高能效泵：重要的安全问题

作者：Dr Edward Grist

欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 当入口管道受压过大，或者高能泵的转子卡死，都可能会导致严重故障。这两种异常状况都可能是因为低流量保护未能迅速起效而造成的。Edward Grist博士通过本文向读者说明，管道布局、泵的设计，以及泄流系统的设计都对故障风险有着非常大的影响。 通过提供一个合适的低流量保护系统，能够轻松地使流速维持在最小必需流速之上，从而保护离心泵在正常工作期间不受损伤或性能不受影 响。在20世纪早期，人们认为，放泄阀足以防止“过热”，故利用从放泄阀流出的少量旁流来实现低流量保护。但是当这些系统中的阀门未能打开时，泵往往会卡住。 在1970年，只有极少数的泵属于“高能效”泵。那时，最大型、功率最大的泵主要用于发电站给水或者深矿井的排水。这些泵通常由转速小于3600rpm、功率低于2MW的电动机直接驱动。当流量为零时，它们的5个或更多的叶轮级间聚积了大量的搅拌液态物质。这样就留出了充足的时间来响应低流量保护的迟滞工作，但是，同样地，如果低流量保护未能起作用，那么通常会使泵咬死。 高能效泵的定义是那些具有100 kW/kg 或更高“Pipichum”值的泵，其中： “Pipichum”值=泵的输入功率/搅拌液重量=流量为0时的功率（kW）/泵内流通液体的重量（kg）。 当发电站引入工作转速高达7500rpm，只有两级或者三级叶轮，驱动电机功率高达20MW的泵之后，系统对低流量保护失效的响应时间显著缩短。之前的那些泵仅要求低流量保护要求在15s甚至更久的时间内起效，而这些泵则要求在一秒钟之内起作用。在这么短的时间内，操作员无法干预泵的工作，也不可能消除驱动器的能量。 这时出现了一个重要的安全问题。当由于低流量保护起效太慢或者完全失效而导致故障时，就会带来使泵的内部元件严重受损的风险。工作记录表明，对于那些无法在气锁状态下运转的泵，如果那些构成其定子与转子之间内部液压间隙的元件受损，就需要进行成本高昂的维修。能够在气锁状态下运转的泵避免了这类故障。但是，所有高能泵，特别是那些具有气锁功能的高能泵有可能产生非常高的入口管道压力。泵组与管道设计的某些特定结合，显著增大了这种情况的可能性，从而导致压力安全壳失效，这是一种不可接受的灾难性故障。 在非常低或者零流量的状态下，会有大量蒸汽几乎在瞬间形成。并且还往往伴随着猛烈的气穴冲击，其振动频率通常在3Hz。显然，只有在充分了解低流量保护故障并且妥善处理它的前提下，才能真正获得高能泵技术带来的重大好处。 气锁现象 在高能泵中，无法完全避免气锁运转。造成气锁运转的主要原因是低流量保护系统不能及时起效工作。记录表明，这是一种非常少见的情况。但是，它的确会发生。 当液流流过泵的流量非常低时，由叶轮内部及周围的搅拌物质所产生的热量逐渐积聚。这时出现一种瞬变状态，在该状态下，气穴现象逐步形成并且范围越来越大。最后，叶轮发生气锁。在多级泵中，蒸汽量持续增多，直到入口叶轮建立起的扬程衰竭。这立即导致后续各级叶轮扬程依次衰竭，泵发生气锁。 针对气锁运转而设计的泵能够正常工作，其叶轮可以在蒸汽中旋转。它发出的噪声变成了“轻微的、不扰人的、像汽笛声一样的音符声”。搅拌低密度流体所需的功率当然也显著减小。因此，工况变得相对良好，虽然泵内的温度仍然不断上升，但是其升温速度减慢了许多。理论上来说，这种状态会一直持续下去，直到泵内部的功率损耗与散发到泵外部环境的热损耗两者达到平衡为止。但是，在实践中，早在这种平衡出现之前，泵的工作性能就会变差，因为制造泵的材料开始膨胀变形。这样会导致内部运转间隙发生改变；轴的对中超出规定的极限；有时，还会导致泵的压力安全壳变形。 现在，有一些设计可以确保泵维持数分钟的气锁状态而无恙。经过实地工作试验证明，这些设计使泵有足够的时间停止转动而免受损伤。在这些最极端的工作条件下，及时采取措施意味着泵在任何时候都能够安全停机。 受限制的入口管道回流 泵入口之前的管道布局对潜在后果的严重程度影响很大。通过像止回阀等这些限制流体经过入口倒流的系统，能够将泵内以及与泵相连的管道内的流体收集起来（图1）。当排放管道关闭（例如在泵起动或者停机期间），以及低流量保护未能发挥作用时，通常会出现以上情况。所收集的流体受热后使得压力极其迅速地升高，尤其是在所收集液量较少的设计中。在这种情况下，压力只可能通过轴密封件等渗漏途径有少量的释放。此处所提及的大多数被泵送流体，以及脱气水，几乎都是不可压缩的。图1显示了限制逆流的典型管道布局。图2显示，在小于1秒的时间之内即可达到非常高的压力。 在加热已收集流体期间出现的情况相当复杂。一方面，出现气穴现象的可能性随着温度的升高而不断变化；另一方面，由于被收集流体体积受到压缩造成自增压，这二者之间的平衡关系相当复杂，一旦叶轮发生气锁，产生蒸汽的动力减小，将会使这种平衡关系变得更复杂。 观察发现高能泵中存着在气穴冲击。对于以低流速工作的发电站给水泵，这种冲击的危害非常大。安装在工作台上的泵和重约50t的机械以3Hz的频率振动。 气穴冲击的特点在于入口叶轮的动量变化大。这导致轴向推力的大小也产生相应的动态响应。对于装有外部推力轴承的泵，能够测量其轴向载荷的变化，这提供了一种检测是否存在湍流现象并及时采取纠正措施的方法。 随着气穴在泵叶轮的入口中产生并扩大，有可能发生下述情况，即，在达到气锁状态之前，已收集液量的压力值变得非常大，能够顶开排放止回阀，如图2所示（也就是说，它大于该阀门下游的压力）。过去，人们在设计入口管道时很少考虑到这种可能性。显然，如果实际应用中所达到的压力超过了泵或者管道系统的压力承受能力，那么就会导致灾难性的故障。 查阅相关文献资料，尚未发现因为高能泵中的低流量保护系统失效而导致入口管道故障的记载。但是，本文作者曾经在一台给水泵的入口管道发生故障后立即亲临现场，发现它完全是由另一项原因引起的。该入口管道故障的结果如图3所示。当高温水溢出时，所释放的巨大力使钢制入口管道扭曲变形。当时的场景令人永生难忘。 当泵送的流体是热给水时，会由于溢出的蒸汽/热水混合物的膨胀，使得管道发生故障的同时伴随着巨大的爆炸。如果有人不幸正在附近，那么其结果将是致命的。为了计算达到的最大压力，需要下述知识： (i) 泵送流体初始时的功率输入； (ii) 转为泵送蒸汽时的蒸汽量； (iii) 泵送蒸汽时的功率输入； (iv) 关闭电源的时间。 即使获得了所有的这些数据，也没有一种普遍适用的方法来计算入口管道增压的程度。由于被泵送流体的不同特性，以及入口管道的结构配置，使得计算结果大相径庭，此外，最重要的一个原因是，无法针对特定的叶轮计算出在气锁现象出现后，原来迅速增大的气穴量在立即显著地减小时的具体的量。 不受限制的入口管道回流 不限制逆流的典型管道布局如图4所示。 如果泵的设计没有考虑在气锁状态下运转的情况，那么这种泵的定子和转子往往会接触在一起，从而严重损害其内部液压间隙。如果泵不停转，那么它过一会儿就可能卡住。如果在一开始流体流过泵的流量为零（例如当低流量保护未能发挥作用时），那么通常在一秒之内就会发生气锁。 有些泵的设计未考虑泵是否能够承受这种状态，对于这些泵而言，缺乏可靠的方法来解决造成气锁的全部因素。切合实际的办法是接受存在的故障风险，考虑有哪些可行的措施能够减小其影响。这些措施包括，当发现转子/定子出现不允许的接触之后，立即停止泵的运转；以及采取适合特定的泵安装形式的“最佳实践”低流量保护措施，以尽量减少气锁发生的次数。 图5显示了气锁对一台泵的叶轮和级间间隙所造成的损害，该泵在设计时未考虑在气锁状态下的运转情况。 低流量保护系统 低流量保护系统必须确保在所有常规连续工作的情况下，实际流量从不低于泄流额定流量。对于所有其他情况（起动、停机和故障期间），低流量保护系统的工作方式必须能够最好地保护设备，防止其发生气锁问题。 在常规工作中，对放泄阀有以下几点要求： (i)能在阀座两侧呈巨大压差的情况下，长期保持闭合状态； (ii)非常迅速地开启； (iii)如果在实际应用中，被泵送流体的温度与阀门之后的流体温度相差极大，则阀门需承受频繁、严重的热冲击； (iv) 当执行机构失去动力时，转为开启状态； (v)能够提供即时保护，在控制和触发逻辑中没有任何浪费时间的行为。 对于高能泵，在其工作寿命期内的某个时刻都可能发生气锁。该问题出现的风险无法被消除。在热流体应用中，当阀门承受迅速的温度变化时，它可能在关键时刻无法及时采取动作。但是，通过谨慎选择硬件设计和操作方法，能够大大地减少诸如此类导致气锁的原因。 放泄阀 对于放泄阀而言，需要知道两个参数，一个是为了使过热的流体迅速流过泵叶轮，防止气锁形成所需的最低流速；另一个是为了避免设备故障而要求放泄阀达到该流速的最小开启时间。在工业应用中，这些参数数值通常由工业极限值来确定。实用主义的观点认为，可以利用满足工业应用要求的阀门和执行机构的性能参数来定义极限值，以保护高能泵。 放泄阀的工作流量定义是 ：为了在所有常规泵的工作条件下提供保护，防止气穴冲击和气蚀损害而必需的流量。但是，在定量表示防止气锁所需的最低流量的过程中，出现了一个问题。 过去的经验表明，最低流量是最佳效率流量的5%。选择在两秒钟之内达到该流速确立了工业上可达到的设计界限，利于进行风险评估。显而易见，不能在气锁状态下运转的泵并不可行。我们可以去探究特定设计对于降低这些阈值来获得更好的泵和/或放泄阀性能的敏感程度。这种实践方法得到了一种可以用公式表达的试验，它能够验证当放泄阀接收到开启命令后，能否迅速达到该流速。应当在泵交付使用时进行该项试验，并且在泵的工作寿命期内多次重复该试验。 有一些工业上可行的阀门设计确实能够在两秒钟之内提供保护，防止出现气锁。经观察发现，带有气动执行机构的平行滑阀能够轻松实现该功能。 设计选项 泵的设计：平衡回流 许多高能泵具有内部液压轴向推力平衡装置——通常是一个平衡盘或者平衡鼓。这样的内部装置允许少量已经流向泵排放口的泵送流体倒流至泵入口前端的管道内。由于泵送过程效率低，造成流经泵的所有流体变热，因此，在排放口处的流体温度升高了2℃。如果这些流体返回入口处，并且未能和进入系统的新流体充分混合，那么将会增大产生水蒸汽的可能性。 如果回流液体被充分引向泵的上游（但是，是在隔离阀内），最好能超过弯管但又仍处于和弯管同一平面，这样，流体就能够充分混合，不会再存在上述问题了。图6所示的例子是一根非常靠近泵入口的平衡回流管。 双放泄阀 两个完全相同的放泄阀相继工作，这种方法能够在泵停止或者开始运转时逐步改变泄流流速。当一个阀门发生故障时，还有冗余备份的阀门可用。过去我曾推荐过串联工作（sequential operation）的方法。但是现在讨论的并非这种情况。它不符合故障条件的要求。在故障条件下，应优先提供迅速响应的备份保护。在使用双阀门的情况下，它们始终应该同时工作。 放泄阀动作 由于断电而导致电动阀不能运作的这种情况是可能存在的。如果放泄阀出现故障，它必须始终处在开启位置——即本来的安全位置。应该考虑气动执行机构，它使得阀门能够迅速运动到“开启”位置。实践证明，当这种形式与平行滑动阀联合应用时，便形成了一种迅速有效的方法，能够满足严苛的要求。 放泄阀调整 当应用于低流量保护系统时，调制（modulation），意味着调节放泄阀的开启速率。所以，可以使用该功能来调节流过阀门和泵排放支路的总流量，使二者达到平衡。它的前提是假定已知流量开始下降那一时刻的流量值，以及打开阀门的时间（包括清空阀座的时间）。经验表明，调制并非总是执行这样的操作。观察发现，它会导致波动，在不恰当的时机关闭阀门就是一种可能性。泵不需要调制，这样做反而会增大复杂性，应该尽量避免。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/14/2012)