Основные проблемы защиты центробежных насосов на ответственных позициях
Из-за ограниченности использования иных видов насосов в химической и нефтехимической отраслях, одним из актуальных вопросов в эксплуатации оборудования является бесперебойная и правильная работа насосного оборудования. В соответствии с п. 5.4. ФНП «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств», утверждённые Приказом №96 от 11 марта 2013 г. Для нагнетания больших и средних объемов взрывопожароопасных веществ на опасных производственных объектах могут применяться только центробежные насосные агрегаты. В данной публикации мы покажем проблемы, возникающие при эксплуатации центробежных насосов на ответственных позициях и обозначим пути их решения.
Основные проблемы при эксплуатации центробежных насосов и пути их решения
Для того, чтобы понять, какие проблемы могут возникнуть при эксплуатации центробежного насоса, обратимся к его устройству. Стандартно он состоит из улитки, рабочего колеса, вала, уплотнения, подшипникового узла и привода. Один из важнейших показателей эффективности применения такого оборудования – его полный коэффициент полезного действия. Снижение указанного коэффициента связано с тремя видами категорий потерь: гидравлических, объемных и механических. Первые возникают вследствие преобразования механической энергии в тепловую, т.е. сопротивления жидкости изменению формы при прохождении через насос, трение частиц вещества об рабочие органы насоса и между собой. Объемные потери или утечки возникают вследствие утечек перекачиваемого вещества в переднем уплотнении колеса, системе уравновешивания осевого давления и уплотнениях ступицы колеса. И наконец, механические потери возникают по причине трения наружной поверхности колес о жидкость, трения в уплотнениях и в подшипниках. Для уменьшения всех категорий потерь, а следовательно, и увеличения общего КПД насоса, необходимо уменьшить размеры потерь.
Основными критериями при выборе того или иного насосного оборудования являются: плотность, вязкость и концентрация взвешенных частиц в среде. Полный напор, создаваемый насосом, рассчитываем:
Где Н – полный напор, м; р1, р2 – давление жидкости в пространстве нагнетания и в пространстве всасывания, МПа; см – плотность перекачиваемой смеси жидкости и твердого вещества кг/м3; Нг – геометрическая высота подъема жидкости, м; hП – напор, затрачиваемый на создание скорости и на преодоление трения всех местных сопротивлений во всасывающей и нагнетательной линии, м; g=9,81 – ускорение свободного падения, м/сек2.
-
Увеличение концентрации взвешенных частиц в среде приводит к:
- увеличению ее плотности,
- уменьшению напора, создаваемого агрегатом,
- увеличению гидравлических потерь,
- повышению износа деталей насоса вследствие абразивного износа,
- механическим и объемным потерям.
Основным условием нормальной работы насоса является прохождение частиц через рабочие органы насоса без оседания, т.е. превышение скорости прохождения (w) над скоростью их оседания (ws).
Где ds – диаметр шара частицы, м; CD – коэффициент сопротивления шара, зависящий от критерия Рейнольдса; ρs – плотность твердой частицы, кг/м3, ρf – плотность жидкости, кг/м3; Qs – твердого вещества, м3/с; Qf – расход жидкости, м3/с.
Критерий Рейнольдса Res будет равен:
Где νf – кинематическая вязкость жидкости, Пас.
Относительное уменьшение напора, связанное с присутствием примесей, рассчитывают:
где ψ =1 - коэффициент давления насоса; nq - удельная частота вращения насоса, об-1;
Пренебрегая Нг и hП в первой формуле, её можно записать через относительное уменьшение напора:
где ρсм = cT · ρs + (1 – cT) · ρf – плотность смеси, кг/м3;
Из этого уравнения: твердые частицы примеси снижают напор, создаваемый насосом на значение ΔH. Повышение давления в насосе Δp, связанное с повышением плотности вещества ρсм и понижением напора Н-ΔН из-за примеси частиц, являются противоречивыми. Следовательно, тяжело однозначно сказать, где будет находиться характеристическая линия работы насоса, транспортирующая вещество с примесями, и линия работы того же насоса, но работающего с веществом без примесей.
Для однозначной оценки работы насосного агрегата как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации необходимо заставить его работать стабильно.
-
В настоящее время существуют два пути решения проблемы перекачивания загрязненных жидкостей:
- Применение специальных насосов для перекачивания загрязненных жидкостей (канализационные, песковые, абразивные насосы и т.п.);
- Применение обычных насосов с установкой дополнительного фильтровального элемента.
Выбор способа перекачивания зависит от технологических особенностей схемы, в которую устанавливается насос. Установка дополнительного параллельно установленного (резервного) насосного агрегата облегчает работы по выполнению плановых технических обслуживаний и ремонтов, как насосного, так и вспомогательного оборудования, так как отсутствует необходимость в остановке технологической схемы производства, в которую установлены насосы.
Очистка перекачиваемого вещества от механических примесей является основной задачей для повышения надежности и производительности центробежных насосов.
Фильтровальное оборудование, применяемое в схемах включения центробежных насосов
Необходимость подбора конкретного фильтра для очистки от примесей перекачиваемых веществ зависит от требований к чистоте конечного продукта, подаваемого для дальнейшей обработки, и требований к оборудованию, перекачиваемому продукт.
Основными видами фильтров, работающих с насосами и обеспечивающих механическую очистку от примесей, являются рукавные, картриджные и сетчатые фильтры. Принцип работы одинаков для всех видов и предполагает механическую очистку вещества и удержание примесей на наружной поверхности фильтровального материала.
-
Основными характеристиками при подборе фильтров являются:
- производительность фильтра;
- тонкость очистки;
- способ подключения (присоединения);
- условный проход штуцеров;
- рабочее давление;
- допустимый перепад;
- рабочая температура;
- материал корпуса и фильтровального элемента;
- способ чистки.
Разберем основной принцип работы на примере сетчатого фильтра механической очистки. Сетчатые фильтры бывают Y – образные и корзинчатые.
Продукт попадает в корпус фильтра, где, проходя через фильтровальный элемент, за счет установки препятствия в виде мелкой сетки и магнита, происходит его очищение. Затем очищенный продукт попадает на всасывание центробежного насоса. Ячейку внутренней сетки подбирают в зависимости от требований, предъявляемых к чистоте перекачиваемых веществ, указанных в паспорте на центробежный насос. А также определяют необходимость установки магнита.
По мере загрязнения фильтра производят его чистку. Превышение допустимого перепада на фильтре, а следовательно, уменьшение подпора жидкости или ее отсутствие на всасывании насоса, является основанием для проведения чистки фильтра. Автоматический контроль за перепадом давления на насосе и недопущение его сухого хода осуществляют автоматизированные системы управления агрегатами.