводит к значительным энергетическим потерям. С помощью CFD можно увидеть, в каких зонах слишком высока, а в каких поток застаивается. В-третьих, провть соответствие улитки и выхода рабочего колеса. Низкий КПД многих старых насосов связан не только с рабочим колесом, но и с несоответствием выхода рабочего колеса и проточной части улитки. Слишком высокая скорость на выходе рабочего колеса при входе в улитку вызывает удар о язык, что приводит к пульсациям давления, шуму и вибрации. В-четвертых, оценить изменениеПД при разных расходах. Химические насосы работа не только в одной точке; на реальной установке есть нормальный расход, номинальный расход, минимально устойчивый расход и возможные отклонения от режима. С помощью CFD можно проанализировать несколько точек расхода, чтобы избежать ситуации, когда оптимизируется только одна точка, а другие режимы ухудшаются. Для нас CFD-моделирование — это не замена испытаниям, а способ сделать испытания более целенаправленными. Сначала мы отбираем варианты с помощью моделирования, а затем, в сочетании с обработкой, сборкой, балансировкой и испытаниями характеристик, это позволяет сократить количество проб и ошибок.

III. Повышение КПД старого насоса не сводится только к замене рабочего колеса

Многие пользователи, узнав о низком КПД старого насоса, спрашивают: «Достаточно ли заменить рабочее колесо на более эффективное?» Это верно лишь наполовину. Рабочее колесо, безусловно, важно, но насос — это единая система. Рабочее колесо, корпус насоса, уплотнительныеольца, крышка насоса,мера уплотнения, корпус подшипников, всасывающий и напорный трубопроводы, частота вращения двигателя, плотность и вязкость среды — все это влияет на КД. Если заменить только рабочее колесо, не обращая внимания натку и режим работы системы, повышение КПД может быть незначительным и даже может привести к вибрации и кавитации. Обычно мы действуем следующим образом: сначала проверяем условия на месте, уточняем фактический расход, напор, давление на входе и выходе, ток двигателя, температуру, плотность, вязкость среды и давление парообразования. Затем проводим обмер старого насоса, фиксируя наружный диаметр рабочего колеса, его ширину, количество лопаток, углы лопаток, зазоры в уплотнительных кольцах, диаметр вала, размеры проточной части корпуса и положение языка улитки. После этого создаем трехмерную модель рабочего колеса, улитки, всасывающей и напорной камер. Затем выполняем CFD-расчет поля течения, анализируя поля давления и скорости, турбулентные зоны, зоны обратных токов, зоны пониженного давления и гидравлические потери. Наконец, на основе результатов расчета оптимизируем наружный диаметр рабочего колеса, угол выхода лопаток, входную кромку лопаток, ширину канала, зазоры в уплотнительных кольцах и, при необходимости, вносим коррективы в улитку. Если пользователь не допускает серьезных изменений корпуса насоса, мы стараемся оптимизировать рабочее колесо и уплотнительные кольца при сохранении исходных корпуса, основания, двигателя и расположения патрубков. Это снижает стоимость модернизации, сокращает время простоя и легче воспринимается на месте.

IV. Химические процессные насосы API610 больше подходят для системной модернизации

Химические процессные насосы API610 отличаются от обычных водяных насосов. Они предназначены для непрерывной работы на нефтеперерабатывающих, нефтехимических, углехимических, химических (производство удобрений), металлургических, природоохранных предприятиях и в производствах тонкого органического синтеза. Остановка такого насоса часто влияет на всю производственную линию, поэтому надежность должна быть на первом месте, и повышение КПД не должноться за счет безопасности. Компания Jiangsu Haifa Machinery Manufacturing Co., Ltd. в основном производит химические процессные насосы серии HES типов API610-OH1/OH2/OH3, BB1～BB5, VS1～VS6, а также высококачественные насосы для расплава мочевины из сверхнизкоуглеродистой нержавеющей стали шестого поколения, питательные насосы гидролизеров мочевины, насосы с малым расходом и высоким напором (с трубкой Пито), струйные насосы. При проведении модернизации для повышения КПД мы применяем конструктивные принципы API610, уделяя особое внимание ресурсу подшипников, устойчивости ротора, кавитационному запасу, давлению в камере уплотнения, тепловому расширению, коррозии материалов и возможности обслуживания на месте. Например, наш струйный насос HXP (насос с трубкой Пито) имеет следующие открытые параметры: расход 1～40 м³/ч, напор 80～1800 м, рабочая температура от -40 до 150°C, расчетное давление до 26 МПа. Он подходит для режимов с малым расходом, высоким напором и высоким давлением. Для таких насосов с очень низкой удельной частотой вращения гидравлический КПД и внутренние потери потока критически важны, и полагаться только на опыт для точной оценки каждой детали сложно, здесь CFD-моделирование играет важную роль. Другой пример — наш высококачественный насос для расплава мочевины HES(U) из сверхнизкоуглеродистой нержавеющей стали с открытыми параметрами: расход 2～2600 м³/ч, напор до 300 м, рабочая температура от -80 до 450°C, расчетное давление 2.5～26 МПа. Для таких сред с высокой температурой, высоким давлением и склонностью к кристаллизации повышение КПД насоса не может основываться только на гидравлике; необходимо также учитывать материалы, теплоизоляцию, предотвращение кристаллизации, осевые силы, систему уплотнений и долгосрочную стабильность работы. Таким образом, повышение КПД старого насоса — это не просто экономия электроэнергии; это, по сути, комплексное перепроектирование с учетом гидравлики, механики, материалов и условий эксплуатации.

V. За счет чего обычно можно повысить КПД старого насоса с помощью CFD-оптимизации

Во-первых, оптимизация входа рабочего колеса.удачная конструкция входа рабочего колеса приводит к ударным потерям и обратным токам. Регулировка угла входа лопаток, формы входной кромки и проточной части переднего диска рабочего колеса позволяет уменьшить потери на входе и улучшить всасывающую способность. Во-вторых, оптимизация выхода лопаток. Угол выхода лопаток влияет на напор, мощность и КПД. Слишком большой угол выхода может привести к росту мощности; слишком маленький — к недостаточному напору. С помощью CFD можно найти оптимальный угол выхода для конкретных условий эксплуатации. В-третьих, оптимизация ширины проточного канала рабочего колеса. У некоторых старых насосов фактический расход изменился, и исходная ширина канала больше не подходит. Соответствующая корректировка ширины канала позволяет уменьшить внутренние потери на трение и потери от вторичных течений. В-четвертых, коррекция наружного диаметра рабочего колеса. На многих объектах для снижения напора обтачивают рабочее колесо, но чрезмерная обточка снижает КПД. Если переопределить наружный диаметр рабочего колеса с учетом характеристики системы, можно приблизить рабочую точку насоса к зоне высокого КПД. В-пятых, контроль зазоров в уплотнительныхольцах. Слишком большой зазор увеличивает внутренние утечки и снижает КПД. При модернизации старого насоса восстановление оптимальных зазоров часто дает довольно прямой эффект повышения КПД. В-шестых, оптимизация зоны языка улитки. Удар потока между выходом рабочего колеса и языком улитки влияет на пульсации давления и шум. Для старых насосов с повышенной вибрацией анализ зоны языка очень важен. В-седьмых, уменьшение внутренней рециркуляцииоса. При работе с малым расходом на входе и выходе рабочего колеса часто возникают обратные токи. Коррекция рабочего колеса и регулировка рабочей точки улучшить стабильность при малых расходах. В-восьмых, снижение риска кавитации. CFD помогает выявить зоны пониженного давления на входе рабочего колеса. В сочетании с расчетом NPSHa и NPSHr можно определить, нужно ли изменять диаметр входа рабочего колеса, входную кромку лопаток или всасывающую конструкцию.

VI. Передшением КПД старого насоса необходимо собрать следующие параметры

При разработке проекта модернизации старого насоса для пользователя нам обычно требуются следующие данные: модель нас, завод-изготовитель, заводской номер; расчетные расход, напор, частота вращения, мощность двигателя; текущие фактические расход, давление на выходе и входе, ток двигателя; название среды, плотность, вязкость, температура, коррозионная активность, содержание твердых частиц; схема трубопроводов на месте, степень открытия задвижек, состояние фильтров; NPSHa или уровень жидкости на всасывании, давление на входе, давление парообразования среды; наружный диаметр рабочего колеса, зазоры в уплотнительных кольцах, степень износа корпуса насоса; уровень вибрации, шума, температура подшипников, состояние уплотнений; возможность изменения рабочего колеса, уплотнительных колец, частоты вращения, двигателя или трубопроводов. Чем полнее данные, тем ближе граничные условия CFD-моделирования к реальным условиям на месте и тем надежнее будет конечный результат модернизации. Некоторые пользователи предоставляют только фразу «насос имеет низкий КПД». В таких случаях нам трудно сделать однозначный вывод, поскольку низкий КПД может быть вызван проблемами с рабочим колесом