泵送系统的基础知识

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摘要:泵对许多设施的日常运行至关重要。这往往会倾向于保守地确定泵的尺寸,以确保在所有工况下都能满足系统的需求。为了确保泵足够大以满足系统需求,工程师们往往忽视了泵尺寸过大的成本,并通过增加更多的泵容量而在安全方面犯了错误。

前言

泵在工业中被广泛用于提供冷却和润滑、输送流体(进行处理),以及在水力系统中提供动力。事实上,大多数制造厂、商业建筑和市政当局的日常运作都依赖于泵送系统。在制造业,泵占工业系统用电量的27%。在商业领域,泵主要用于供暖、通风和空调(HVAC)系统,为传热提供水。市政当局使用泵进行水和污水的输送和处理以及土地排水。

除了广泛的规格(大小)范围外,泵还有几种不同的类型。通过向流体添加能量的方式进行分类:容积式泵直接挤压流体;离心式泵(也称为“旋转动力泵”)加速流体并将动能转化为压力。在这些分类中有许多不同的子类别。容积式泵包括活塞式、螺杆式、滑动叶片式和旋转叶片式;离心泵包括轴流式、混流式和径向式。许多因素决定了哪种类型的泵适合于某种应用。通常,有几种不同类型的泵满足相同的服务要求。

泵的可靠性很重要,往往是至关重要的。在冷却系统中,泵故障可能导致设备过热和灾难性损坏。在润滑系统中,泵性能不足会损坏设备。在许多石化和发电厂中,泵的停机会导致生产力的重大损失。

泵对许多设施的日常运行至关重要。这往往会倾向于保守地确定泵的尺寸,以确保在所有工况下都能满足系统的需求。为了确保泵足够大以满足系统需求,工程师们往往忽视了泵尺寸过大的成本,并通过增加更多的泵容量而在安全方面犯了错误。不幸的是,这种做法会导致超出必要的系统运行和维护成本。此外,与尺寸合适的泵相比,尺寸过大的泵通常需要更频繁的维护。过多的流动能量会增加系统组件的磨损,导致阀门损坏、管道应力和系统运行噪音过大。

泵送系统组件

典型的泵送系统包含五个基本组件:泵、原动机、管道、阀门和终端设备(例如,热交换器、储罐和液压设备)。

尽管泵有多种类型、尺寸和材料,但它们可以大致分为前面描述的两类 – 容积式泵和离心式泵。这些类别涉及泵向工作流体添加能量的方式。容积式泵通过压缩容积的方式对流体加压,基本上在每次活塞冲程或轴旋转时压缩等于系统排量的流体量。离心泵的工作原理是通过旋转叶轮将动能添加到流体中。当流体在泵的扩散段中减速时,流体的动能转化为压力。

虽然许多应用都可以使用容积式泵和离心泵,但离心泵更常见,因为它们操作简单安全,需要最少的维护,并且具有较长的使用寿命。离心泵通常比容积式泵磨损更小,需要更换的零部件也更少。虽然必须定期更换填料或机械密封,但这些任务通常只需要少量的停机时间。离心泵也可以在广泛的工况下运行。如果采取了预防措施,由于阀门定位不当造成灾难性损坏的风险很低。

离心泵具有可变流量/压力关系。离心泵在高系统压力下产生的流量比在低系统压力下产生的流量少。

离心泵的流量/压力关系由性能曲线描述,该曲线将流量绘制为扬程(压力)的函数。了解这种关系对于正确确定泵的尺寸(大小)和设计高效运行的系统至关重要。

相反,容积式泵具有固定的排量。因此,它们产生的流量与其速度成正比。它们产生的压力由系统对这种流动的阻力决定。容积式泵具有运行优势,这使得它们在某些应用中更实用。这类泵通常更适用于以下情况:

1)工作流体具有很高的粘度

2)该系统要求泵具有高压、低流量的性能

3)泵必须为自启动状态(自吸)

4)工作流体不得承受高剪切力

5)流量必须经过计量或精确控制

6)在非常注重泵效率的场合

缺点是容积式泵通常需要更多的系统保护措施,例如安全阀。容积式泵可能对系统管道和部件造成潜在的过压。例如,如果泵下游的所有阀门都是关闭的 – 这种情况称为死区 – 系统压力将会增加,直到安全阀启动、管道或配件破裂或泵电机失速。尽管安装了安全阀来防止此类损坏,但依赖这些装置会增加风险。此外,安全阀通常通过排放系统流体来释放压力,这对于含有有毒有害或危险流体的系统来说可能是一个问题。

原动机

大多数泵是由电动机驱动的。虽然有些泵是由直流电机驱动的,但交流电机的低成本和高可靠性使其成为最常见的泵原动机类型。近年来,部分由于美国能源部的努力,多种类型的交流电机的效率都有所提高。1992年的《能源政策法案(EPAct)》为大多数常见类型的工业电机设定了最低效率标准,于1997年10月生效。EPAct为工业终端用户提供了更多的节能电机选择和可用性。

此外,美国国家电气制造商协会(NEMA)制定了NEMA PremiumTM能效电机计划,该计划得到了水力学会的认可 – 该计划定义了比EPAct规定的效率水平更高的高效电机。在长运行时间的应用中,提高电机效率可以显著降低运行成本。然而,采用系统方法使用适当的组件尺寸(大小)和有效的维护实践来避免不必要的能源消耗通常更为有效。

泵电机的一个子部件是电机控制器。电机控制器是接收来自低功率电路信号的开关设备,并将大功率电路与电机的主电源连接或断开。在直流电机中,电机控制器还包含一系列开关,这些开关在启动过程中逐渐增加电机电流。

在特殊应用中,如大型机械的应急润滑油泵,一些泵由空气系统驱动或直接由机器轴驱动。在电源故障的情况下,这些泵仍然可以向轴承供油足够长的时间,使机器滑行(惰转至)停止。出于同样的原因,许多消防泵由柴油发动机驱动,使它们能够在停电期间依然运行。

管道

管道用于容纳流体并将其从泵输送到使用点。管道的关键方面是其尺寸、材料类型和成本。由于这三个方面都是相互关联的,因此管道尺寸确定是一个迭代的过程。管道在特定流速下的流动阻力随着管道直径的增大而减小。然而,较大的管道比较小的管道更重,占用更多的空间,成本也更高。同样,在高压下运行的系统(例如,液压系统)中,小直径管道的管壁可能比大直径管道更薄,并且更容易铺设和安装。

然而,小直径的管道限制了流动,这在具有浪涌流动特性的系统中可能特别成问题。较小的管道也在较高的液体速度下运行,增加了侵蚀、磨损和摩擦头。增加的摩擦头会影响泵送所需的能量。

阀门

泵送系统中的流量可以通过阀门来控制。具有不同类型和不同功能的阀门,有些阀门要么关闭,要么打开,而另一些阀门可用于节流。为应用选择正确的阀门取决于许多因素,例如易于维护、可靠性、泄漏倾向、成本以及阀门打开和关闭的频率。

阀门可用于隔离设备或调节流量。隔离阀设计用于密封系统的一部分,用于运行或维护。流量调节阀要么限制通过系统分支的流量(节流阀),要么允许流经分支的流量(旁通阀)。节流阀通过增加或减少流经节流阀的流动阻力来控制流量。相比之下,旁通阀通过增大或减小旁通管路中的流动阻力,使流体绕过系统部件。止回阀只允许流体沿一个方向移动,从而保护设备免受来自错误方向的压力,并有助于保持流体沿正确的方向流动。止回阀用于许多泵的出口处,以防止泵停机时流体倒流。

终端设备(例如,热交换器、储罐和液压设备)

泵送系统的主要目的可以是提供冷却、供应或排放储罐或储液池,或者为机器提供液压动力。因此,终端设备的性质是确定如何配置管道和阀门的关键设计考虑因素。有许多不同类型的终端设备,该设备的流体加压需求和压降变化很大。对于热交换器而言,流量是关键的性能特征;对于液压机械来说,压力是关键的系统需求。泵和泵送系统组件必须根据最终使用流程的需要确定尺寸和配置。

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