化工泵特性试验
2017-12-29 17:37:03
化工泵在油田钻井、采油及输油等方面正得到越来越广泛的应用。化工泵工作时，常常遇到调节泵流量问题(Emerson)。对于这种体积式泵，其流量的调节方法常用的有两种。一是改变转子（rotor）转速;二是改变排出管线或吸入管线结构(通常是改变排出口阀门或吸入口阀门的开启度)。现文主要讨论第2种方法。然而，管线结构的改变除了改变泵的压力、流量外，对泵的能耗、效率将产生多大程度的影响(influence)?改变泵出口阀门开启度与改变泵吸入口阀门开启度对泵特性的影响有何不同?针对这些问题，我们进行了以下2项室内试验。
a) 化工泵流量、泵轴力矩、效率等参数随出口压力变化的特性试验。上海凯泉由于叶轮进口不可能形成绝对真空，因此离心泵吸水高度不能超过10米，加上水流经吸水管路带来的沿程损失，实际允许安装高度（水泵轴线距吸入水面的高度）远小于10米。
b) 化工泵流量、泵轴力矩、效率等参数随吸入口真空度变化的特性试验。
1 试验方法及试验结果
化工泵特性试验的试验台原理图。上海凯泉泵业集团有限公司性能的技术参数有流量、吸程、 扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为 容积水泵、叶片泵等类型。 容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量； 叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有 离心泵、 轴流泵和 混流泵等类型。凯泉泵业开动前，先将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在 叶轮高速旋转而产生的离心力的作用下，叶轮流道里的水被甩向四周，压入蜗壳，叶轮入口形成真空，水池的水在外界大气压力下沿吸水管被吸入补充了这个空间。继而吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳而进入出水管。试验介质为清水、室温。试验用化工泵结构参数如下：螺杆直径φ42mm，衬套导程241mm，螺杆偏心距7.1mm，额定扬程500mm。试验分两种情况(Condition)，一是将吸入口阀门(功能：截止、导流、稳压、分流等)12全部开启，改变排出口阀门7的开启度，同时测试出口压力、流量、泵轴力矩、转速和吸入口真空度这些参数，测试数据(data)如表1;二是将吸入口阀门12全部开启，然后关小排出口阀门7，待出口压力增至7.0MPa，排出口阀门7开启度固定(fixed)不动，再逐渐关小吸入口阀门12，使吸入口真空度不断增加，同时测试泵出口压力、泵轴力矩、泵轴转速及排出流量这些参数，测试数据如表2。分别以泵出口压力和吸入口真空度为横坐标，以流量、轴功率（指物体在单位时间内所做的功的多少）、效率为纵坐标绘制泵特性曲线。
表1 改变化工泵出口压力的特性试验数据(data)
测 试 值 计 算 值 序号 出口压 力po／ MPa 吸入口 压力pi／ MPa 实际流 量Qp／ m3．d－1 泵轴力 矩Ma／ N．m 泵轴转 速n／ r．min－1 轴功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 体积效 率ηv／ % 机械效 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 改变化工泵吸入口真空度的特性试验数据
测 试 值 计 算 值 序 号 出口压 力po／ MPa 吸入口 真空度 phs／MPa 实际流 量Qp／ m3．d－1 泵轴力 矩Ma／ N．m 泵轴转 速n／ r．min－1 轴功 率Pa／ kW 有效功 率Pf／ kW 体积效 率ηv／ % 机械效 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 试验分析(Analyse)
a) 化工泵理论流量、泵效率、体积效率和机械效率分别采用以下各式计算：
η=103ΔpQp/(1.44Ma.n)
Qt=1440×4eDTn
ηv=Qp/Qt
ηm=103QtΔp/(1.44Ma.n)
式中，Qt为泵理论流量，m3/d;η为泵效率;ηv为泵体积效率;ηm为泵机械效率;Qp为泵实际流量，m3/d;Δp为泵出口与吸入口压差，MPa;D为螺杆断面直径，m;T为衬套导程，m;Ma为泵轴力矩，N.m;n为泵轴转速，r.min-1;e为螺杆偏心距，m。
依据(yī jù)以上各式及表1、表2测试数据(data)，计算泵在不同工况下的泵轴功率（指物体在单位时间内所做的功的多少）、有效功率、泵效率、体积效率及机械效率。其计算值亦列于表1、表2中。
b) 由表1可以看出，随着泵出口压力的增加，泵的流量逐渐减小，泵效率变化呈抛物线形，有一最高效率点。泵体积效率呈递减趋势，机械效率呈递增趋势，这说明随出口压力的增加，螺杆与衬套之间的间隙加大，螺杆在衬套内转动时的摩擦阻力矩减小，导致(cause)机械效率增加;同时，高压液体沿螺杆-衬套副密封线的窜流现象加剧，导致泵体积效率的降低。由表1数据还可以看出，出口压力在3.2～8.4MPa范围(fàn wéi)内变化时，效率最大差值为6.73%。参考离心泵的高效工作范围，也可以认为该范围即属于螺杆泵高效工作范围。当然，具体的高效工作范围应视具体的泵而定。
c) 关小吸入口阀门(功能：截止、导流、稳压、分流等)相当于人为降低泵的充满度，这必将导致(cause)泵流量减小、泵吸入口真空度增加，这一点亦被试验所证实。由表2可以看出，随着泵吸入口真空度的增加，泵的流量、轴功率（指物体在单位时间内所做的功的多少）、效率、体积效率和机械效率均呈下降趋势。但当吸入口真空度在0.1～0.015MPa之间变化时，以上各参数均呈下降趋势，但下降幅度较小。这说明，一定范围(fàn wéi)内吸入口真空度的变化对泵特性影响(influence)较小;而一旦超出该范围，则各参数呈直线下降趋势，泵的工作状况大大恶化。因此，当泵吸入口真空度大于某一规定(guī dìng)的值时，虽然泵的特性参数能得以大幅度提高，但由于泵机械效率、体积效率及总效率大大降低，因此应禁止泵在此工况下长期工作。
3 结论
1) 无论改变泵出口管线结构还是改变泵吸入口管线结构，都会对化工泵的特性产生一定程度的影响(influence)。
2) 改变泵排出口阀门(功能：截止、导流、稳压、分流等)开启度，在一定范围(fàn wéi)内达到改变泵特性参数的目的，而且泵具有较高的效率。凯泉泵业由此可见，若离心泵叶轮不断旋转，则可连续吸水、压水，水便可源源不断地从低处扬到高处或远方。综上所述，离心泵是由于在叶轮的高速旋转所产生的离心力的作用下，将水提向高处的。
3) 改变化工泵吸入口阀门(功能：截止、导流、稳压、分流等)开启度，当吸入口真空度较小时，泵特性参数变化不大，而当吸入口真空度较大时，泵的工作状况急剧恶化。因此，这种方法不宜作为化工泵调整参数的手段。