置换蒸煮卸料泵的汽蚀分析及解决办法

汤 伟 杨鹏飞 党世红

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安,710021；2.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安,710021)



置换蒸煮卸料泵的汽蚀分析及解决办法

汤 伟1杨鹏飞2,*党世红2

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安,710021；2.陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安,710021)

针对置换蒸煮卸料泵汽蚀现象难以消除这一难题,在分析卸料泵产生汽蚀的基础上,结合置换蒸煮卸料的特点,从控制的角度出发提出通过稳定卸料浓度、改变泵速以及通入压缩空气的方法进行卸料,使得在整个卸料过程中，卸料泵的有效汽蚀余量(NPSHa)都大于它的必需汽蚀余量(NPSHr)，从而避免汽蚀现象的发生。

置换蒸煮；卸料泵；有效汽蚀余量；必需汽蚀余量；汽蚀

置换蒸煮是一种节能环保的新型间歇制浆技术,其卸料方式与传统间歇式制浆技术不同。传统间歇式制浆一般采用喷放的方式卸料,在蒸煮结束后通过放气使蒸煮锅压力降到常压,再利用浆料的热能进行爆米花式的喷放倒料。而置换蒸煮技术,在卸料之前已经将浆料的热能置换了出来,浆料本身不具备喷放条件,必须通过卸料泵进行卸料。置换蒸煮卸料具有高温、高腐蚀性、大流量及高泵送距离等特点,对卸料泵的要求比较高,因此卸料泵价格昂贵,单台价格在10万～15万元。在某纸厂的实际生产过程中发现,3台卸料泵在使用过程中常常会发生汽蚀现象,这不仅会缩短卸料泵的生命周期,同时也会切短浆料纤维长度,影响成浆品质[1-3]。而这种汽蚀现象从安装和材料方面都很难解决。本文在分析置换蒸煮卸料以及产生汽蚀原因的基础上,从控制的角度提出了一种解决卸料过程汽蚀问题的方法。

1 卸料泵汽蚀现象分析

泵在运转中,若其过流部分的局部区域(通常是叶轮叶片进口稍后的某处)因为某种原因,抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的液体汽化压力时,液体便在该处开始汽化,产生大量蒸汽,形成汽泡,当含有大量汽泡的液体向前经过叶轮内的高压区时,汽泡周围的高压液体致使汽泡急剧地缩小以至破裂。在汽泡凝结破裂的同时,液体质点以很高的速度填充空穴,在此瞬间产生很强烈的水击作用,并以很高的冲击频率打击金属表面,冲击应力可达几百至几千个大气压,冲击频率可达每秒几万次,严重时会将壁厚击穿,图1为工业现场汽蚀图片。卸料泵中产生汽泡、破裂使过流部件受到破坏的过程就是卸料泵的汽蚀过程,泵产生汽蚀后除了对过流部件产生破坏作用以外,还会产生噪声和振动,并导致泵的性能下降,严重时会使卸料中断,不能正常工作[4- 6]。

1.1 卸料过程

置换蒸煮卸料过程中,浆料从高16 m的蒸煮锅中被卸料泵抽送到浆料塔中进行储存,如图2所示。

图2 现行工艺卸料过程示意图

由图2可知，稀释黑液经稀释黑液泵2AP-212送入蒸煮锅循环泵2AP-201的入口,然后进入到蒸煮锅上部稀释口HIC-192、下部稀释口HIC-193和卸料弯管HIC-158阀门管路对浆料进行稀释,在此过程中稀释黑液泵和蒸煮锅循环泵保持运行状态。浆料从蒸煮锅2AM- 001中被卸料泵2AP-206抽送到浆料塔2AT-106中,在此卸料过程中,这些控制阀间的比值根据卸料过程中蒸煮锅的实际总质量在卸料控制表中逐步设置,如表1所示。

表1 卸料质量控制表

除此之外现行工艺还会对蒸煮锅卸料温度进行控制,防止进入卸料泵的浆料温度过高,直接汽化。卸料温度控制情况如表2所示。

表2 卸料温度控制表

综上所述,现行工艺在卸料时主要是根据蒸煮锅总质量来对浆料进行稀释,通过稀释防止浆料阻塞以及高温浆料进入到卸料泵中。

1.2 决定泵汽蚀的性能参数

卸料泵是否产生汽蚀现象一般由2个参数来决定,分别是有效汽蚀余量(NPSHa)和必需汽蚀余量(NPSHr),如果在卸料过程中一直保持NPSHa>NPSHr，则不会发生汽蚀现象。其中必需汽蚀余量的计算见式(1)。

(1)

式中，v0为泵入口介质绝对速度，W0为泵叶片压力最低处介质速度，λ为汽蚀、压降系数。NPSHr是规定卸料泵要达到的汽蚀性能参数,且NPSHr越小泵的抗汽蚀性能越好,NPSHr主要与卸料泵本身结构(流道形状设计)有关,同时还与卸料泵的转速有关,在泵的铭牌中已经被商家标出,如某纸厂的卸料泵必需汽蚀余量值为6.5 m。

卸料泵的NPSHa的计算见式(2)。

(2)

式中，Ps为泵入口法兰处压力，vs为泵入口法兰处液体介质速度，Pv为泵中液体介质在工作温度下的汽化压力，ρ为泵中液体密度。结合卸料工艺可知,在现有的整个卸料工艺中NPSHr不发生变化(恒速卸料),而随着卸料过程的进行Ps和vs都会减小导致NPSHa值减小,蒸煮锅内液面到达一定高度之后NPSHa会小于NPSHr,发生汽蚀现象[7- 8]。

2 卸料泵汽蚀问题的解决办法

通过上面的分析可知,卸料泵的汽蚀现象可以通过增大NPSHa或者减小NPSHr的方法来解决。其中NPSHr是规定卸料泵要达到的汽蚀性能参数,在运行中其值一般与卸料泵工况和转速有关,可以在改善其工作状况的情况下,通过变速使得在卸料过程中NPSHr值随卸料过程的进行而减小。而对于NPSHa,随着卸料过程中蒸煮锅内液面的下降,其值就会减小,无法避免,到一定程度导致NPSHa﹤NPSHr，使得卸料泵发生汽蚀现象,对此本文提出以下解决办法。

2.1 设置控制回路对卸料浆料浓度进行控制

现行工艺只是根据蒸煮锅内剩余的浆料量和温度来对浆料进行稀释,这样浆料浓度会不断变化,导致泵内工作压力不断变化,有时会出现比较大的浆块使泵内压力骤变,极易产生汽蚀现象。本文提出在卸料泵之前安装浓度检测仪,与原有的稀释阀门构成控制回路将浆料浓度控制在一个设定值,因为卸料浆料浓度变化范围大,要求较大的调节范围,因此采用分程控制,一个控制器分程控制原先3个稀释阀门管路HIC-192、HIC-193和HIC-158,控制原理图如图3所示。使得进入卸料泵内里面的浆料浓度稳定,防止因为浆料浓度大幅度变化而引起的泵吸区压力骤变,同时也有效地防止了浆块的产生,为卸料泵的稳定工作奠定了基础,便于进一步解决汽蚀问题。

图3 卸料浆料浓度分程控制示意图

2.2 放料过程中改变卸料泵转速以及向蒸煮锅内通入压缩空气对压力进行补偿

由上可知,在卸料过程中要想避免卸料泵汽蚀现象的发生,就必须在整个卸料过程中保持NPSHa>NPSHr,代入二者的计算式(1)、式(2)，并结合式(3)、式(4)，可以推出式(5)。

Ps=ρgh

(3)

(4)

(5)

式中，NPSH为卸料泵的允许汽蚀余量,其值一般为NPSHr的1.2～1.5倍。泵铭牌上提供的NPSHr值都是以20℃清水为基准的,当输送其他温度的介质时应予以矫正,查阅相关手册和文献[9-10],计算可得本文矫正ΔNPSHr=0.8 m,所以在本研究卸料过程中，卸料泵的NPSHr=(6.5+0.8)=7.3(m),为了有效预防汽蚀现象的发生，取NPSH=1.5NPSHr≈11.0(m),纸浆密度为2×103kg/m3,Pv为卸料平均温度95℃时对应的汽化压力83.5 kPa,带入数据可得，为了避免汽蚀发生h>15 m,除去5 m的倒灌高度,为了防止汽蚀的产生，蒸煮锅内至少要维持10 m的浆料,但是卸料要将料卸完,因此当卸料进行到10 m时，必须采取措施来防止汽蚀的发生。

首先可以改变转速减小NPSHr。研究表明泵的转速越低,NPSHr越小，其抗汽蚀性能就越强,二者对应式为式(6)，进一步可以推出式(7)、式(8),其中n1为卸料泵额定转速1450 r/min,NPSHr1取泵NPSHr6.5 m,因此在卸料过程中泵的频率与剩余浆料的高度对应式为式(9)[10-11]：

(6)

(7)

(8)

(9)

当卸料进行到汽蚀临界面高度10m时,可根据浆料高度对卸料泵进行变频控制,有效预防汽蚀现象的发生,但是如果只是变频进行放料,从式(9)中发现浆料放至3.5m时泵转速已经为零,因此不能单纯依靠变速放料来防止汽蚀现象的出现,本文提出当放料进行到10m时,根据式(9)对卸料泵进行变频控制,到浆料液位4m时泵转速保持不变,由P=ρgh可以算出4m浆料对应的压力为80kPa,开始通过PIZ-102回路(见图4),向蒸煮锅内通压缩空气,保持锅内压力为80kPa,以弥补液位下降所引起的NPSHa减小量,直到卸料结束。

图4 改进后的卸料过程示意图

3 结 语

置换蒸煮卸料工况特殊,卸料泵的汽蚀现象困扰生产多时,亟需相关学者进行该方面的研究从而解决这个难题,本文通过对置换蒸煮卸料过程和卸料泵汽蚀机理的分析,总结出了卸料泵汽蚀的原因,并从控制角度出发计算出了临界汽蚀液面,通过稳定卸料浓度、改变泵速和压缩空气补偿有效汽蚀余量(NPSHa)相结合的方式进行卸料,保证在整个卸料过程中有效汽蚀余量(NPSHa)>必需汽蚀余量(NPSHr),预防汽蚀现象的发生。本文旨在抛砖引玉,如何从工艺、管道设计、安装等方面做出改善,以及设计出更加有效的控制算法来避免卸料过程中汽蚀现象的发生,还值得相关学者进一步研究。

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(责任编辑：刘振华)

Analysis and Solution for Cavitation of the Discharge Pump of Displacement Digester System

TANG Wei1YANG Peng-fei2,*DANG Shi-hong2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021；2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 401371274@qq.com)

Aiming at the difficulties of eliminating cavitation of the discharge pump of displacement digester system, this paper proposed a method from the view of control to keep the NPSHawas greater than its NPSHrin the discharging process by stabilizing pulp concentration, adjusting pump speed and injecting compressed air into the digester.

displacement digester； discharge pump； NPSHa； NPSHr； cavitation

2016- 02- 08(修改稿)

国家国际科技合作项目(2010DFB43660)；陕西省重点科技创新团队计划项目(2014KCT-15)资助。

TS733+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.010

*通信作者：杨鹏飞先生，E-mail：401371274@qq.com。