浅议单级卧式双吸离心泵在工业循环冷却水系统中的应用
来源：上海宝钢工程技术有限公司 阅读：2736 更新时间：2009-10-23 09:381.概述
在工业循环冷却水系统中，循环供水泵一般要求为大流量(单泵常规流量在几百m3/h以上、最大流量可达上万m3/h)、中扬程(最常见的水泵出水压力在0.4~0.6MPa、水泵扬程一般最高不会超过1.6MPa)，水泵的工作制度是连续24小时供水，另外循环水系统对水量要求也比较恒定。单级卧式双吸离心泵因适宜工业循环冷却水系统的供水工况要求，并且具有结构紧凑、整体可靠性和稳定性高、相对不易汽蚀、检修方便等特点，应用最为广泛。
本文就单级卧式双吸离心泵在工业循环冷却水系统中的应用，包括水泵选型要点、在使用中常见的问题及解决的方法等做了初步的分析和探讨，供实际工程和生产应用的参考。
2.水泵选型要点
水泵的选型是包括基本参数的确定、主要部件材质、轴封形式、联轴器等的选择。
2.1水泵基本参数的确定
水泵选型应根据工程的具体要求，设定水泵的基本参数。水泵的基本参数包括流量(m3/h)、扬程(mH2O)、转速(r/min)、汽蚀余量NPSH(mH2O)、效率(%)、轴功率(kW)、比转数等。循环冷却水系统供水泵主要需要讨论的参数为流量、扬程、转速。
2.1.1流量和扬程
流量和扬程是水泵最基本的两个参数。对于循环冷却水系统供水泵来说，流量和扬程主要是根据工艺设备的用水要求和管网系统的水力损失计算来确定的。
但是在确定供水泵的流量和扬程时要注意以下几点：
①对于冷却水系统而言，设备冷却的效果主要取决于冷却水量的多少，在满足了工艺设备进口所需要的压力的前提下，水量应当留有一定的富裕，作为水力平衡调节时使用(通常的工业循环冷却水系统为多用户系统，设计很难保证每个用户均能处于刚好满足其需要水量的工况)；
②在确定水泵的扬程时，首先要进行准确的水力计算，另外，水泵的扬程不宜留有太多的富余量；这是因为工艺设备所提出的水压要求往往是按照最不利条件设定的，其水压要求的本身已经留有富裕量；如果水泵的扬程再留有太多的富裕，实际在用户处的压力根本远达不到这种情况，根据水泵的特性曲线和管道的特性曲线，水泵实际扬程会下降，流量将会变大，而电机的流量会大幅度上升，功率也会大幅度上升，如果超出额定值，可能会损坏电机；另外，随着流量的大幅度上升，水泵的转速也会变大，会对水泵的泵轴产生不利影响；同时，泵在大流量运转时，水泵的必需汽蚀余量(NPSHr)也会大幅度上升，容易产生汽蚀，也会增加水泵断轴的几率；
③大型工业循环冷却水系统通常采用多台水泵并联运行，如二用一备、三用一备、四用二备等工况是经常出现的，这时必须要意识到水泵并联运行后，单台水泵的出水能力受管路特性曲线和水泵特性曲线的共同作用必然减小，因此，在确定水泵的流量参数时，必须加以注意。在一般情况下，二用一备的工况，单台工作泵的流量下降为只开一台水泵流量时的约90%。
2.1.2转速
水泵转速是影响水泵性能的重要参数，通常有2900rpm、1450rpm、950prm等。转速越高，所需的叶轮直径就越小，水泵体积小，相同的流量所需要的电机功率就小，但水泵的必需汽蚀余量(NPSHr)值大，容易发生汽蚀；转速越低，所需的叶轮直径就越大，水泵体积大，相同的流量所需要的电机功率就大，但运行平稳、声音小，且水泵的必需汽蚀余量(NPSHr)值小，水泵的使用寿命长。
采用高转速的水泵，可以节约一次性成本、降低水泵的能耗，需要的安装空间小，一般在目前的工业循环冷却水系统的设计都时，均选用高转速的水泵。
但是，水泵转速高同时也带来了噪声大这一弊病，特别时在大型循环冷却水露天泵场，几台设置几十台大功率、高转速水泵噪声的叠加，对环境已经带来了影响。从环保的角度而言，应选用低噪声的工艺和设备，因此，在大型循环冷却水系统的露天泵场设计时，要加以反复权衡考虑，判断水泵作为噪声源对周边环境的影响。噪音的测量应遵守《工业企业噪声卫生标准》的规定，在距水泵、电动机1.0米处的噪声不应超过85分贝。
2.2确定各主要部件的材质、轴封形式以及联轴器等
2.2.1水泵各部件材质要求
水泵的主要部件有水泵壳体、叶轮等。
常见的大型工业循环冷却水系统的单级卧式双吸离心泵的壳体材质有铸钢、球墨铸铁、不锈钢等，普通铸铁材质在国内大型工业企业中较少应用。由于工业循环冷却水系统的压力一般不高，因此确定泵壳壳体的材质主要取决于循环水水质。当循环水为纯水循环水或软化水循环水时，由于纯水或软化水具有较高的腐蚀性，因此壳体材质一般采用不锈钢或球墨铸铁。当循环水为普通工业净循环水(敞开式)，壳体材质一般采用铸钢。当循环水为浊循环水时，壳体材质也一般采用球墨铸铁。
在工业循环冷却水系统中，水泵叶轮的材质主要也取决于循环水的水质情况。水泵叶轮常见的材质有铸铁、球墨铸铁、铸钢、铝合金、不锈钢、铜等。工业净循环(包括纯水或软化水密闭循环)水泵的叶轮材质主要考虑耐腐蚀性，以不锈钢、铜为主；而浊循环水泵的叶轮材质主要考虑耐磨的因素，以铸钢、球墨铸铁为主。
2.2.2水泵轴封的确定
泵内流体和泵体外大气间存在着压差，流体沿着轴和壳体间的间隙向外泄漏，为此需要设置轴封。轴封是防止泵轴与壳体处泄漏而设置的密封装置，泵内压力大于大气压时，轴封防止液体向外泄漏；泵内压力小于大气压时，轴封防止空气向泵泄漏。
对于卧式单级双吸离心泵而言，水泵的泄漏量主要发生在轴封处。轴封的泄漏量会导致水泵的容积损失，从而导致水泵的水力损失。因此，合理的确定水泵的轴封形式非常重要。
目前水泵常用的轴封有填料密封和机械密封。
普通机械密封一般是由动环(随轴一起旋转并作轴向移动)、静环、压紧元件(弹簧)和密封元件(密封圈)等组成，动环靠密封腔中液体的压力和压紧元件的压力，使其端面贴合在静环的端面上，形成微小的轴向间隙而达到密封的目的；目前已经开始广泛使用的第三代集装式机械密封已经把动环、静环、压紧元件和密封元件等组合成一个集合体，在泵体上安装方便、快捷，但是价格远远高于普通的填料密封[1]。
填料密封是把软填料塞入填料函内，用压盖压紧，靠轴或轴套外表面与填料内表面的柱面来密封。水泵的填料密封一般采用盘根形式，盘根与轴直接接触，且相对转动，造成轴与轴套的磨损，所以必须定期或不定期更换轴套；为散去盘根与轴或轴套摩擦产生的热量，必须保持一定的泄漏量。
机械密封与填料密封主要性能比较见表1。
表1 机械密封与填料密封主要性能比较
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从上述的性能比较并结合工程实际，在循环冷却水系统供水泵轴封形式的确定时要注意以下几点：
①密闭式工业循环水系统(包括软化水循环水系统和纯水循环水系统)，循环水不与外界接触，水泵的扬程仅考虑克服管网系统内部的水头损失，稍许的水量损失都会引起管网压力的急剧波动，其轴封应选用普通机械密封或集装式机械密封；
②敞开式循环水系统，包括工业净循环水系统和浊循环水系统，从价格因素考虑，可采用填料密封；盘根有低等级纤维盘根、普通纤维盘根、多胶心弹性盘根、单胶心弹性盘根、高等级纤维盘根、特种专用盘根等；在选用盘根时，对于工业净循环水，低等级纤维盘根、普通纤维盘根均可满足常规要求；但是当循环水介质为浊循环水，要注意盘根应采用灰渣介质专用的盘根，采用耐磨纤维编织而成，使盘根在具有良好的抗拉强度的同时具有更大的柔韧性与持久的耐磨性，同时采用外接冷却冲洗水；在现场实际曾发生过，浊循环水泵安装了普通的盘根，没有正常的排水，经拆开检查后发现，浊循环水的污染物已经污染了盘根，使盘根变为一个致密的部件，连水泵轴套都被磨损坏了。
2.2.3联轴器
联轴器是把电机和水泵联接起来的一种重要装置。它的主要任务是传递扭矩。目前应用于卧式单级双吸离心泵的联轴器主要为膜片式联轴器和弹性柱销联轴器。
膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢薄扳）用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移。
弹性柱销联轴器是利用若干非金属弹性材料制成的柱销，置于两半联轴器凸缘孔中，通过柱销实现两半联轴器联接。
弹性柱销联轴器结构紧凑，装配方便，具有一定的弹性和缓冲性能，补偿两轴相对位移量不大，当位移量过大时，联轴器的工作性能恶化，弹性件易损坏。膜片联轴器易平衡，且易保持平衡精度，不需润滑，对环境适应性强，且具有较好的补偿两轴相对位移的性能，径向载荷能力大，可在高转速下运行，但扭转刚度大，缓冲减振能力相对较差。
在目前工业循环冷却水系统中，单级卧式双吸离心泵较多使用弹性柱销联轴器，主要原因在于随着水泵技术以及水泵安装技术的不断提高，泵轴和电机轴之间位移量较大的情况已经很少发生，弹性注销联轴器与膜片式联轴器比较更便于维修。当弹性注销联轴器的单个柱销损坏时，可更换单个柱销；而膜片式联轴器如果某组膜片损坏，通常也就意味着整个膜片式联轴器需要更换了。
3.使用中常见的问题及解决的方法
3.1水泵的振动问题
在大型工业循环冷却水系统中，常出现水泵振动超标或噪声较大的情况。按有关标准规定，泵组在正常运行时(设计点)，其振动值双幅不大于0.06mm（保证值）。按照《工业企业噪声卫生标准》的规定，在距水泵、电动机1.0米处的噪声不应超过85分贝。
水泵振动超标或噪声较大的原因有以下几种：
①水泵安装过程中没有校准，水泵安装垂直度或平整度误差较大，水泵与电机两轴的不同心度过大，从而影响水泵的正常运行；
②管网系统和水泵中积气；工业循环水管网中的积气在所难免，主要来源于管网系统充水时所残留的空气和因管道局部流速过高而从水中析出的空气；特别对于密闭式工业循环水管网，其管路十分复杂，且管路本身又是密闭式的，管网中产生积气后，往往难于迅速排除，就会造成局部气阻或气蚀，对正常的管道水流工况(包括流量和压力)产生影响，乃至会出现管道和水泵振动的现象；
③水泵本身设备质量问题，本文不做具体讨论。
针对上述情况所采取的主要措施有：
①加强水泵安装过程中的校准工作，一般应由水泵厂的专业技术人员现场指导水泵的安装；
②细化管路系统设计工作；在水泵进出口管路设计时，要尽量避免管道转弯处距离水泵进出口太近，也就是管路急转弯；水泵进出口的异径管的长度尽量加长，以求得稳定的水流，减少水中空气从湍急的水流中分离出来的现象；避免不必要的管道的上下翻越；对闭式循环水系统要特别增加排气措施(如设置排气阀)等[2]。
3.2实际工况与设计工况存在偏差
在实际水泵运行过程中，理论的计算与实际是有一定区别的，水泵的工况未必完全符合设计的要求。另外，水泵本身的性能也随着时间的迁移而发生变化，导致水泵的特性曲线发生变化。
在循环水系统投运后，首先要进行管网水力平衡调试。所谓管网水力平衡调试工作，就是在所有的循环水处理设施、循环水管路、管路上所有的阀门配件等均已经安装完毕、所有用户点的给回水管道均接通的前提下，运用各种调节措施和调节手段，使循环水管路的实际工况点(包括流量、压力)，按接近原设计要求的状态运行，使循环水系统内部各用户用水量和供水水压的要求均能得到满足。只有整个循环水管网处于设计工况，才能使循环供水泵处于设计工况[3]。
另外，为使水泵符合要求的流量和扬程，使水泵的工作曲线和管路特性曲线一致，可采用调节水泵出水阀门的方法，但能量投耗于阀门损失不经济，且阀门容易磨损。一般可通过更换叶轮或切削叶轮、改变水泵转数、改变叶片安装角度等方法来调节[4]。
4.小结
总之，水泵的正确选择、合理使用对于保证循环冷却水系统的正常运行至关重要。选型不合理，会使水泵处于不合理的运行状态，造成维修成本大幅度上涨。
参考文献
[1]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社，1995.
[2]金亚飚.工业循环冷却水系统管网水力平衡调试[J].给水排水，2008，34(2)：119-122.
[3]金亚飚.密闭式工业循环冷却水系统设计要点浅析[J].冶金动力，2008，增刊(7)，111-113.
[4]金亚飚.钢铁企业工业循环冷却水系统水力平衡设计[J].给水排水，2008，34(3)：70-73.
作者简介：金亚飚(1975.12- )，男，汉族，籍贯江苏省常熟市，同济大学环境工程学院给水排水工程专业本科毕业，学士学位，高级工程师/注册公用设备工程师，主要从事钢铁企业给排水设计工作。
