Изменение конструкции крыльчатки и производительность центробежного насоса

Изменение конструкции крыльчатки и производительность центробежного насоса

Комплексный анализ на основе вычислительной гидрогазодинамики позволяет значительно улучшить рабочие характеристики насосов с высокими эксплуатационными затратами.

Экономия энергоносителей – одна из приоритетных задач в управлении любым промышленным предприятием. Инженеры по надежности оборудования основное внимание уделяют продлению среднего времени между ремонтными операциями, но при этом часто упускают из виду возможную экономию энергоносителей, которой можно добиться, если в рамках причинно-следственного анализа проблем также проводить комплексное техническое исследование оборудования.  Это в равной мере относится и к насосам, используемым повсеместно на многих предприятиях. Инженеры-гидротехники проводят расчеты на основе вычислительной гидрогазодинамики, чтобы выполнить гидравлическую подгонку, продлить время между ремонтными операциями и сократить затраты энергии во время работы насоса. Подобные меры помогают значительно снизить стоимость жизненного цикла насоса, то есть его общую стоимость эксплуатации.

Условия работы насосов

Многие предприятия уже составили свой «черный список» насосов. В него входят те модели, время между ремонтными операциями которых составляет менее одного или двух лет. Чтобы решить проблему кавитации или рециркуляции, производители и сервисные организации предлагают различные решения, в том числе повышенную жесткость вала, улучшенные характеристики металла и износостойкие покрытия.

Такие предложения повышают время между ремонтными операциями, но не решают основную проблему. В первую очередь, для ее устранения следует провести оценку фактической эксплуатации или стандартного эксплуатационного режима насоса с учетом утвержденного порядка испытаний рабочих характеристик.  Чаще всего в ходе проверки обнаруживаются следующие две проблемы:

  • Изменились объемы производства на предприятии, и стандартная эксплуатация насоса выходит за пределы рекомендуемых рабочих параметров давления и расхода.  
  • Эксплуатация насоса никогда не осуществлялась в рамках рекомендуемого рабочего диапазона.   

Как уже отмечалось ранее, рекомендуемые рабочие параметры давления и расхода – это те значения,  на эксплуатацию в пределах которых рассчитан насос. При работе в рекомендуемом рабочем диапазоне снижается до минимального уровня вибрация насоса, повышается срок службы уплотнений и подшипника и время между ремонтными операциями. Именно в этом диапазоне находится точка оптимального КПД. Проще говоря, это значит, что при низком уровне вибрации и максимальной производительности достигается снижение эксплуатационных расходов и затрат энергии.

Замена – не всегда верное решение

После обнаружения насоса, в котором гидравлическая подгонка не подходит к стандартному эксплуатационному режиму, некоторые считают, что следует приобрести модель поменьше или крупнее, в зависимости от типа проблемы.  Например, если насос работает со смещением вправо от точки КПД, тогда требуется модель более высокой мощности или крупных габаритов. Если насос работает со смещение влево от точки КПД, в этом случае требуется модель меньшей мощности или размеров. Часто замена насоса не представляется возможной, поскольку для установки новой модели требуется отдельный проект капитального строительства с новым приводом, опорами, трубопроводом, измерительными приборами и другим оборудованием.

распределение давления на крыльчатку насоса
Расчет на основе вычислительной гидрогазодинамики отображает распределение давления на крыльчатку

Еще одно решение, предлагаемое некоторыми компаниями, заключается в изменении установленных параметров работы, благодаря которому можно улучшить гидравлическую подгонку. Все же, подобное решение часто не оправдывает ожиданий и, безусловно, не способствует оптимизации производительности насоса.

Во многих случаях самое лучшее решение состоит в приведении к соответствию точки оптимального КПД насоса и стандартного эксплуатационного режима. Это соответствие достигается только за счет выполненной по индивидуальным требованиям конструкции крыльчатки. Такие крыльчатки разрабатываются с использованием технологии вычислительной гидрогазодинамики и моделирования работы гидравлики в различных ситуациях. Моделирование позволяет убедиться в работоспособности насоса без лишних расходов и траты времени, которые требуются в случае создания прототипов и проведения испытаний в утвержденном порядке.

При этом, следует обратить внимание на два особых момента. Во-первых, не все удачные модели гидравлики, полученные на основе вычислительной гидрогазодинамики, можно на самом деле произвести. Инженер-гидротехник должен понимать производственный процесс, чтобы гарантировать, что то или иное решение является осуществимым. Во-вторых, далеко не все желаемые изменения можно выполнить. Иногда требуемые изменения выходят за грани осуществимого. Однако в таких случаях можно провести расчет на основе вычислительной гидрогазодинамики, чтобы точно удостовериться, что не существует никаких других решений для данного оборудования. Эту важную информацию можно представить на рассмотрение руководства предприятия, чтобы поддержать и аргументировать необходимость замены насоса с высокими эксплуатационными расходами.

Сравнение производительности насоса с крыльчаткой большой пропускной способности, низкой пропускной способности и  выполненной по индивидуальному заказу
Сравнение производительности насоса с крыльчаткой большой пропускной способности, низкой пропускной способности и выполненной по индивидуальному заказу

Передовая технология в действии

Инженер по надежности оборудования на нефтехимическом заводе обнаружил, что насос размерами 3x4x13 типа OH2 имеет слишком крупные габариты и работает со смещением влево от точки оптимального КПД. Пропуская способность при оптимальном КПД составляла 4543 литра в минуту, а стандартные условия эксплуатации на заводе – 2763 литра в минуту. Насос имел низкую эксплуатационную надежность с оригинальной крыльчаткой и средним временем между ремонтными операциями 18 месяцев. Типичный уровень вибрации для данного насоса после капитального ремонта и повторного ввода в эксплуатацию составил 6,35 мм в секунду.

Кроме того, производительность насоса достигала всего 64% при вышеупомянутой пропускной способности, тогда как при оптимальном КПД должна была составлять 76%. Чтобы понять, существует ли возможное решение, представители завода обратились к фирме-изготовителю комплектного оборудования. Компания-изготовитель имела в наличии крыльчатку с низкой пропускной способностью для насоса таких размеров и стандартный насос с пропускной способностью, обеспечивающей оптимальный КПД, 2839 литров в минуту, однако головка насоса не подходила к кривой системы.

На предприятии попробовали предложенную модель крыльчатки с низкой пропускной способностью, использование которой требовало два работающих насосами, чтобы полностью покрыть потребность системы. Однако данное решение привело к тому, что теперь уже два насоса работали со смещением влево от точки оптимального КПД. Предприятие вернулось к использованию оригинальной крыльчатки и одного насоса. Инженер по надежности оборудования начал подыскивать сервисную организацию, которая действительно могла бы предложить экономически эффективное решение и, как результат, снизить эксплуатационные расходы, которые в тот момент грозили огромной итоговой стоимостью жизненного цикла насоса.

Одна из независимых сервисных компаний предложила уникальный подход к решению проблемы посредством применения методики расчета, описанной в данной статье. Был проведен тщательный анализ кривой системы и общей конструкции насоса. Была разработана модель с использованием вычислительной гидрогазодинамики для оригинальной крыльчатки и крыльчатки с низкой пропускной способностью. Таким образом, была получена критически важная информация, которая давала точное представление о параметрах горловины и выпускной камеры в новой конструкции насоса. Были разработаны несколько моделей гидравлики, и проведено моделирование с применением вычислительной гидрогазодинамики, чтобы подобрать наиболее оптимальный вариант.

Проверенные результаты

В итоге было установлено, что можно создать новую модель крыльчатки, которая подходит к имеющемуся кожуху и обеспечит значительно лучшую гидравлическую подгонку.  Моделирование на основе вычислительной гидрогазодинамики показало, что с новой конструкцией крыльчатки производительность при стандартных условиях эксплуатации достигнет 71%, то есть возрастет почти на 11%.  При этом следует отметить, что новая точка оптимального КПД оказалась на 5 пунктов ниже, чем в оригинальной конструкции. Такое снижение максимальной производительности частично обусловлено новой скоростью работы насоса и потерями из-за большой площади горловины кожуха.  

Модель 3-D крыльчатки по индивидуальному заказу
Модель 3-D крыльчатки по индивидуальному заказу

Новая крыльчатка была заказана и изготовлена после того, как насос вышел из строя. Инженер не потребовал проведения испытания в утвержденном порядке ввиду предоставленных результатов моделирования на основе вычислительной гидрогазодинамики. Было согласовано, что имеющееся на предприятии измерительное оборудование к насосу обеспечит данные в достаточном объеме, подтверждающие работоспособность насоса.

После повторного ввода в эксплуатацию пропускная способность насоса оказалась в рамках прогнозируемой. Уровень вибрации с предыдущего значения 6,35 мм в секунду снизился до 1,27 мм в секунду. Работа двигателя под нагрузкой, обусловленная пропускной способностью, также подтвердила прогнозируемую производительность 71% с учетом погрешности измерительного оборудования на предприятии. Более высокая производительность позволила сократить потребление энергоресурсов стандартным процессным насосом типа API более чем на 15 000 долларов. Благодаря сниженному потреблению энергоресурсов предприятие смогло окупить инвестиции всего за 8 месяцев. Насос уже больше не числится в «черном списке» оборудования предприятия, а новые ремонтные операции ожидаются не раньше чем через шесть лет.

Вывод

Производительность насоса - важный индикатор. Она отчетливо указывает на отклонение работы насоса от предусмотренных параметров. Изменение конструкции насоса для повышения производительности часто приводит к сокращению расходов, благодаря которому полностью окупаются инвестиции в новую конструкцию и в дальнейшем повышается надежность эксплуатации насоса. Проводя анализ отказа насоса или «черного списка», инженерам по надежности оборудования следует полностью принять во внимание условия работы насоса. Они также должны ставить под сомнение производительность насоса с учетом гидравлики и не довольствоваться стандартными параметрами или характеристиками, предусмотренными еще 10, 20 или 30 лет назад. Умение создавать точные модели на основе вычислительной гидрогазодинамики позволит претворить в жизнь новые решения, которые в современном мире сбережения энергоресурсов окажутся весьма своевременными и практичными.

Инженер компании
ООО "Промышленные насосы"
Сергей Егоров

23 Сентября 2013

◄ назад в раздел




Основные типы представленного на сайте насосного оборудования