Автоматизированное управление центробежными насосами

Центробежные насосы Центробежные насосы широко используются в промышленном производстве и инженерных системах для перекачки различных жидких сред. Однако в процессе эксплуатации часто возникает явление, существенно влияющее на производительность и срок службы насосов, — кавитация. Кавитация не только снижает КПД центробежных насосов, но и вызывает серьёзные повреждения таких важных компонентов, как рабочие колёса, и может привести к полному выходу оборудования из строя. Поэтому изучение и понимание причин возникновения кавитации в центробежных насосах имеет большое значение для рационального проектирования, правильного монтажа и безопасной эксплуатации насосов. Ниже, Аньхой Шэнши Датанг предоставлю вам подробное введение.1. Основная концепция кавитацииКавитация – это явление, при котором при течении жидкости через рабочее колесо насоса локальное давление падает ниже давления насыщенных паров жидкости при её рабочей температуре, что приводит к частичному испарению жидкости и образованию множества мельчайших пузырьков пара. Когда эти пузырьки переносятся потоком жидкости в область с более высоким давлением, окружающее давление быстро возрастает, что приводит к их мгновенному схлопыванию и конденсации обратно в жидкость. Схлопывание этих пузырьков создаёт интенсивные ударные волны и локальные высокие температуры, которые воздействуют на поверхность рабочего колеса, приводя к усталостной язвенной коррозии или выкрашиванию металла. Это явление кавитации в центробежных насосах.Суть кавитации – результат совместного действия гидродинамики и термодинамики. Основной причиной является неравномерное распределение давления в жидкости. При слишком высокой локальной скорости потока или неоптимальной геометрической конструкции локальное давление падает, запуская циклический процесс испарения и схлопывания пузырьков.2. Основная причина кавитацииОсновная причина кавитации в центробежных насосах заключается в том, что локальное давление жидкости внутри насоса падает ниже давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. В центробежном насосе жидкость поступает из всасывающего патрубка во входное отверстие рабочего колеса. По мере постепенного сужения проточного канала скорость жидкости увеличивается, и статическое давление, следовательно, уменьшается. Когда локальное давление падает до давления насыщенных паров жидкости, жидкость начинает испаряться, образуя пузырьки пара. Эти пузырьки переносятся в область высокого давления к середине и выходу рабочего колеса, где они быстро схлопываются под высоким давлением. Высокоэнергетические ударные волны, высвобождаемые при схлопывании пузырьков, вызывают эрозию металла на поверхности рабочего колеса, повышенную вибрацию насоса, повышенный шум и такие проблемы, как снижение расхода и напора.3. Основные факторы, приводящие к кавитацииа. Чрезмерная высота всасывания: Если насос установлен слишком высоко или уровень всасываемой жидкости слишком низкий, давление на стороне всасывания падает. По мере движения жидкости к входу рабочего колеса давление падает ещё больше. Когда давление падает ниже давления насыщенных паров, происходит испарение. Если высота всасывания превышает допустимый NPSH (чистый положительный напор), кавитация неизбежна.б. Чрезмерное сопротивление всасывающей линии: Слишком длинный, слишком узкий всасывающий трубопровод, слишком большое количество колен или частично закрытый клапан приводят к значительным потерям давления на трение и локальным потерям давления. Пониженное давление на всасывающем конце приводит к дальнейшему падению давления на входе в рабочее колесо, что повышает вероятность кавитации. Кроме того, утечка воздуха или ненадлежащее уплотнение во всасывающем трубопроводе могут привести к попаданию газа в жидкость, что усиливает кавитацию.в. Чрезмерно высокая температура жидкости: Повышение температуры жидкости значительно увеличивает давление её насыщенных паров, что делает её более склонной к испарению. Например, давление насыщенных паров воды относительно низкое при комнатной температуре, но существенно возрастает при высоких температурах. Даже если давление всасывания остаётся неизменным, условие испарения может быть выполнено при повышении температуры, что приводит к кавитации.г. Низкое давление на входе или пониженное давление окружающей среды: Когда давление на всасывающем отверстии насоса падает (например, из-за падения уровня жидкости, вакуума в расходной емкости или низкого атмосферного давления окружающей среды (например, на большой высоте)), давление на всасывающем отверстии становится недостаточным, что значительно облегчает испарение жидкости на входе в рабочее колесо.е. Неправильная конструкция или установка насоса: Конструкция насоса напрямую влияет на его кавитационные характеристики. Например, слишком малый диаметр входного отверстия рабочего колеса, необоснованно большой угол наклона передней кромки лопасти или шероховатая поверхность рабочего колеса могут привести к нестабильному потоку жидкости, что приводит к резкому локальному падению давления. Кроме того, несоблюдение требований производителя к требуемому кавитационному запасу жидкости (NPSHr) при монтаже или установка насоса на слишком большой высоте также могут привести к кавитации.е. Ненадлежащие условия эксплуатации: Когда насос работает с расходом, отклоняющимся от расчетного значения, работает в течение длительного времени при низком расходе или при резкой регулировке клапанов, распределение давления жидкости изменяется, что также может вызвать локальное испарение и кавитацию.4. Последствия и опасности кавитацииОпасности кавитации для центробежные насосы проявляются в основном в следующих аспектах:а. Повреждение металлической поверхности: Удары высокого давления, возникающие при схлопывании пузырьков, вызывают точечную эрозию на поверхности рабочего колеса. Длительное развитие этого процесса может привести к усталости материала, выкрашиванию и даже перфорации рабочего колеса.б. Снижение производительности: Кавитация приводит к значительному снижению расхода, напора и эффективности, изменяя характеристические кривые насоса.в. Вибрация и шум: Ударные силы, возникающие вследствие кавитации, вызывают механическую вибрацию и высокочастотный шум, влияющие на стабильную работу оборудования.г. Сокращение срока службы: Длительная работа в условиях кавитации ускоряет механический износ, сокращая срок службы подшипников, уплотнений и рабочего колеса.5. Меры по предотвращению кавитацииДля предотвращения или уменьшения кавитации необходимо принять меры с точки зрения проектирования, монтажа и эксплуатации:а. Выберите разумную высоту установки. для обеспечения достаточного давления на стороне всасывания, благодаря чему доступный NPSH (NPSHa) превышает требуемый NPSH насоса (NPSHr).б) Оптимизировать всасывающий трубопровод. сократив ее длину, уменьшив количество колен, увеличив диаметр трубы, оставив всасывающие клапаны полностью открытыми и не допуская попадания воздуха.в. Контролировать температуру жидкости путем охлаждения или снижения температуры в резервуаре для хранения с целью уменьшения давления насыщенных паров жидкости.г. Увеличить давление на входе, например, путем установки подкачивающего насоса, повышения давления на поверхность жидкости или размещения емкости с жидкостью на большей высоте.е. Улучшить конструкцию рабочего колеса путем использования материалов и геометрий с хорошими антикавитационными свойствами, например, путем добавления индуктора или оптимизации угла входа лопатки.f. Поддерживайте работу насоса вблизи его проектного значения., избегая длительной работы при низких расходах или других ненормальных рабочих условиях.Подводя итог, можно сказать, что возникновение кавитации в центробежных насосах в первую очередь обусловлено слишком низким давлением жидкости на входе в рабочее колесо, ниже давления насыщенных паров, что приводит к испарению и последующему схлопыванию пузырьков. К факторам, приводящим к этому явлению, относятся чрезмерная высота всасывания, чрезмерное сопротивление всасыванию, высокая температура жидкости, низкое давление на входе, а также неправильная конструкция или эксплуатация. Кавитация не только влияет на производительность насоса, но и приводит к серьёзным повреждениям оборудования. Поэтому как при проектировании, так и при эксплуатации необходимо уделять особое внимание предотвращению и контролю кавитации. Рациональная конфигурация системы, оптимизация конструктивных параметров и улучшение условий эксплуатации обеспечивают безопасную и эффективную работу могут быть обеспечены центробежные насосы.

  В предыдущем разделе мы обсудили причины кавитации в центробежных насосах. Ниже: Аньхой Шэнши Датанг введут меры по предотвращению центробежный насос кавитация. 1. Улучшения в конструкции и материалах С точки зрения конструкции и материалов для предотвращения или снижения опасности кавитации центробежного насоса можно предпринять следующие меры: А. Проектирование оптимизации зазоров: Увеличьте зазор между движущимися частями, особенно между рабочим колесом и корпусом насоса, а также между уплотнительным кольцом и валом, чтобы снизить риск заедания из-за теплового расширения. Исследования показывают, что увеличение стандартного зазора на 15–20% может значительно снизить вероятность заедания при кавитации, практически не влияя на КПД насоса. Б. Выбор и обработка материала: а. Провести отпускную термическую обработку вала насоса для повышения его твердости и износостойкости, а также снижения деформации и износа при кавитации. б. Выбирайте материалы с низкими коэффициентами теплового расширения, такие как нержавеющая сталь или специальные сплавы, чтобы свести к минимуму изменения зазоров, вызванные тепловым расширением. в. Для повышения износостойкости наносите износостойкие покрытия, например, из твёрдых сплавов, или используйте керамические материалы для основных трущихся деталей, таких как уплотнительные кольца. C. Улучшения системы герметизации: а. Используйте механические уплотнения, смазка которых не зависит от перекачиваемой среды, например, механические уплотнения с газовой смазкой или двойные механические уплотнения. б. Настройте внешние системы смазки, обеспечивающие смазку уплотнительных поверхностей даже при кавитации насоса. в. В качестве уплотнений используйте самосмазывающиеся набивки, например, композитные набивки, содержащие ПТФЭ.   D. Оптимизация системы подшипников: а. Используйте закрытые самосмазывающиеся подшипники, чтобы уменьшить зависимость от внешнего охлаждения. б. Добавить независимые системы охлаждения подшипников, чтобы обеспечить поддержание нормальной температуры подшипников даже при кавитации насоса. в) Выбирайте подшипники и смазочные материалы с более высокой устойчивостью к температурам. E. Улучшения конструкции полости насоса: а. Для особых случаев применения предусмотрите место для хранения воды, чтобы насос мог поддерживать минимальный объем жидкости даже при кратковременном дефиците воды. б. Самовсасывающие насосы обычно проектируются с увеличенным объёмом насосной полости и специальными устройствами для разделения газа и жидкости, что позволяет им лучше справляться с кратковременной кавитацией. Практика показывает, что разумное проектирование и выбор материалов позволяют снизить риск повреждения при кавитации центробежного насоса более чем на 50%, а также продлить общий срок службы оборудования. 2. Применение систем мониторинга и управления Современные технологии мониторинга и управления обеспечивают эффективные средства предотвращения кавитации центробежных насосов: А. Системы обнаружения кавитации: а. Контроль расхода: установите расходомер на выходе насоса, чтобы автоматически подавать сигнал тревоги или отключать насос, когда расход падает ниже заданного значения. б. Мониторинг тока: во время кавитации нагрузка на двигатель уменьшается, что приводит к значительному падению тока; кавитацию можно обнаружить, отслеживая изменения тока. в. Мониторинг давления: резкое падение или увеличение колебаний выходного давления является ключевым показателем кавитации. г. Мониторинг температуры: аномальное повышение температуры в механических уплотнениях, подшипниках или корпусе насоса может косвенно указывать на состояние кавитации. Б. Системы контроля уровня жидкости: а. Установите датчики уровня в резервуарах для воды, отстойниках и других водозаборных сооружениях, чтобы автоматически останавливать насос, когда уровень падает ниже безопасного значения. б. Для особых случаев установите двухуровневую защиту: сигнализацию низкого уровня и принудительное отключение насоса при очень низком уровне. в. Используйте бесконтактные уровнемеры (например, ультразвуковые, радарные), чтобы избежать потенциальных проблем с заклиниванием, связанных с традиционными поплавковыми выключателями. C. Интегрированные интеллектуальные системы управления: а. Интеграция нескольких параметров (расхода, давления, температуры, уровня) в систему ПЛК или РСУ для более точного определения состояния кавитации посредством логической оценки. б. Настройте два уровня защиты: предупреждение о кавитации и сигнал тревоги о кавитации. Система может попытаться автоматически скорректировать рабочие условия при появлении предупреждения и принудительно отключить систему при срабатывании тревоги. в) Использовать экспертные системы или технологии искусственного интеллекта для заблаговременного прогнозирования потенциальных рисков кавитации посредством анализа исторических данных. D. Удаленный мониторинг и управление: а. Использовать технологию Интернета вещей для удаленного мониторинга насосных станций, что позволит своевременно выявлять неисправности. б) Разработка моделей прогнозирования неисправностей для раннего предупреждения о потенциальных рисках кавитации с помощью анализа больших данных. в) Настройте системы автоматической записи и отчетности для регистрации изменений рабочих параметров, что позволит получить основу для анализа неисправностей. Данные показывают, что центробежные насосы, оснащённые современными системами мониторинга и управления, подвержены кавитации более чем на 85% реже, чем традиционное оборудование, что значительно снижает затраты на техническое обслуживание. Ценность этих систем особенно очевидна на необслуживаемых насосных станциях.   3. Эксплуатационные процедуры и управление техническим обслуживанием Научные рабочие процедуры и управление техническим обслуживанием являются важнейшими звеньями в предотвращении центробежный насос кавитация: А. Предпусковые проверки и подготовка: а. Убедитесь, что клапаны на всасывающей линии полностью открыты и фильтры не засорены. б) Проверьте герметичность корпуса насоса и трубопроводов, чтобы убедиться в отсутствии мест утечки воздуха. в. Перед первым запуском или после длительного простоя убедитесь, что насос полностью заправлен и из него полностью удален воздух. г. Вручную проверните вал насоса на несколько оборотов, чтобы убедиться, что он вращается легко и без чрезмерного сопротивления. Б. Правильные процедуры запуска и выключения: а. Сначала откройте всасывающий клапан, затем нагнетательный клапан, избегая запуска при закрытом нагнетательном клапане. б. Для больших насосов сначала слегка приоткройте выпускной клапан, а затем полностью откройте его, как только работа стабилизируется. в. При остановке насоса сначала закройте нагнетательный клапан, затем двигатель и, наконец, всасывающий клапан, чтобы предотвратить обратный поток и гидравлический удар. г. В регионах с холодной зимой сразу же после выключения насоса слейте жидкость из корпуса, чтобы предотвратить замерзание. C. Мониторинг и управление во время эксплуатации: а. Создайте систему операционного журнала для регулярной записи таких параметров, как расход, давление, температура и ток. б. Внедрить систему обходов для оперативного обнаружения аномального шума, вибрации или утечек. в. Избегайте длительной работы при низком расходе; при необходимости установите обводную линию минимального расхода. г. В многонасосных параллельных системах обеспечьте разумное распределение нагрузки между насосами, чтобы избежать перегрузки одного насоса или кавитации. D. Регулярное техническое обслуживание и осмотр: а. Регулярно очищайте фильтры всасывающей линии, чтобы предотвратить засорение. б. Проверьте состояние механических уплотнений или сальниковых уплотнений и немедленно замените изношенные или поврежденные детали. в. Регулярно проверяйте температуру подшипников и состояние смазки, добавляя или заменяя смазку по мере необходимости. г. Периодически измеряйте зазоры уплотнительных колец, чтобы убедиться, что они находятся в допустимых пределах. е. Проверьте чистоту балансировочных труб и отверстий (применимо к многоступенчатым насосам). E. Обучение и управление персоналом: а. Обеспечить профессиональную подготовку операторов и обслуживающего персонала для улучшения их способности выявлять и устранять неисправности. б) Разработать четкие системы ответственности и планы действий в чрезвычайных ситуациях для обеспечения быстрого реагирования в случае возникновения нештатных ситуаций. в) создать механизмы обмена опытом для оперативного обобщения и распространения опыта устранения неисправностей. Практика показывает, что продуманные процедуры эксплуатации и управления техническим обслуживанием позволяют сократить незапланированные простои центробежных насосов более чем на 70%, значительно повышая надежность оборудования и срок его службы.   4. Меры реагирования на чрезвычайные ситуации Несмотря на различные профилактические меры, кавитация в центробежных насосах может возникать при особых обстоятельствах. В таких случаях необходимо принимать экстренные меры для минимизации потерь: А. Быстрая идентификация и остановка: а. При обнаружении признаков кавитации, таких как ненормальный шум, повышенная вибрация или внезапное падение давления нагнетания, насос следует немедленно остановить для проверки. б. Для критически важного оборудования могут быть установлены кнопки аварийной остановки, позволяющие немедленно остановить насос при обнаружении отклонений от нормы. в) Не запускайте насос повторно, пока не убедитесь и не устраните причину кавитации, чтобы избежать усугубления повреждений. Б. Меры экстренного охлаждения: а. Если обнаружено, что корпус насоса перегрет, но серьёзных повреждений ещё не произошло, можно предпринять внешние меры по охлаждению, например, обернуть корпус насоса мокрой тканью или слегка распылить на него воду (следя за тем, чтобы она не попала на электрические компоненты). б. Не охлаждайте сразу перегретые подшипники холодной водой, чтобы предотвратить повреждение от термического напряжения. C. Восстановление нормального поступления жидкости: а. Проверьте и устраните засоры во впускном трубопроводе. б) При недостаточном уровне жидкости немедленно пополните запас воды или уменьшите высоту установки насоса. в. Проверить и устранить места утечки воздуха в трубопроводной системе. D. Специальный мониторинг после перезапуска: а. При повторном запуске насоса после кавитации обратите особое внимание на герметичность уплотнения, нормальную ли температуру подшипника и находится ли вибрация в допустимых пределах. б. Возобновляйте нормальную работу только после того, как убедитесь, что все параметры в норме. в. Рекомендуется временно увеличить частоту инспекционных обходов для обеспечения стабильной работы оборудования. E. Оценка и ремонт повреждений: а. Насосы, подвергшиеся сильной кавитации, должны пройти комплексную проверку для оценки степени повреждения. б. При необходимости замените поврежденные компоненты, такие как механические уплотнения, уплотнительные кольца и подшипники. в. Осмотрите рабочее колесо и корпус насоса на предмет повреждений, вызванных кавитацией. Своевременное и эффективное аварийное реагирование позволяет минимизировать потери, вызванные кавитацией. Статистика показывает, что разумные аварийные меры могут сократить время восстановления оборудования более чем на 50% в аварийных ситуациях, а также снизить риск вторичных повреждений.