При вводе в эксплуатацию насос на водоочистной установке работает тихо. Шесть месяцев спустя тот же агрегат шумит, как гравий в блендере, когда накопительный резервуар выше по течению набирает больше половины объема. Расчет напора пройден.
Скорость потока соответствует спецификации. Тем не менее, крыльчатка разрушается, а температура подшипников растет.
Ошибка заключается в несоответствии между двумя величинами, которые должны соблюдаться при выборе насоса. NPSHa против NPSHr это сравнение, которое отличает насос, работающий годами, от того, который выходит из строя через несколько месяцев: NPSHa (Чистый положительный напор всасывания) относится к системе трубопроводов и изменяется при каждом изменении условий эксплуатации; NPSHr (Необходимый чистый положительный напор всасывания) принадлежит насосу и нанесен производителем на кривую насоса.
Кавитация начинается в тот момент, когда NPSHa падает ниже NPSHr - а в приведенном выше сценарии это происходит каждый раз, когда уровень воды в резервуаре падает.
Основные выводы
- NPSHa находится в режиме реального времени. Она изменяется при снижении уровня жидкости в резервуаре, повышении температуры жидкости или увеличении трения в фитингах трубопровода - все это не приводит к изменению NPSHr.
- NPSHr - это опубликованный предел, а не безопасная цель. Работа при NPSHa = NPSHr ставит насос на порог повреждения.
- Маржа - это результат инженерной деятельности. Голое равенство не дает вам ничего, что можно было бы потратить при изменении условий.
- Ушко крыльчатки - это место отказа. Местное давление на наконечниках входных лопаток ниже давления объемного всасывания; именно здесь в первую очередь зарождаются пузырьки.
- Диагностика начинается с журнала уровня бака. Восстановление маржи часто не стоит ничего, кроме повышения минимального операционного уровня.
Разница, предотвращающая кавитацию
Кавитация не является отдельным дефектом насоса - она возникает в результате того, что система подает на фланец всасывания меньше энергии, чем требуется насосу в данной рабочей точке. NPSHa - это количественный показатель того, что обеспечивает система; NPSHr - это количественный показатель того, что требует насос. Разница, выраженная в метрах или футах напора, - это запас против испарения.
Когда NPSHa превышает NPSHr на достаточную величину, жидкость поступает в глаз рабочего колеса в виде однофазной жидкости. Когда этот запас уменьшается - из-за падения уровня в резервуаре, частично закрытого всасывающего клапана или жидкости, которая течет теплее, чем предполагается по проекту, - образуются пузырьки пара, которые с силой ударяются о лопасти рабочего колеса и начинают последовательность эрозии. Понимание каждого значения в отдельности - единственный способ целенаправленно управлять запасом.
NPSHa исходит из системы
NPSHa рассчитывается из энергетического баланса на стороне всасывания насоса. Стандартная форма для открытого резервуара такова:
NPSHa = (P_atm / ρg) + h_s - h_f - (P_v / ρg)
где P_atm - абсолютное давление, действующее на поверхность жидкости, h_s - статический напор на всасывании (положительный, если уровень жидкости находится выше центральной линии насоса, отрицательный - при подъеме на всасывании), h_f - общие потери на трение во всасывающем трубопроводе, а P_v - давление паров жидкости при рабочей температуре.
Четыре переменные определяют поведение поля:
- Атмосферное давление устанавливает потолок. На высоте над уровнем моря P_atm падает и NPSHa тоже - насос, рассчитанный на уровень моря, может кавитировать на высоте без изменения геометрии трубы.
- Уровень воды в резервуаре непосредственно увеличивает или уменьшает статический напор. Резервуар, сливающий воду с 4 м до 1 м над насосом, за одну смену снимает 3 м NPSHa.
- Потери на трение в линии всасывания ухудшает NPSHa. Длинные трубы, фитинги с малым отверстием, сетчатые фильтры и донные клапаны - все это вносит свой вклад. Grundfos объясняет, как режим всасывания и конфигурация подъема всасывающего патрубка влияют на величину статического напора - При затопленном всасывающем устройстве h_s прибавляет к NPSHa; при всасывающем подъеме - вычитает.
- Давление паров резко возрастает с увеличением температуры. Горячая вода, углеводороды и растворители могут израсходовать большую часть имеющегося напора, прежде чем будет учтено трение.
Распространенной ошибкой при закупках является расчет NPSHa только для расчетного уровня резервуара и игнорирование минимального рабочего уровня. Насос проходит отбор при полном баке и кавитирует при каждом снижении уровня запасов - именно тот случай отказа, с которого началась эта статья.
NPSHr определяется кривой насоса
NPSHr - это свойство насоса, а не системы. Он представляет собой минимальный напор на всасывании, измеряемый на входном фланце насоса, соотнесенный с давлением пара жидкости, при котором насос поддерживает определенный уровень гидравлических характеристик без значительного внутреннего испарения. Производители устанавливают его с помощью испытаний на дросселирование: они снижают давление всасывания до тех пор, пока общий напор насоса не упадет на определенный процент, и значение NPSH в этой точке становится NPSHr при данном расходе.
Два факта о NPSHr определяют, как его следует применять:
NPSHr увеличивается с ростом расхода. При увеличении расхода скорость на крыльчатке возрастает, местное давление на лопатках еще больше падает, и для подавления парообразования требуется больший напор на всасывании. Насос, работающий намного выше точки наилучшего КПД, может иметь NPSHr, значительно превышающий опубликованное значение минимального расхода.
NPSHr - это измеряемый порог падения напора, а не линия нулевой кавитации. Лексикон центробежных насосов KSB отмечает, что начало кавитационного повреждения может произойти при условиях, которые на кривой насоса все еще выглядят в пределах спецификации - некоторая активность пузырьков предшествует измеряемому падению. Никогда не рассматривайте NPSHr как цель; рассматривайте его как нижний предел, который NPSHa должен быть комфортно превышен.
Создайте маржу NPSH, а не простое равенство
Эксплуатация насоса с NPSHa, чуть превышающим NPSHr, является инженерной ошибкой. Насос уже испытывает частичное испарение при этом пороговом значении; не остается буфера для поглощения реальных колебаний. В таблице ниже представлены основные переменные системы и их влияние на каждое значение:
Переменная | Изменения NPSHa? | Изменения NPSHr? | Типичное влияние на маржу |
|---|---|---|---|
Уровень воды в баке падает | Да - уменьшает статический напор | Нет | NPSHa падает напрямую; маржа сокращается |
Температура жидкости повышается | Да - давление пара увеличивается | Нет | NPSHa падает; эффект может быть большим для горячих жидкостей |
Скорость потока увеличивается | Незначительно (больше потерь на трение) | Да - NPSHr увеличивается с увеличением расхода | Маржа сжимается с двух сторон одновременно |
Всасывающий клапан частично закрыт | Да - дополнительные потери на трение | Нет | Падения NPSHa; часто не учитываются во время операций |
Повышение высоты участка | Да - пониженное атмосферное давление | Нет | Может исключить запас на насосах, рассчитанных на уровень моря |
Руководство по NPSH от Grundfos оценивайте запас по наихудшим условиям эксплуатации, а не по номинальным проектным значениям. Величина достаточного запаса зависит от изменчивости жидкости, критичности эксплуатации и предсказуемости наихудшего случая NPSHa. Инженерная зависимость прямая: чем более изменчивы условия работы системы, тем больший запас требуется.
Как температура, уровень воды в резервуаре и потери на всасывании меняют результат
Температура
При температуре 60 °C давление паров воды примерно в четыре раза выше, чем при 20 °C. Насос с NPSHa 4 м при холодном запуске может иметь менее 1 м, когда рабочая жидкость нагреется до рабочей температуры. Насосы, работающие с жидкостями, температура которых близка к точке кипения, должны иметь NPSHa, рассчитанный при максимальной рабочей температуре, а не при температуре окружающей среды.
Уровень резервуара
Колебания уровня - наиболее распространенная причина периодической кавитации. Операторы видят, как насос работает нормально, а через несколько часов выходит из строя без изменения уставки - единственное, что изменилось, это уровень воды в резервуаре. Сигнализация низкого уровня должна быть установлена на минимальном уровне, обеспечивающем достаточный запас NPSHa, а не на низком уровне, который защищает насос от работы всухую.
Потери во всасывающем трубопроводе
Потери на трение накапливаются в любой арматуре: сетчатый фильтр, срок службы которого истек, обратный клапан, который открывается лишь частично, редуктор, установленный не в ту сторону. Установка манометра на всасывающем фланце и сравнение измеренного значения с расчетным NPSHa может незаметно выявить скрытый запас трения.
Диагностические признаки, когда маржа слишком мала
Кавитация проявляется по-разному в зависимости от степени тяжести и рабочего положения на кривой насоса. Кавитация на ранней стадии может проявляться только в виде повышенной вибрации на характерной частоте. Прогрессирующая кавитация вызывает слышимый треск или скрежет и ощутимую потерю напора.
Прежде чем открыть корпус насоса, выполните следующую последовательность действий:
- Соотнесите шумовые события с данными журналов уровня резервуара. Если звуковые дорожки имеют низкий уровень, проблема заключается в расчете запаса.
- Измерьте давление всасывания на фланце. Пересчитайте в напор и сравните с формулой NPSHa; измеренное значение меньше расчетного указывает на неучтенные потери на трение.
- Проверьте температуру жидкости на входе в насос. Если жидкость теплее расчетной температуры, пересчитайте давление пара и NPSHa при фактических условиях.
- Подтвердите рабочий расход. При работе со скоростью, значительно превышающей BEP, увеличивается NPSHr и уменьшается запас со стороны насоса.
- Осмотрите всасывающий сетчатый фильтр. Частичное засорение увеличивает потери на трение и снижает NPSHa без видимых внешних признаков.
Если все пять проверок прошли успешно, а кавитация сохраняется, возможно, насос изначально был выбран с недостаточным запасом, или рабочее колесо износилось настолько, что изменило свои гидравлические характеристики.
Вопросы и ответы
Может ли снижение скорости насоса восстановить запас NPSH?
Снижение скорости уменьшает расход, что смещает рабочую точку влево от кривой NPSH, где NPSHr ниже. Меньший расход также уменьшает трение в линии всасывания, что немного улучшает NPSHa. Снижение скорости может восстановить запас хода в некоторых установках, но при этом снижается производительность. Убедитесь, что новая рабочая точка по-прежнему отвечает требованиям технологического потока, прежде чем рассматривать ее в качестве постоянного решения.
Означает ли метод испытания на падение напора, что я безопасен в любом месте выше NPSHr?
Нет. Метод испытания - это соглашение об измерении, а не гарантия отсутствия повреждений. Эрозия рабочего колеса может начаться еще до появления измеряемого перепада напора, особенно при использовании летучих жидкостей или систем, которые многократно циклически пересекают линию NPSHr.
Некоторые операторы и отраслевые стандарты применяют множитель к опубликованному NPSHr для определения минимально допустимого NPSHa, который учитывает эту погрешность.
Мой насос проходит проверку NPSH при расчетном расходе, но при запуске кавитирует. Почему?
Переходные процессы при запуске часто связаны с расходом, превышающим расчетную точку установившегося режима, поскольку система находится под давлением или открывается регулирующий клапан. При более высоком расходе увеличивается NPSHr и одновременно возрастает трение в линии всасывания. Оценивайте запас NPSH при максимальном предполагаемом расходе при вводе в эксплуатацию, а не только при расчетном расходе.
Как износ рабочего колеса влияет на NPSHr с течением времени?
По мере износа рабочего колеса увеличиваются внутренние зазоры, а также может измениться схема рециркуляции вокруг проушины. У насоса, имевшего достаточный запас хода, когда он был новым, может возникнуть кавитация по мере износа рабочего колеса, даже при отсутствии изменений в системе. Если диагностика показывает адекватный расчетный NPSHa, но кавитация сохраняется, измерьте фактическую кривую напора-расхода и сравните ее с исходным техническим паспортом - сдвиг кривой указывает на то, что NPSHr фактически изменился.
Всегда ли затопленное всасывание предпочтительнее подъема всасывания для NPSH?
С точки зрения NPSHa - да. При затопленном всасывании уровень жидкости над осевой линией насоса непосредственно добавляет к NPSHa положительный статический напор. Подъем всасывания вычитает такое же расстояние из NPSHa до учета трения.
Там, где схема системы позволяет сделать выбор, затопленный отсос снижает нагрузку на маржу и делает установку более устойчивой к переменным условиям - температуре, уровню воды в резервуаре, состоянию сетчатого фильтра, - которые снижают NPSHa во время эксплуатации.
Заключение
Насос, который проходит расчет напора и все равно кавитирует, почти всегда говорит вам об одном и том же: NPSHa, оцененный при наихудшем сочетании уровня в резервуаре, температуры жидкости и потерь во всасывающей линии, не превышает NPSHr - взятый из кривой насоса при фактическом рабочем расходе - с достаточным запасом, чтобы выдержать нормальные рабочие колебания. Каждая переменная на стороне NPSHa в этом сравнении постоянно изменяется в процессе эксплуатации. NPSHr фиксируется геометрией рабочего колеса и увеличивается только при увеличении расхода.
Отношение к соотношению NPSHa и NPSHr как к одноразовой проверке выбора, а не как к постоянному контролю, - вот что приводит к тихому отказу насоса через полгода после чистого ввода в эксплуатацию. Рассчитайте NPSHa при минимальном уровне воды в резервуаре, максимальной температуре и максимальном расходе; сравните его с NPSHr при том же расходе; и заложите достаточно большой запас, чтобы покрыть то, что вы не можете предсказать.
В этом сравнении и заключается вся работа.