淺議單級臥式雙吸離心泵在工業循環冷卻水系統中的應用
來源：上海寶鋼工程技術有限公司 閱讀：3398 更新時間：2009-10-23 09:381.概述
在工業循環冷卻水系統中，循環供水泵一般要求為大流量(單泵常規流量在幾百m3/h以上、最大流量可達上萬m3/h)、中揚程(最常見的水泵出水壓力在0.4~0.6MPa、水泵揚程一般最高不會超過1.6MPa)，水泵的工作制度是連續24小時供水，另外循環水系統對水量要求也比較恒定。單級臥式雙吸離心泵因適宜工業循環冷卻水系統的供水工況要求，并且具有結構緊湊、整體可靠性和穩定性高、相對不易汽蝕、檢修方便等特點，應用最為廣泛。
本文就單級臥式雙吸離心泵在工業循環冷卻水系統中的應用，包括水泵選型要點、在使用中常見的問題及解決的方法等做了初步的分析和探討，供實際工程和生產應用的參考。
2.水泵選型要點
水泵的選型是包括基本參數的確定、主要部件材質、軸封形式、聯軸器等的選擇。
2.1水泵基本參數的確定
水泵選型應根據工程的具體要求，設定水泵的基本參數。水泵的基本參數包括流量(m3/h)、揚程(mH2O)、轉速(r/min)、汽蝕余量NPSH(mH2O)、效率(%)、軸功率(kW)、比轉數等。循環冷卻水系統供水泵主要需要討論的參數為流量、揚程、轉速。
2.1.1流量和揚程
流量和揚程是水泵最基本的兩個參數。對于循環冷卻水系統供水泵來說，流量和揚程主要是根據工藝設備的用水要求和管網系統的水力損失計算來確定的。
但是在確定供水泵的流量和揚程時要注意以下幾點：
①對于冷卻水系統而言，設備冷卻的效果主要取決于冷卻水量的多少，在滿足了工藝設備進口所需要的壓力的前提下，水量應當留有一定的富裕，作為水力平衡調節時使用(通常的工業循環冷卻水系統為多用戶系統，設計很難保證每個用戶均能處于剛好滿足其需要水量的工況)；
②在確定水泵的揚程時，首先要進行準確的水力計算，另外，水泵的揚程不宜留有太多的富余量；這是因為工藝設備所提出的水壓要求往往是按照最不利條件設定的，其水壓要求的本身已經留有富裕量；如果水泵的揚程再留有太多的富裕，實際在用戶處的壓力根本遠達不到這種情況，根據水泵的特性曲線和管道的特性曲線，水泵實際揚程會下降，流量將會變大，而電機的流量會大幅度上升，功率也會大幅度上升，如果超出額定值，可能會損壞電機；另外，隨著流量的大幅度上升，水泵的轉速也會變大，會對水泵的泵軸產生不利影響；同時，泵在大流量運轉時，水泵的必需汽蝕余量(NPSHr)也會大幅度上升，容易產生汽蝕，也會增加水泵斷軸的幾率；
③大型工業循環冷卻水系統通常采用多臺水泵并聯運行，如二用一備、三用一備、四用二備等工況是經常出現的，這時必須要意識到水泵并聯運行后，單臺水泵的出水能力受管路特性曲線和水泵特性曲線的共同作用必然減小，因此，在確定水泵的流量參數時，必須加以注意。在一般情況下，二用一備的工況，單臺工作泵的流量下降為只開一臺水泵流量時的約90%。
2.1.2轉速
水泵轉速是影響水泵性能的重要參數，通常有2900rpm、1450rpm、950prm等。轉速越高，所需的葉輪直徑就越小，水泵體積小，相同的流量所需要的電機功率就小，但水泵的必需汽蝕余量(NPSHr)值大，容易發生汽蝕；轉速越低，所需的葉輪直徑就越大，水泵體積大，相同的流量所需要的電機功率就大，但運行平穩、聲音小，且水泵的必需汽蝕余量(NPSHr)值小，水泵的使用壽命長。
采用高轉速的水泵，可以節約一次性成本、降低水泵的能耗，需要的安裝空間小，一般在目前的工業循環冷卻水系統的設計都時，均選用高轉速的水泵。
但是，水泵轉速高同時也帶來了噪聲大這一弊病，特別時在大型循環冷卻水露天泵場，幾臺設置幾十臺大功率、高轉速水泵噪聲的疊加，對環境已經帶來了影響。從環保的角度而言，應選用低噪聲的工藝和設備，因此，在大型循環冷卻水系統的露天泵場設計時，要加以反復權衡考慮，判斷水泵作為噪聲源對周邊環境的影響。噪音的測量應遵守《工業企業噪聲衛生標準》的規定，在距水泵、電動機1.0米處的噪聲不應超過85分貝。
2.2確定各主要部件的材質、軸封形式以及聯軸器等
2.2.1水泵各部件材質要求
水泵的主要部件有水泵殼體、葉輪等。
常見的大型工業循環冷卻水系統的單級臥式雙吸離心泵的殼體材質有鑄鋼、球墨鑄鐵、不銹鋼等，普通鑄鐵材質在國內大型工業企業中較少應用。由于工業循環冷卻水系統的壓力一般不高，因此確定泵殼殼體的材質主要取決于循環水水質。當循環水為純水循環水或軟化水循環水時，由于純水或軟化水具有較高的腐蝕性，因此殼體材質一般采用不銹鋼或球墨鑄鐵。當循環水為普通工業凈循環水(敞開式)，殼體材質一般采用鑄鋼。當循環水為濁循環水時，殼體材質也一般采用球墨鑄鐵。
在工業循環冷卻水系統中，水泵葉輪的材質主要也取決于循環水的水質情況。水泵葉輪常見的材質有鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、鋁合金、不銹鋼、銅等。工業凈循環(包括純水或軟化水密閉循環)水泵的葉輪材質主要考慮耐腐蝕性，以不銹鋼、銅為主；而濁循環水泵的葉輪材質主要考慮耐磨的因素，以鑄鋼、球墨鑄鐵為主。
2.2.2水泵軸封的確定
泵內流體和泵體外大氣間存在著壓差，流體沿著軸和殼體間的間隙向外泄漏，為此需要設置軸封。軸封是防止泵軸與殼體處泄漏而設置的密封裝置，泵內壓力大于大氣壓時，軸封防止液體向外泄漏；泵內壓力小于大氣壓時，軸封防止空氣向泵泄漏。
對于臥式單級雙吸離心泵而言，水泵的泄漏量主要發生在軸封處。軸封的泄漏量會導致水泵的容積損失，從而導致水泵的水力損失。因此，合理的確定水泵的軸封形式非常重要。
目前水泵常用的軸封有填料密封和機械密封。
普通機械密封一般是由動環(隨軸一起旋轉并作軸向移動)、靜環、壓緊元件(彈簧)和密封元件(密封圈)等組成，動環靠密封腔中液體的壓力和壓緊元件的壓力，使其端面貼合在靜環的端面上，形成微小的軸向間隙而達到密封的目的；目前已經開始廣泛使用的第三代集裝式機械密封已經把動環、靜環、壓緊元件和密封元件等組合成一個集合體，在泵體上安裝方便、快捷，但是價格遠遠高于普通的填料密封[1]。
填料密封是把軟填料塞入填料函內，用壓蓋壓緊，靠軸或軸套外表面與填料內表面的柱面來密封。水泵的填料密封一般采用盤根形式，盤根與軸直接接觸，且相對轉動，造成軸與軸套的磨損，所以必須定期或不定期更換軸套；為散去盤根與軸或軸套摩擦產生的熱量，必須保持一定的泄漏量。
機械密封與填料密封主要性能比較見表1。
表1 機械密封與填料密封主要性能比較
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從上述的性能比較并結合工程實際，在循環冷卻水系統供水泵軸封形式的確定時要注意以下幾點：
①密閉式工業循環水系統(包括軟化水循環水系統和純水循環水系統)，循環水不與外界接觸，水泵的揚程僅考慮克服管網系統內部的水頭損失，稍許的水量損失都會引起管網壓力的急劇波動，其軸封應選用普通機械密封或集裝式機械密封；
②敞開式循環水系統，包括工業凈循環水系統和濁循環水系統，從價格因素考慮，可采用填料密封；盤根有低等級纖維盤根、普通纖維盤根、多膠心彈性盤根、單膠心彈性盤根、高等級纖維盤根、特種專用盤根等；在選用盤根時，對于工業凈循環水，低等級纖維盤根、普通纖維盤根均可滿足常規要求；但是當循環水介質為濁循環水，要注意盤根應采用灰渣介質專用的盤根，采用耐磨纖維編織而成，使盤根在具有良好的抗拉強度的同時具有更大的柔韌性與持久的耐磨性，同時采用外接冷卻沖洗水；在現場實際曾發生過，濁循環水泵安裝了普通的盤根，沒有正常的排水，經拆開檢查后發現，濁循環水的污染物已經污染了盤根，使盤根變為一個致密的部件，連水泵軸套都被磨損壞了。
2.2.3聯軸器
聯軸器是把電機和水泵聯接起來的一種重要裝置。它的主要任務是傳遞扭矩。目前應用于臥式單級雙吸離心泵的聯軸器主要為膜片式聯軸器和彈性柱銷聯軸器。
膜片聯軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄扳）用螺栓交錯地與兩半聯軸器聯接，每組膜片由數片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯軸器靠膜片的彈性變形來補償所聯兩軸的相對位移。
彈性柱銷聯軸器是利用若干非金屬彈性材料制成的柱銷，置于兩半聯軸器凸緣孔中，通過柱銷實現兩半聯軸器聯接。
彈性柱銷聯軸器結構緊湊，裝配方便，具有一定的彈性和緩沖性能，補償兩軸相對位移量不大，當位移量過大時，聯軸器的工作性能惡化，彈性件易損壞。膜片聯軸器易平衡，且易保持平衡精度，不需潤滑，對環境適應性強，且具有較好的補償兩軸相對位移的性能，徑向載荷能力大，可在高轉速下運行，但扭轉剛度大，緩沖減振能力相對較差。
在目前工業循環冷卻水系統中，單級臥式雙吸離心泵較多使用彈性柱銷聯軸器，主要原因在于隨著水泵技術以及水泵安裝技術的不斷提高，泵軸和電機軸之間位移量較大的情況已經很少發生，彈性注銷聯軸器與膜片式聯軸器比較更便于維修。當彈性注銷聯軸器的單個柱銷損壞時，可更換單個柱銷；而膜片式聯軸器如果某組膜片損壞，通常也就意味著整個膜片式聯軸器需要更換了。
3.使用中常見的問題及解決的方法
3.1水泵的振動問題
在大型工業循環冷卻水系統中，常出現水泵振動超標或噪聲較大的情況。按有關標準規定，泵組在正常運行時(設計點)，其振動值雙幅不大于0.06mm（保證值）。按照《工業企業噪聲衛生標準》的規定，在距水泵、電動機1.0米處的噪聲不應超過85分貝。
水泵振動超標或噪聲較大的原因有以下幾種：
①水泵安裝過程中沒有校準，水泵安裝垂直度或平整度誤差較大，水泵與電機兩軸的不同心度過大，從而影響水泵的正常運行；
②管網系統和水泵中積氣；工業循環水管網中的積氣在所難免，主要來源于管網系統充水時所殘留的空氣和因管道局部流速過高而從水中析出的空氣；特別對于密閉式工業循環水管網，其管路十分復雜，且管路本身又是密閉式的，管網中產生積氣后，往往難于迅速排除，就會造成局部氣阻或氣蝕，對正常的管道水流工況(包括流量和壓力)產生影響，乃至會出現管道和水泵振動的現象；
③水泵本身設備質量問題，本文不做具體討論。
針對上述情況所采取的主要措施有：
①加強水泵安裝過程中的校準工作，一般應由水泵廠的專業技術人員現場指導水泵的安裝；
②細化管路系統設計工作；在水泵進出口管路設計時，要盡量避免管道轉彎處距離水泵進出口太近，也就是管路急轉彎；水泵進出口的異徑管的長度盡量加長，以求得穩定的水流，減少水中空氣從湍急的水流中分離出來的現象；避免不必要的管道的上下翻越；對閉式循環水系統要特別增加排氣措施(如設置排氣閥)等[2]。
3.2實際工況與設計工況存在偏差
在實際水泵運行過程中，理論的計算與實際是有一定區別的，水泵的工況未必完全符合設計的要求。另外，水泵本身的性能也隨著時間的遷移而發生變化，導致水泵的特性曲線發生變化。
在循環水系統投運后，首先要進行管網水力平衡調試。所謂管網水力平衡調試工作，就是在所有的循環水處理設施、循環水管路、管路上所有的閥門配件等均已經安裝完畢、所有用戶點的給回水管道均接通的前提下，運用各種調節措施和調節手段，使循環水管路的實際工況點(包括流量、壓力)，按接近原設計要求的狀態運行，使循環水系統內部各用戶用水量和供水水壓的要求均能得到滿足。只有整個循環水管網處于設計工況，才能使循環供水泵處于設計工況[3]。
另外，為使水泵符合要求的流量和揚程，使水泵的工作曲線和管路特性曲線一致，可采用調節水泵出水閥門的方法，但能量投耗于閥門損失不經濟，且閥門容易磨損。一般可通過更換葉輪或切削葉輪、改變水泵轉數、改變葉片安裝角度等方法來調節[4]。
4.小結
總之，水泵的正確選擇、合理使用對于保證循環冷卻水系統的正常運行至關重要。選型不合理，會使水泵處于不合理的運行狀態，造成維修成本大幅度上漲。
參考文獻
[1]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社，1995.
[2]金亞飚.工業循環冷卻水系統管網水力平衡調試[J].給水排水，2008，34(2)：119-122.
[3]金亞飚.密閉式工業循環冷卻水系統設計要點淺析[J].冶金動力，2008，增刊(7)，111-113.
[4]金亞飚.鋼鐵企業工業循環冷卻水系統水力平衡設計[J].給水排水，2008，34(3)：70-73.
作者簡介：金亞飚(1975.12- )，男，漢族，籍貫江蘇省常熟市，同濟大學環境工程學院給水排水工程專業本科畢業，學士學位，高級工程師/注冊公用設備工程師，主要從事鋼鐵企業給排水設計工作。
