Матрица выбора насоса

Основываясь на определенных свойствах среды и требуемой точки гидравлического состояния для конкретной насосной системы, 12 человек, которых вы опросите, выберут шесть разных насосов, некоторые из которых окажутся далеко не лучшим выбором.

 

Процесс правильного выбора насоса должен основываться на фактах и данных, знаниях и опыте. Решение не должно приниматься на основе предположений и ограничиваться ближайшими доступными моделями.

 

Факторы, влияющие на выбор насоса

 

Иногда выбор насоса похож на безумную игру в "молоточки": стоит разобраться с одним вопросом, как он влечет за собой другой, а потом, когда вы и его решите, всплывает еще что-то и так далее. На своих занятиях по основам насосов я описываю эту проблему так: "Это будто говорящие по-французски бездомные кошки, напившиеся красного вина, пытаются заманить говорящих по-русски белок с синдромом дефицита внимания (у которых закончились таблетки) в картонную коробку в полночь понедельника... во время грозы".

 

Цена

 

Часто спорный (и зачастую ошибочный) фактор, которой мы все учитываем при выборе насоса, - это его цена (первоначальные затраты). Разумеется, выбирая самый дешевый насос, мы полагаем, что он оснащен всем необходимым, правильно подобран по размеру и изготовлен из надлежащих материалов. К тому же, мы считаем, что все сопутствующие затраты, связанные с приобретением насоса (установка, эксплуатация и техническое обслуживание), уже учтены. Но так ли это? Учли ли вы затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание насоса на ближайшие 10 лет и более?

 

Предполагается, что все остальные факторы уже учтены. Возможно, у вас есть технические требования к насосу, и все предлагаемые варианты хотя бы минимально им соответствуют? Хорошая идея - завести сравнительную таблицу, где будут взвешенно рассматриваться критерии выбора, формируя своего рода формулу.

 

Если у вас нет технических требований к насосу, и/или предыдущий выбранный насос показал низкую надежность, то я рекомендую вам рассмотреть несколько дополнительных факторов, представленных в данной статье.

 

Точка максимальной эффективности

 

Самый простой и часто задаваемый вопрос: насколько близка рабочая точка насоса к точке максимальной эффективности? Все мы знаем, что точка максимальной эффективности напора и расхода - это точка, на работу при которой рассчитан насос, и предполагаем, что это хороший показатель. В отсутствии каких-либо других данных, на этот параметр можно полагаться. Плохо то, что может оказаться сложно найти насос, рассчитанный на работу в вашей конкретной точке (или диапазоне) гидравлической характеристики. А если вам это и удастся, он может оказаться геометрически неподходящим (например, по ориентации вала, площади основания, трубопроводу и базовой конфигурации) или непомерно дорогим, а доставка займет неприемлемо длительный срок. Вы можете быть вынуждены пойти на компромисс, когда всплывут такие дополнительные факторы, как рабочий цикл и другие вопросы (например, где кривая характеристик системы пересекается с кривой характеристик насоса?).

 

Изучите, рассчитайте и подтвердите, что кривая системы действительно пересекает кривую насоса в точке его максимальной эффективности. Типичной ошибкой на практике является то, что владелец системы считает, что кривая системы проходит в одном месте, но на деле это не так. См. мою статью за август 2019 года "Надежды и желания". Если точка пересечения находится в ненадлежащем месте, результатом станет низкая эффективность, которая непосредственно приведет к высоким затратам на энергию, снижению надежности и повышению расходов на техническое обслуживание.

 

Только то, что кривая системы не пересекает кривую насоса в точке максимальной эффективности или в непосредственной близости от нее, не является причиной для отказа от данного насоса. Изучите кривую характеристик насоса и допустимый безопасный рабочий диапазон. Многие насосы имеют широкий и приемлемый рабочий диапазон без каких-либо проблем в работе насоса, например, высокая радиальная нагрузка, кавитация при рециркуляции всасывания/нагнетания, низкий расход и низкая эффективность.

 

Требуемый/имеющийся кавитационный запас и коэффициент кавитационного запаса

 

Кавитационный запас вызывает опасения, поскольку для правильной работы насоса требуется определенный уровень энергии жидкости на стороне всасывания.

 

Коэффициент кавитационного запаса = NPSHa ÷ NPSHr

 

NPSHr = требуемый кавитационный запас

 

NPSHa = имеющийся кавитационный запас

 

Уравнение 1

 

Я рассуждаю о кавитационном запасе почти всю свою карьеру. Я читаю о нем лекции, провожу занятия, шучу о нем; я написал более дюжины статьей о нем, я консультирую о нем своих клиентов и все равно понимаю, что это один из самых запутанных предметов в мире, уступающий разве что правилам игры в крикет.

 

На всасывающей стороне насоса не действует никакая магия. Это простая и фундаментальная наука, поскольку насос не может постараться и затянуть в себя жидкость. У насоса нет рук, а у жидкости нет прочности на растяжение, так что эти усилия в любом случае были бы бесполезны.

 

Всасывающая сторона (часть системы перед всасывающим фланцем насоса) должна обеспечивать энергию, необходимую для подачи жидкости в насос. Проектировщик системы должен продумать, рассчитать и создать всасывающую систему так, чтобы обеспечить достаточный имеющийся кавитационный запас (энергию). Теперь перенесемся в настоящий момент: у вас есть система, а проектировщика давно и след простыл, следовательно, теперь уже кто-то другой (вы?) должен сделать расчет NPSHa и убедиться, что насосу не требуется более высокий NPSHr, чем может обеспечить система. Фактически коэффициент кавитационного запаса должен быть положительной величиной. Во многих случаях этот коэффициент должен составлять минимум 1,2-1,6, только чтобы компенсировать дефицит, созданный 3-процентным снижением напора насоса - паразитные потери при испытании на оценку NPSHr. Возможно, коэффициент кавитационного запаса должен быть даже выше 1,6, чтобы насос достиг полной производительности. Определения, рекомендации и нормативы можно найти в стандарте ANSI 9.6.1-2012.

 

Обратите внимание, что со временем имеющийся кавитационный запас системы, вероятно, понизится, а требуемый - возрастет. Это значит, что коэффициент кавитационного запаса, который был у вас в первый день работы, через три года может исчезнуть.

 

Если у вас нет достаточного запаса надежности, это приведет к кавитации и выходу насоса из строя. Кладбища насосов переполнены насосами среднего возраста, скончавшимися именно по этой причине.

 

Максимальный диаметр рабочего колеса

 

Большинство клиентов нефтяной промышленности не устроит выбор насоса с максимальным диаметром рабочего колеса. Для такого решения есть масса причин, помимо соблюдения технических требований стандарта API 610–11 (2010) (см. раздел 6.1.4). К простым причинам относится то, что конечный пользователь может захотеть внести небольшие изменения в процесс и ему нужно, чтобы запас производительности насоса позволял повысить напор на 5%.

 

Независимо от заявленной цели стандарта API 610, клиент может также хотеть иметь возможность в будущем повысить производительность насоса в соответствии с изменениями в конструкции системы или другими факторами, например, сроком эксплуатации системы (повышенное трение). Другие причины могут заключаться в том, что это новая и сложная конструкция системы, и инженер/проектировщик стремится обеспечить некоторые конструктивные допуски (пространство для маневра). В прошлом многие насосы из-за этого делали слишком большими. А такие наносы часто выходят из строя раньше времени.

 

Рабочее число оборотов насоса

 

При одной и той же точке гидравлического состояния напора и расхода научно обосновано, что насос с большим числом оборотов более эффективен, чем насос с меньшим числом оборотов, и первый также меньше второго. Разумеется, насос меньшего размера и стоит дешевле (первоначальные затраты), чем более крупный насос, поскольку затраты на производство насоса рассчитываются с учетом конкретной стоимости за фунт материала. Чем меньше материала и чем меньше занимаемая площадь, тем ниже стоимость.

Я несколько старомоден, меня не всегда привлекают более компактные и быстрые насосы. Я считаю, что надежность насоса экспоненциально возрастает по мере уменьшения числа оборотов (обычно это кубическая зависимость от скорости).  Кроме того, насосы с меньшим числом оборотов больше весят, а дополнительный вес (масса) помогает снизить вибрацию, смягчить колебания температуры и давления, уменьшить нагрузку на фланцы и крутящий момент, а также уменьшить отклонение вала и требуемый кавитационный запас.

 

Я признаю, что при возрастании требуемого уровня энергии вам, вероятно, понадобится более быстрый насос. См. мою статью по данной теме в журнале Pumps & Systems за август 2017 года.

 

Свойства жидкости

 

Свойства жидкости (или, как я предпочитаю их называть "индивидуальные особенности жидкости") могут иметь решающее значение. Если вы живете в мире, где перекачивается только чистая вода комнатной температуры, вы можете пропустить этот раздел и дальше жить долго и счастливо. Однако те из нас, кто сталкивается с перекачиванием грязных, неприятных жидкостей и горячих кислот, и щелочей, очень холодных жидкостей, которые стремятся превратиться в газы, высоковязких жидкостей, а потом еще, просто шутки ради, смешивают некоторые неньютоновские жидкости, должны всегда быть начеку.

 

Вязкость, температура и содержание твердых частиц

 

На мой взгляд, если вязкость жидкости больше 30 сП, то производительность насоса следует откорректировать (центробежные насосы). Большинство программ по выбору насосов справедливо вносят поправки на вязкость даже при еще более низких значениях.

 

Если жидкость содержит твердые частицы, вам нужно рассчитать и минимизировать окружную скорость рабочего колеса, выбрать износостойкий материал и скорректировать расчет мощности. Для большинства насосов при температуре жидкости выше 350 °F и, конечно же, около 500 °F, требуются дополнительные меры по снижению воздействия тепла, скорости изменения температуры и неблагоприятного воздействия на центровку, нагрузку на патрубки, срок службы подшипника и целостность торцевого уплотнения.

 

Рабочий цикл

 

Выше я уже упоминал рабочий цикл. Краткое определение рабочего цикла состоит в том, чтобы определить, как часто насос будет запускаться и как долго он будет работать после запуска. Если ваш погружной водоотливной насос мощностью 1 л.с., перекачивающий воду комнатной температуры, запускается только раз в месяц и работает 5 минут или меньше, вам не нужно быть столь придирчивыми в выборе насоса, как когда речь идет о насосе мощностью 250-10000 л.с., работающем 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Главным критерием водоотливного насоса является его надежность.

 

Ограничения и другие факторы

 

Насосы, как и любое другое оборудование, имеют свои ограничения, при достижении или превышении которых возникают определенные последствия. В одной статье невозможно охватить все факторы, но список ниже дает представление о наиболее распространенных из них.

 

  • Температура
  • Мощность (л.с.) — эффективная мощность при ограничении вала в 100 оборотов в минуту
  • Относительная плотность — проявляется в виде эффективной мощности
  • Вязкость — проявляется в виде эффективной мощности
  • Скорость — ограничения динамики ротора, подшипника и инерции, связанные с рабочими колесами
  • Давление на всасывании — в сочетании с перепадами общего давление создает ограничения для фланцев и корпуса
  • pH, кислотность и щелочность жидкости — ограничения для металлов и материалов
  • Реологические свойства — количество твердых частиц, тип шлама, ньютоновская или неньютоновская жидкость
  • Удельная частота вращения и кавитационный коэффициент быстроходности
  • Одна или несколько ступеней — ограничения напора на ступень
  • Последовательное или параллельное подключение
  • Конструкция основания и фундамента
  • Типы приводов и муфт
  • Регулируемая частота вращения
  • Жесткость условий эксплуатации, рабочие циклы, частота использования
  • Наличие запчастей, ремонт, техническое обслуживание и поддержка.

 

Джим Элси - инженер-механик, вот уже 48 лет работает в области проектирования и применения вращающегося оборудования и в основном занимается вопросами надежности, почти во всех сегментах промышленного рынка по всему миру. Джим Элси - член Американского общества инженеров-механиков, Американского общества металловедения, Национальной ассоциации инженеров-коррозионистов и Военно-морской подводной лиги.

 

С Джимом Элси, главой компании MaDDog Pump Consultants LLC, можно связаться по эл. почте jim.elsey@spiohio.com.