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泵系统基础：新入职的行业专业人员应该知道的基本知识泵系统基础：新入职的行业专业人员应该知道的基本知识前言 与大多数工业和制造业一样，泵送和流体处理行业也面临着劳动力挑战。这包括吸引年轻专业人员进入制造业、建筑业和市政行业的挑战。这些行业拥有经验丰富的劳动力，他们正在走向退休，并带走了多年的行业知识。 图1：容积泵和旋转动力泵之间的一般性能差异（图片由HI提供） 这一挑战要求该行业传达流体处理对日常生活的重要性，以及职业生涯如何提供在安全行业中工作的机会，同时通过提供设备和服务来影响社会，这些设备和服务是我们所享受的许多不可或缺的一部分。 这不是一项小任务，这只是第一步。一旦吸引到新的人才，公司就会面临着一项艰巨的任务，那就是对员工进行流程、产品或提供服务方面的教育和培训。然而，首先，必须涵盖基本面。本文首先探讨了贯穿流体处理行业的基本知识（主题），同时了解了不同职位所需的不同细节和知识水平。最终目标是设计和构建符合其预期目的的可靠且高效的系统。为了实现这一目标，制造商、系统设计者、施工承包商和业主必须对本文中列出的主题有一个共同和基本的理解。 泵系统 了解泵系统的类型及其需求非常重要，因为它定义了水力需求和泵送设备的设计。系统可以对大气压力开放或不开放、摩擦或静压头占主导地位、具有可变或恒定的需求、清洁的或含有固体，可以是水基的或具有一些其它物理特性。这些基本考虑因素对泵系统的设计、安装、控制和泵的选择都很重要 泵的类型、设计及应用基础 泵有多种形状和规格，以满足所有不同的系统和流体需求。了解这些技术的共性和差异是很重要的。 最基本的划分是旋转动力式与容积式。旋转动力泵有一个在壳体/收集器中旋转的叶轮/螺旋桨/转子。容积式泵可以是旋转型，其具有啮合部件（例如齿轮和螺杆）；也可以是往复式，其具有活塞、柱塞或隔膜以排出液体。旋转动力泵增加了液体从叶轮入口到出口的速度，容积式泵在泵轴的每一次旋转中捕获并移动一定体积的液体。这种技术差异导致旋转动力泵在与转速相关的最大压力下运行，而容积式泵在几乎任何压力下运行以输送液体（见图1）。 图2：旋转动力泵工作点取决于泵曲线（蓝色）和系统曲线（红色）。如果任何一条曲线出现变化，工作点都会移动 需要理解这一基本差异，因为它将影响最适合的应用。除了这种广泛的技术差异之外，在设计、方向和安装方面还有无数的变化，以满足特定的市场和应用需求。对设计变化、设计变化的优点和局限性以及一般应用注意事项的基本理解，对所有人来说都很重要。 入口压力和液体蒸汽压力 根据液体密度，扬程和压力有一个已知的关系。对于标准密度下的水，每平方英寸1磅（psi）的压力相当于2.31英尺（ft）。为了使泵系统按设计运行，必须向泵入口提供一定量的扬程（压力）。如果没有，压力可能会降至液体蒸汽压力以下，并在泵内汽化。 如果足够严重，这可能导致泵性能下降和零部件过早失效。制造商对泵进行测试，并公布一个称为必须汽蚀余量（NPSHR）的术语，泵系统必须具有装置汽蚀余量（NPSHA），并在NPSHR之间有一些推荐的NPSH安全裕量。 扬程、流量和功耗（泵曲线） 对于刚进入该行业的新人来说，“Head（扬程）”一词可能并不为人所熟知。泵的性能通常是通过在水试的基础上绘制的泵总扬程作为流量的函数来表示的。旋转动力泵的流量范围通常很宽，其与扬程成反比（较低流量时具有较高的扬程，较高流量时具有较低的扬程）。但容积泵作为扬程的函数具有较窄的流量范围（见图1）。扬程绘制在旋转动力泵曲线上，而不是压力，因为它不取决于流体特性。 总扬程、流量、液体密度和泵送设备效率将决定系统功耗。由于测试通常是在水中进行的，因此对液体粘度如何改变泵的性能有一个大致的了解是很重要的。对于旋转动力泵，粘度会降低流量、扬程和效率，但对于容积泵，则不存在这种关系，并且在一定程度上可以提高效率。 泵和系统相互作用 泵系统也有曲线。系统扬程作为流量的函数（系统曲线），将决定泵的水力选择以及实际系统运行流量和扬程（见图2）。这意味着，设计为在100英尺扬程下以每分钟100加仑（gpm）的流量运行的泵，只有当系统扬程曲线也在100 gpm 流量下也是100 ft时，才能在该点运行。 在图2中潜在的新系统中，如果泵曲线或系统曲线发生变化，运行点可以向任何方向移动。了解系统扬程曲线及其变化可能是正确选择、控制和运行泵所需了解的最重要项目。 图3：固定在基础上（灌浆共用底座）带有联轴器和驱动电机的旋转动力泵 可变系统运行 大多数泵系统将有可变的运行工况，泵和控制将需要考虑： 1）开/关运行（启动/停机） 2）节流流量（通过出口阀节流运行，增加泵的压力） 3）在进入系统前旁通流量 4）不同的泵转速 5）并联或串联运行多台泵 了解系统需求以及系统变量如何相互依存，可以实现可靠高效的运行。 泵配件 最初，当我们想到泵时，它可能只是输送液体的设备，但设计师和所有者应该了解许多其它重要部件。泵通常包括： 1）静密封和动密封 2）轴承和衬套 3）传动系统部件（如联轴器和齿轮） 4）底座 5）驱动器（如电动机和发动机） 6）变速驱动器 7）仪器仪表 在设计和应用中需要考虑所有的部件。如果任何部件的设计、安装、运行或维护不当，整个系统都可能出现故障。 泵的选择 泵的选择取决于本文中列出的所有内容。它需要考虑系统曲线、系统可变性和运行范围、设计流量和扬程、NPSHA、流体特性、改变系统运行的方法以及其它市场/应用的特定需求。泵的选择通常是一个权衡的考虑，但驱动因素应该是最低的生命周期成本。能源消耗和维护成本往往是生命周期成本中最大的组成部分，应给予适当的考虑。 安装、调试和维护 泵由许多单独的部件组成。了解所有部件的安装要求以及它们如何影响可靠和高效的运行非常重要（见图3）。例如，如果入口管道或入口的设计不能为泵的进口提供均匀的流动，则性能、效率和可靠性将无法达到预期。由于部件或泵本身的安装存在很多不确定的因素，可靠性可能会受到影响。 需要考虑和了解的一些因素包括泵接管载荷、对中、基础完整性、锚固件和螺栓连接、密封和轴承的支撑系统以及润滑。安装后，遵循正确的启动程序并验证支撑系统和泵系统的运行情况非常重要。这可能包括改变系统运行和运行的泵的数量，以及记录流量、压力、功率、温度或其它重要的系统参数。它还可能包括调整系统以按照设计进行运行。 泵系统常见运行问题分析 业内大多数人都面临着以下问题： 1）为什么流量过高/过低？ 2）为什么压力过高/过低？ 3）轴承为什么出现故障？ 4）为什么密封会泄漏？ 5）泵为什么振动？ 这些问题的答案有简单的也有复杂的，但在大多数情况下，考虑到基本原理会引导用户朝着正确的方向前进。安装、运行和维护手册通常会包含一个表格，列出常见问题和潜在原因。例如，如果我们想了解流量过低的原因，可能与以下因素有关： 1）入口堵塞 2）系统入口设计不合理 3）NPSHA不足 4）系统扬程高于预期 5）粘度高于预期 6）泵零部件磨损 7）内部间隙设置不正确 8）泵转速低于预期 9）电机转向错误 10）运行的泵数量太少 11）控制阀堵塞或未打开 而且，可能还有其它原因。该列表的目的是说明一个典型的问题可能是由许多原因引起的，这些原因都与系统设计、泵设计、泵组件、泵和系统的相互作用、控制、安装、运行或维护有关。为了找到问题的根源，回顾基本原理对于回答问题产生的原因很重要。 泵设计工程师、试验台管理者、设施维护经理和系统操作员都需要接受与其职位相关的不同且更详细的知识和培训。本文中概述的领域被确定为在泵和流体处理行业的大多数职位上提供价值。一个涵盖这些领域的核心知识体系和培训计划可以被行业所利用，这样雇主就可以专注于建立核心知识。 作者简介：Pete Gaydon是水力研究所的技术事务主任。Gaydon在主要泵制造商担任设计、开发和测试工程职位。他目前担任AWWA、CSA和ASME的多个泵相关标准委员会的成员。Gaydon在水力研究所负责标准、指南、技术监管事务和认证项目的技术责任。Gaydon在Alfred大学获得了机械工程学士学位。 |
