任務(wù)四 離心泵送料系統(tǒng)的調(diào)控
【任務(wù)引入】
離心泵送料過程中除了要考慮其性能外，還是要考慮生產(chǎn)工藝參數(shù)對(duì)送料過程的影響，下面是來自某一設(shè)備約40℃的帶壓液體由離心泵以20t/h的流量送至下一工段的仿真工藝系統(tǒng)操作，在操作過程中對(duì)這些影響因素的調(diào)控方法做訓(xùn)練，從而更好地理解流體輸送的原理、操作方法等。
【任務(wù)實(shí)施】
一、工藝流程
1.離心泵工藝流程
該仿真工藝系統(tǒng)操作中的離心泵單元DCS圖見圖1-27。
本流程中的主要設(shè)備有離心泵前罐V101、離心泵A（PV101A）、離心泵B（PV101B，備用泵）。如圖1-28所示，來自某一設(shè)備約40℃的帶壓液體經(jīng)調(diào)節(jié)閥LV101進(jìn)入帶壓離心泵前罐V101，罐液位由液位控制器LIC101通過調(diào)節(jié)LV101的進(jìn)料量來控制；罐內(nèi)壓力由PIC101分程控制，閥PV101A、PV101B分別調(diào)節(jié)進(jìn)入V101和出V101的氮?dú)饬浚瑥亩３止迚汉愣ㄔ?.0atm（表壓）（1atm=101.325kPa）。罐內(nèi)液體由泵P101A/B抽出，泵出口流量在流量調(diào)節(jié)器FIC101的控制下輸送到其他設(shè)備。
圖1-27 離心泵單元DCS圖
圖1-28 離心泵單元現(xiàn)場圖
2.儀表
離心泵單元系統(tǒng)的儀表見表1-10。
表1-10 離心泵單元系統(tǒng)儀表
二、操作規(guī)程
1.冷態(tài)開車
（1）罐V101的操作
①打開LIC101調(diào)節(jié)閥，向V101罐充液。
②待V101罐液位>5%后，緩慢打開分程壓力調(diào)節(jié)閥PV101A向V101罐充壓。
③當(dāng)LIC101達(dá)到50%時(shí)，LIC101投自動(dòng)，設(shè)定50%。
④罐V101壓力控制在5atm左右時(shí)，PIC101投自動(dòng)，設(shè)定值為5atm。
（2）啟動(dòng)離心泵（A泵、B泵二選一）
①待V101罐充壓至正常值5atm后，打開P101A（B）泵入口閥VD01（VD05）。
②打開P101A（B）泵排氣閥VD03（VD07）排泵內(nèi)不凝性氣體，排凈后關(guān)閉VD03（VD07）。
③啟動(dòng)P101A（B）泵，待PI102（PI104）指示壓力比入口壓力PI101（PI103）大2.0倍后，打開P101A（B）泵出口閥VD04（VD08）。
（3）出料
①打開FIC101調(diào)節(jié)閥的前閥VB03、后閥VB04。打開調(diào)節(jié)閥FIC101，逐漸開大調(diào)節(jié)閥FIC101開度，流量控制在20000kg/h時(shí)投自動(dòng)，使PI101、PI102趨于正常值。
②調(diào)整操作參數(shù)：微調(diào)FV101調(diào)節(jié)閥，在測量值與給定值相對(duì)誤差為5%范圍內(nèi)且較穩(wěn)定。
2.正常運(yùn)行操作參數(shù)
系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的操作參數(shù)如表1-11所示。
表1-11 系統(tǒng)正常運(yùn)行操作參數(shù)
注：1atm=101.325kPa。
3.正常停車操作
（1）V101罐停進(jìn)料 LIC101置于手動(dòng)后關(guān)閉調(diào)節(jié)閥LV101，停V101罐的進(jìn)料。
（2）停泵
①將FIC101置于手動(dòng)，逐漸緩慢開大閥門FV101，增大出口流量。
②待罐V101液位小于10%時(shí)，關(guān)閉P101A泵的出口閥VD04，停P101A泵，關(guān)閉泵前閥VD01。
③關(guān)閉FIC101調(diào)節(jié)閥FV101及其前后閥VB03、VB04。
（3）泵P101A泄液 打開泵P101A泄液閥VD02，觀察閥VD02的出口，當(dāng)不再有液體泄出時(shí)，顯示標(biāo)志變?yōu)榧t色，關(guān)閉閥VD02。
（4）V101罐泄壓、泄液
①待罐V101液位小于10%時(shí)，打開V101罐泄液閥VD10。
②待V101罐液位小于5%時(shí)，打開PIC101泄壓閥。
③觀察V101罐泄液閥VD10的出口，當(dāng)不再有液體泄出時(shí)，顯示標(biāo)志變?yōu)榧t色，待罐V101液體排凈后，關(guān)閉泄液閥VD10。
三、常見的事故現(xiàn)象及處理措施
離心泵送料系統(tǒng)常見的事故現(xiàn)象及處理措施見表1-12。
表1-12 離心泵常見事故及處理措施
【任務(wù)評(píng)價(jià)】
①能識(shí)讀離心泵單元仿真工藝流程圖；
②能正確地完成送料單元的開車、停車操作；
③能根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)來調(diào)控工藝指標(biāo)，并能及時(shí)準(zhǔn)確地判斷事故并正確處理。
【知識(shí)鏈接】
知識(shí)點(diǎn)一 離心泵的串并聯(lián)
在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)單臺(tái)離心泵不能滿足輸送任務(wù)要求時(shí)，采用離心泵的并聯(lián)或串聯(lián)操作。
一、離心泵的并聯(lián)
將兩臺(tái)型號(hào)相同的離心泵并聯(lián)操作［如圖1-29（a）所示］，且各自的吸入管路相同，則兩泵的流量和揚(yáng)程必各自相同，也就是說具有相同的管路特性曲線和單臺(tái)泵的特性曲線。顯然，兩臺(tái)泵的揚(yáng)程相同，總流量為兩臺(tái)泵的流量之和。如圖1-29（b）所示，圖中Ⅰ 線為單泵的特性曲線，Ⅱ 線為兩臺(tái)泵并聯(lián)的特性曲線。從圖中可知，其并聯(lián)時(shí)的流量比單泵操作時(shí)增大了，但達(dá)不到單泵流量的兩倍，若管路特性曲線越平坦，則并聯(lián)后的流量就越接近單泵流量的兩倍，所以并聯(lián)操作能使低阻力管路系統(tǒng)的流量增加較多，而高阻力管路系統(tǒng)的流量增加較少。
圖1-29 泵的并聯(lián)操作
二、離心泵的串聯(lián)
若將兩臺(tái)型號(hào)相同的離心泵串聯(lián)操作［如圖1-30（a）所示］，則每臺(tái)泵的揚(yáng)程和流量也是各自相同的，顯然，兩臺(tái)泵的流量相同，總揚(yáng)程為每臺(tái)泵的揚(yáng)程之和。如圖1-30（b）所示，圖中Ⅰ 線為單泵特性曲線，Ⅱ 線為兩臺(tái)泵串聯(lián)的特性曲線。由圖可見，兩臺(tái)泵串聯(lián)操作的總揚(yáng)程必低于單臺(tái)泵揚(yáng)程的兩倍。
多臺(tái)泵串聯(lián)操作相當(dāng)于一臺(tái)多級(jí)泵，多級(jí)泵的結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、維修也方便，因而應(yīng)選用多級(jí)泵代替多臺(tái)串聯(lián)泵使用。
圖1-30 泵的串聯(lián)操作
知識(shí)點(diǎn)二 離心泵的安裝高度
一、離心泵的允許吸上高度
離心泵的允許吸上高度又稱為允許安裝高度，是指泵的吸入口與吸入貯槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離，以Hg表示，可通過伯努利方程式確定。
在圖1-31中，假定泵在可允許的最高位置上操作，于貯槽液面0-0'與泵入口處1-1'兩截面間列伯努利方程式，可得：
（1-27）
式中 Hg——泵的允許裝高度，m；
Hf——液體流經(jīng)吸入管路的全部壓頭損失，m；
p0——液面上的壓力，Pa；
u1——吸入管路中液體的流速，m/s；
p1——泵入口處可允許的最小壓強(qiáng)，Pa。
二、離心泵的汽蝕
由離心泵的工作原理可知，在離心泵葉輪中心附近形成低壓區(qū)，這一壓強(qiáng)與泵的吸上高度密切相關(guān)。如圖1-31所示，當(dāng)貯液池上方壓強(qiáng)一定時(shí)，允許安裝高度越高，則泵吸入口附近壓強(qiáng)越低。但是吸入口的低壓是有限制的，若允許安裝高度高至某一限度，葉輪中心附近的最低壓強(qiáng)等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體就在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生氣泡，隨同液體從低壓區(qū)流向高壓區(qū)，氣泡在高壓的作用下，迅速凝結(jié)或破裂，瞬間周圍的液體即以極高的速度沖向原氣泡所占據(jù)的空間，在沖擊點(diǎn)處形成很高的瞬間局部沖擊壓力。由于沖擊作用及泵體震動(dòng)并產(chǎn)生噪聲，且葉輪局部處在巨大沖擊力的反復(fù)作用下，使材料表面開始疲勞，開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕甚至形成裂縫，使葉輪或泵殼受到破壞。這種現(xiàn)象稱為離心泵的汽蝕現(xiàn)象。
圖1-31 離心泵的吸液示意圖
汽蝕發(fā)生時(shí)，由于產(chǎn)生大量的氣泡，占據(jù)了液體流道的部分空間，導(dǎo)致泵的流量、壓頭及效率下降。汽蝕嚴(yán)重時(shí)，泵不能正常操作。因此，為了使離心泵能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)避免產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，這就要求葉片入口附近的最低壓強(qiáng)必須維持在某一值以上，通常是取輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓作為最低壓強(qiáng)。應(yīng)予指出，在實(shí)際操作中，不易確定泵內(nèi)最低壓強(qiáng)的位置，而往往以實(shí)際泵入口處的壓強(qiáng)為基礎(chǔ)，考慮一安全量后作為泵入口處允許的最低壓強(qiáng)。
三、離心泵的允許汽蝕余量Δh
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泵入口處的壓力p1還沒有降到與液體的飽和蒸氣壓相等時(shí)，汽蝕現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生，這是因?yàn)楸萌肟谔幍膲毫Σ⒎潜脙?nèi)壓力最低處，研究表明，離心泵葉輪進(jìn)口處為泵內(nèi)壓力最低處。為防止汽蝕現(xiàn)象發(fā)生，離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須使液體在泵入口處的壓力p1大于同溫度下的飽和蒸氣壓p飽。考慮到流速的影響，離心泵入口處液體的動(dòng)壓頭
與靜壓頭p1/ρg之和，必須大于飽和液體的靜壓頭p飽/ρg，其差值以Δh表示，即
（1-28）
當(dāng)流量一定且流體流動(dòng)為阻力平方區(qū)時(shí)，汽蝕余量Δh僅與泵的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，是泵抗汽蝕性能的參數(shù)，由生產(chǎn)泵的部門通過實(shí)驗(yàn)測定并將其值列于泵的性能表上。
將式1-28整理出p1/ρg值后代入式1-27，可得：
（1-29）
通常為安全起見，離心泵的實(shí)際吸上高度即安裝高度應(yīng)比允許安裝高度低0.5～1m。
四、防止汽蝕的措施
（1）降低泵的安裝高度 降低泵的安裝高度可提高泵入口處的壓力，避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
（2）減少吸液管的阻力損失 在泵吸液管路中設(shè)置的彎頭、閥門等管件越多，管路阻力越大，泵入口處的壓力就越低。因此，要盡量減少一些不必要的管件，盡可能縮短吸液管的長度和增大管徑，以減少管路阻力，防止汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
（3）降低輸送液體的溫度 液體的飽和蒸氣壓是隨其溫度的升高而升高的，在泵的入口壓力不變的情況下，當(dāng)被輸送液體的溫度較高時(shí)，液體的飽和蒸氣壓也較高，有可能接近或超過泵的入口壓力，使泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。
【自測練習(xí)】
1.什么是離心泵的汽蝕現(xiàn)象？它對(duì)泵有什么影響？如何防止？
2.由于工作需要用一臺(tái)IS100-80-125型泵在海拔1000m、壓力為89.83kPa的地方抽293K的河水，已知該泵吸入管路中的全部壓頭損失為1m，該泵安裝在水源水面上1.5m處，此泵能否正常工作。
3.用離心泵向設(shè)備送水。已知泵特性方程為H=40-0.01Q2，管路特性方程為He=25+0.03Q2，兩式中Q的單位均為m3/h，H的單位為m。試求：（1）泵的輸送量；（2）若有兩臺(tái)相同的泵串聯(lián)操作，則泵的輸送量又為多少？