工业循环水泵及管线的计算与选型

侯晨茹,南君芳,张叶新,薛建森,苏江峰

(国投金城冶金有限责任公司,河南 灵宝 472500)

0 前言

泵在化工、船舶、国防等行业有着广泛的应用,既可以输送水、油、酸、碱液等液体,也可输送含悬浮固体物等流体。在实际生产中,如果需要实现某种流体的空间传输,往往会选择工业泵为流体提供动力,将机械能转化成流体运动所需要的动能,实现流体输送任务。若泵选择的过大或过小,会存在汽蚀、振动、卡顿等风险,长此以往,导致较高的维修成本和较短的使用寿命。因此,根据工况科学合理地选择工业泵,一方面充分利用泵的最佳效率点,提升输送效率;另一面有效降低生产成本,实现效益最大化。

在某生产车间建设期间,需要对高温设备配备一套冷却系统,涉及到相关泵的选型,本文以此为例,给出工业泵选型的步骤及思路,为相关行业技术人员提供参考。总的思路先根据厂房建设布局进行管线走向基础设计,此外依据工艺计算需要输送的流量任务,利用输送任务推算出管径的大小、流体流动状态、阻力损失等相关数据,确定泵的扬程,根据流量、扬程、输送介质的物理性质选择合适的工业泵。

1 设计目标

在冶炼行业,一般采用水冷方式对高温部件进行热交换,对其降温并改善工作环境。以某建设生产车间为例,车间准备增加一台火法提纯炉设备,预估生产时设备的运行温度为650 ℃。生产时原料通过料盘(材质为304 不锈钢)装满后推进炉体,原料在炉体内加热挥发,挥发时间设计为6 h,完成挥发后料盘被传送机构拉出炉体,转运至冷却床,通过底部冷却床对料盘冷却降温至室温(20 ℃),冷却时间设计为4 h。为了在预期的时间内达到预定的冷却效果,需要提前估算总的循环水量。

1.1 确定输送的流量

假设挥发料盘的热量全部通过循环水带走热量,根据式(1)计算料盘总的热量Q。

式中Q—热量,kJ;

C—热容,kJ/kg/℃;

T2、T1—料盘的最终温度、初始温度,℃。

已知挥发料盘为304 材质,密度ρ为7.98 ×103kg/m3,体积V为2.448 m3,质量m为1 953.5 kg,比热容C为0.5 kJ/kg/℃,挥发料盘的初始温度T1为650 ℃,最终冷却温度T2为20 ℃,最终可以计算得:总的热量Q为6 153 537.6 kJ。

根据式(2)计算循环水的体积流量Qv。

式中Qv—体积流量,m3/h;

Q—料盘总的热量,kJ;

C＇—水的热容,kJ/kg/℃;

t—冷却时间,h;

△T—循环水冷却前后的温度差,℃。

根据式(1)得到总的热量Q为6 153 537.6 kJ,这些热量全部由水带走。查得水的比热容C＇为4.2 kJ/kg/℃,冷却时间t为4 h,温度差△T设计为10℃,将上述参数带入式(2),可以求得循环水的体积流量Qv为36.628 m3/h。

1.2 确定设计的目标任务

根据1.1 中得到本次设计的任务是选择合适的泵将流量为37 m3/h 的循环水送到冷却床。根据基础设计泵的入口管道长度l1为0.5 m,出口管道长度l2为17 m,在管道拐弯处焊接4 个标准90°弯头,在泵的进口、出口、冷却盘进水口各安装一个闸阀便于调节流量,为统计冷却水消耗的用量,管道中间安装一个涡轮流量计测量流量,管道敷设如图1 所示。

图1 循环水管道敷设图

2 设计计算

2.1 确定输送流体管径

在输送流量确定的情况下,根据设计经验选择泵入口流速为1.50 m/s,泵出口流速为3.00 m/s。管径与流体流速成反比,设计流速越大,管径越细,反之设计流速越小,则所需要配置的管径则越粗,因此确定管径的根本在于选择流体的流速。因为管道内的流体是循环水,管道选择普通碳钢无缝管即可,根据式(3)分别计算泵进口和出口的管径。

式中ν—管道流速,m/s;

d—管道直径,mm;

Qv—体积流量,m3/h。

将式(2)计算得到的体积流量带入,分别得到泵入口管的内径d1为93 mm,泵出口的管内径d2为66 mm。通过查询无缝钢管的标准尺寸[1],选择泵入口管规格Φ102 ×4 mm,泵出口管规格Φ73 ×4 mm。将新的管内径分别带入式(3)核算泵入口管的流速为1.46 m/s,泵出口管的流速为3.07 m/s。

2.2 确定流体的流动状态

流体在管道内受到的摩擦力与流体的流动状态有着密切的关系,同时摩擦力的大小会对泵的选择产生直接的影响,因此确定流体的流动状态是一项重要工作。流体力学中根据雷诺数Re判断管道内流体的流动状态,当Re≤2 000 时,流体中各质点全部延轴线方向运动,并且流体各质点之间相互独立、互不影响,流体的这种流动状态为层流;当2 000≤Re≤4 000 时,流体各质点之间不再是简单的轴线运动,开始相互作用,出现小范围扰动,此时流体的流动状态处于过渡区;当Re≥4 000 时,流体质点伴有严重的横向扰动,质点之间彼此相互影响,流体处于湍流区[2]。根据式(4)计算流体流动的雷诺数Re。

式中ρ—流体密度,kg/m3;

ν—管道流速,m/s;

d—管道直径,mm;

μ—流体黏度,Pa·s;

Re—雷诺数。

将水的密度(1000 kg/m3)、黏度(0.00298 Pa·s)和进出口管的流速、管径数值分别带入(4)式,计算得入口管的雷诺数Re1为46 270,大于4 000,可以认为入口管的流动状态为湍流[2];同样得到出口管的雷诺数Re2为66 914,大于4 000,出口管的流动状态为湍流。

湍流状态下,流体在管道中流动时,其摩擦阻力系数λ的值与管壁的相对粗糙度ε＇有关,相对粗糙度的计算如(5)式所示。

式中d—管子内径,mm;

ε—绝对粗糙度,mm;

ε＇—相对粗糙度。

查得无缝钢管绝对粗糙度为0.2 mm,分别带入管径数值d1、d2,得到进出口管子的相对粗糙度、分别为0.002 13、0.003 077。查询摩擦阻力系数λ与雷诺数Re、相对粗糙度ε＇关系图[2],得到进口管道的摩擦阻力系数λ1为0.025 2,出口管道的摩擦阻力系数λ2为0.025 3。

2.3 泵将流体从水箱输送到冷却床的阻力损失计算

泵将流体从水箱输送到冷却床的过程中,流体的阻力损失主要由两部分组成,一部分是由流体流动时管道的摩擦阻力带来的损失,另一部分是管件带来的局部阻力损失,总的阻力损失是二者之和,计算如式(6)。

式中:λ—管道的摩擦阻力系数;

l—管道长度,m;

d—管子内径,m;

Σζ—管件的阻力系数之和;

v—流体的流速,m/s;

hf—阻力损失,m。

各管件的阻力系数如表1 所示。

表1 各管件的阻力系数

带入相应数值,计算得泵的入口端的阻力损失hf1为0.086 5 m,出口端的阻力损失hf2为6.736 0 m。

由式(7)计算得整个系统内总的阻力损失Σhf为6.822 6 m。

2.4 泵将流体从水箱输送到冷却床所需扬程计算

扬程是指泵的有效压头,即单位质量流体通过泵获得的能量净增加值,是泵的重要工作性能参数,可表示为流体的压力能头、动能头和位能头的增加[3]。为了计算流体从水箱输送到冷却床的扬程值,在A、B液面之间使用伯努利方程,根据式(8)计算扬程。

式中:h—所需扬程,m;

△z—A、B 液面高度差,m;

g—重力加速度,m/s2;

△ν—A、B 液面流速差,m/s;

△p—A、B 液面压力差,Pa;

ρ—流体密度,kg/m3;

Σhf—阻力损失,m。

因为设计任务中的水箱和冷却床均是敞口容器,所以A、B 液面压力差△p为0,A、B 液面流速差△ν为0。A、B 液面高度差△z为1 m,阻力损失Σhf为6.822 6 m,计算得到扬程h为7.822 6 m。通常情况下,泵所需要的额定扬程是计算扬程的1.05～1.1 倍,所以最终的扬程h确定为8.6 m。

3 泵的选型

在选择合适的泵输送流体前主要考虑的因素有流体的物化性质、流量Qv、扬程h,所选泵的型号和性能必须符合生产现场所需的流量、扬程、温度等工艺参数的要求。

3.1 输送流体的物理化学性质

流体的物理化学性质主要影响选择泵的叶轮材质、驱动力、密封性。当输送的流体易燃、易爆、有毒,则对泵的轴封要求较高,可采用无泄漏泵,如选择隔膜泵、屏蔽泵;当输送的流体腐蚀性较强,则要求泵的叶轮采用耐腐蚀性材料,如工程塑料磁力驱动泵、不锈钢耐腐蚀泵等[4];当输送的流体掺杂有固体颗粒时,则必须选择采用耐磨材料制成的对流部件的泵。此外,轴封采用清洁液体冲洗[5]。

基于本设计敷设的管路,输送的流体是新水,温度在20 ℃左右,故选择材质为普通铸铁材质的泵即可。此外考虑到现场空间有限、工况复杂等情况,选用ISGB 立式便拆式管道离心泵,与市面上其它ISG管道离心泵、IS 离心泵、SH 双吸离心泵等常规离心泵相比,ISGB 立式便拆式管道离心泵增加了加长联轴器的结构,更换泵内部配件时无需挪动电机,也无需拆卸泵体和管道,可以直接在线更换,具有运转更平稳、使用寿命长、配套更方便、维护保养更轻松等的优点。

3.2 工艺参数

泵的类型确定好之后,下一步需要考虑的是生产时的工艺参数,进而确定泵的具体序列。本次设计的输送任务要将流量Qv为37 m3/h,扬程h为8.6 m,可以选择泵型号为ISGB65-12.5(Ⅰ),具体相关参数如表2 所示。

表2 泵的性能参数

3.3 设计分析

此项设计作以下几点说明:①计算局部阻力时按照阀门全开设计,实际中会根据生产情况调节阀门的开度。阀门关小会使管道内流体的流量减小,同时会使局部阻力系数增大,管道的特性曲线变陡,扬程会增加;②设计时利用雷诺数Re和管道的相对粗糙度ε＇查询流体在管道中的摩擦系数λ,存在一定的误差;③在本文中只对泵的选型做了介绍,实际工业建设时,在泵的型号选好之后,要根据实际情况确定泵的工作点和允许安装高度。

3.4 水泵安装注意事项

选择好合适的水泵之后,在现场安装时必须注意以下几点:①首先水泵在安装时不能受力,因此尽可能保证管路的进出口轴线安装在一条直线上,因此水泵前后进出口部件需要用钢角架支撑固定或吊起来,不能出现晃动的情况;②在水泵的进口要安装过滤器,并且水泵与管路连接前要冲洗,避免系统内留有残渣,在高压运转下使叶片快速磨损,影响水泵的使用寿命;③在水泵进出口处尽可能安装压力表,以便实时观察系统内的压力情况,进行流量和压力调节。

3.5 水泵启动前的准备工作

水泵在正式投入使用前要进行试运行,启动前认真检查泵的相关部件(出入口管线、支架、阀门、压力表接头)是否符合安装规范,紧固件(地脚螺栓、法兰等)有无松动,冷却水是否畅通。安排现场作业人员启泵前盘车,检查转子是否转动轻松灵活,检查泵体内是否有金属撞击声或摩擦声。

3.6 水泵试运转

检查完成后泵入口阀门全开,关闭出口阀,启动电机,全面检查机泵的运转情况,观察是否有漏水情况,及时做好试运转记录,以便后期整改。

3.7 水泵使用注意事项

水泵在正常使用时还应注意以下几点:①在任何情况下都不允许离心泵空转,避免损坏零部件,在长期运行时,现场作业人员要关注离心泵的运转声音,出现异响及时上报,避免出现故障耽误生产;②离心泵启动后,在出口阀未开的情况下,不能长时间运转,因此电机启动后及时打开出口阀;③离心泵不允许用入口阀来调节流量,而应用出口阀来调节系统的流量;④在正常情况下,离心泵运行的最小流量应不低于额定流量的三分之一。

4 结论

通过输送流量、管道直径、流动状态、阻力损失和扬程的计算分析,最终得到以下结论。

1)要实现在4 小时内将料盘冷却至室温,需要循环水的流量为37 m3/h。

2)根据设计经验选择管线的流速,确定泵的入口管规格Φ102 ×4 mm,出口管规格Φ73 ×4 mm。

3)根据输送任务和厂房布局敷设循环水管线,循环水的流动状态为湍流,阻力损失6.822 6 m,扬程8.6 m,选择泵型号为ISGB65-12.5(Ⅰ)。

4)水泵的安装、运行必须符合规范,才能保证水泵长期稳定运转。