馬建偉，舒忠杰，黃學(xué)忠，周金兵

(中化藍(lán)天氟材料有限公司，浙江 紹興 312300)

計量泵也稱為定量泵或者比例泵，屬于往復(fù)式容積泵，主要應(yīng)用于需要精確計量的工況[1]。該類型泵由泵缸、柱塞和進(jìn)出口閥構(gòu)成(隔膜式計量泵具有隔膜結(jié)構(gòu))。柱塞在外部傳動機(jī)構(gòu)的推動下做往復(fù)運動，伴隨著進(jìn)出口閥門的開啟和關(guān)閉，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被輸送介質(zhì)的動能及內(nèi)能，達(dá)到輸送液體的目的[2]。由于柱塞的周期性往復(fù)運動是由曲軸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換而來，其速度變化服從正弦曲線，這也是引起計量泵振動的根源[3]。另外，由于計量泵瞬時流量是脈動的，管道內(nèi)的介質(zhì)不斷地加速和減速帶來管道內(nèi)部的壓力脈動，繼而引起管道振動[3-4]。在實際生產(chǎn)過程中，管道在超過合理范圍內(nèi)的振動會帶來難以忍受的噪音，更會影響泵正常運行，甚至?xí)构艿榔屏?，給生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運行帶來很大的安全隱患，因此研究消除計量泵振動具有重要意義[5-6]。

1 生產(chǎn)實例分析

在實際生產(chǎn)過程中，消除計量泵振動主要有以下幾種常用方法：（1）通過縮短計量泵支座間距，減少計量泵進(jìn)出口管道中的彎頭，加固進(jìn)出口管道等措施解決計量泵振動問題[6]；（2）在計量泵進(jìn)口增加囊式蓄能器、背壓閥和出口增加囊式緩沖罐來減緩管路系統(tǒng)內(nèi)的液流激振力，從而降低計量泵的振動[7-8]；（3）通過提高隔膜計量泵汽蝕性能，來消除計量泵振動[9]。由于在實際生產(chǎn)過程中成本和經(jīng)濟(jì)效益問題以及現(xiàn)場條件和工藝條件的限制，本研究通過第三種方法來消除計量泵的振動問題，在實施過程中取得了較好的效果。

1.1 生產(chǎn)過程問題描述

隔膜計量泵工藝流程、電機(jī)型號及參數(shù)分別見圖1 和表1。

圖1 計量泵管道布置圖

表1 電機(jī)型號及參數(shù)

計量泵將物料從儲槽送至換熱器，經(jīng)實際測量，儲槽的壓力介于0.03～0.16 MPa，泵出口壓力為1.2 MPa，管道均為DN50 碳鋼管。儲槽與泵進(jìn)口高度差為7 m，水平方向距離為3 m。裝置初次開車運行后，該計量泵的進(jìn)出口管路振動劇烈，入口處單向閥撞擊聲過大，且實際工作流量低于設(shè)計流量。

1.2 理論分析計算

該計量泵在前期運行中，振動劇烈，同時伴有較大的噪聲，這會給生產(chǎn)帶來較大風(fēng)險。如前文所述，計量泵通過電機(jī)的圓周運動，利用曲軸帶動柱塞進(jìn)行往復(fù)運動，這種往復(fù)運動使得進(jìn)料管道內(nèi)液體流動也呈脈沖式急加速和急減速，造成泵管道振動。該泵在運行過程中實際流量一直不足，初步猜測是由于管路的安裝不合理，使得泵產(chǎn)生了汽蝕，導(dǎo)致吸液量不足從而造成該計量泵管道劇烈振動。參考API675 標(biāo)準(zhǔn)以及HG/T 20570 — 95 標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式（1），考察該泵是否存在汽蝕導(dǎo)致的吸液量不足情況。

式（1）中：NPSHa為泵的有效凈吸入壓頭，m；P1為泵入口側(cè)儲槽最低工作壓力，kPa；Pv為泵進(jìn)口條件下液體飽和蒸汽壓，kPa；ρ 為輸送物質(zhì)的密度；H1為吸入液面與泵基礎(chǔ)頂面的垂直高度，吸上取負(fù)值，灌注取正值，m；△P1為管道引起的壓力損失，kPa；△Pe1為設(shè)備引起的壓力損失，kPa；Kacc為往復(fù)泵脈沖損失系數(shù)；H1acc為吸入管線加速度損失，m；L1為泵吸入管道直線長度，m；Vd為泵的設(shè)計流量，m3/h；R 為泵往復(fù)次數(shù)，min-1；C為泵型系數(shù)；D1為吸入管徑內(nèi)徑，mm；Kl為液體校正系數(shù)；K 為泵流量安全系數(shù)，為泵的設(shè)計流量與正常流量之比。

在該裝置中，計量泵輸送量為1 m3/h，吸入側(cè)儲槽的壓力為101 kPa，管損△P1=0.41 kPa，，NPSHr=8 m。結(jié)合實際運行情況和查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得到進(jìn)口管路NPSHa=6.7 m ＜NPSHr=8 m，無法滿足NPSHa＞NPSHr，表明該泵發(fā)生汽蝕。在管損，△P1=0.41 kPa，計算出吸入管線的加速度損失H1acc達(dá)到了5.44 m，從而可知該計量泵的NPSHa值偏小主要是由于加速度損失H1acc偏大造成。

1.3 改造方案

1.3.1 柱塞往復(fù)速度對實際流量的影響

根據(jù)上文理論分析，該計量泵的劇烈振動可能與計量泵汽蝕余量不足有關(guān)，泵進(jìn)口長期處于吸液量不足進(jìn)而引起管線劇烈振動。因此可通過研究降低泵的汽蝕，使泵進(jìn)口管路的NPSHa＞NPSHr，以解決泵的振動問題。結(jié)合公式（1）可知，NPSHa與H1acc有較大關(guān)聯(lián)，而加速度損失H1acc與入口管線長度L1、泵的往復(fù)速度R 成正比，且與入口管徑D12成反比。由于現(xiàn)場條件和工藝條件的限制，綜合考慮改造方案更傾向于通過降低泵的往復(fù)速度來降低加速度損失，降低泵的汽蝕，從而消除計量泵的振動。

為了保證輸送流量在正常生產(chǎn)的水平，調(diào)整計量泵柱塞往復(fù)速度，同時調(diào)節(jié)柱塞行程，具體操作結(jié)果如表2 所示。

表2 實際流量隨計量泵往復(fù)速度的變化

從表2 中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)泵的往復(fù)速度在132 min-1以上時，實際流量明顯低于理論流量，而在132 min-1以下，實際流量與理論流量的偏差隨著往復(fù)速度的下降而減小。這也證實了上文理論分析結(jié)果，該計量泵產(chǎn)生了汽蝕，造成了進(jìn)口處吸液量不足。試驗過程中，該計量泵的實際流量一直低于理論流量，可能是泵的單向閥出現(xiàn)泄漏或者存在死區(qū)導(dǎo)致的。在計量泵往復(fù)速度為92 min-1，柱塞行程為71%時，重新進(jìn)行核算，NPSHa達(dá)到了9.47 m，成功解決了泵的汽蝕余量不足問題。

1.3.2 計量泵往復(fù)速度對振動幅度的影響

測試該計量泵在不同的往復(fù)速度下泵進(jìn)口管路的振動幅度，管路的振動數(shù)據(jù)收集均在電機(jī)調(diào)速完成5 min 之后進(jìn)行，測量三次取平均值，測試結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，隨著計量泵往復(fù)速度的不斷降低，泵進(jìn)口管道的振動幅度不斷降低。在往復(fù)速度降至92 min-1后，振幅明顯降低，同時計量泵進(jìn)口單向閥的撞擊噪音也明顯減弱。最后，選取計量泵的最優(yōu)運行條件為往復(fù)速度92 min-1，柱塞行程71%，測得泵的實際輸送流量為1200 kg/h，且管道振動幅度降低至1.2 mm/s[10]，滿足生產(chǎn)需要，使裝置運行更加平穩(wěn)。

圖2 進(jìn)口管路振幅隨計量泵往復(fù)速度的變化

2 總結(jié)

本文通過理論計算與實驗探究，確定了計量泵振動幅度過大是由于該泵產(chǎn)生了汽蝕，且由于進(jìn)口管路過長，彎頭過多，導(dǎo)致加速度損失偏大，從而使得計量泵振動劇烈。并結(jié)合實際改造難度和經(jīng)濟(jì)成本條件，探究得出在計量泵柱塞往復(fù)速度為92 min-1，柱塞行程為71%，測得泵管道振動幅度降低至1.2 mm/s，且泵的實際輸送流量達(dá)到1200 kg/h，解決了該泵振動問題，使得裝置平穩(wěn)運行。

改造后的計量泵管道系統(tǒng)能夠長時間平穩(wěn)運行。通過本案例可以發(fā)現(xiàn)，計量泵進(jìn)口管路的加速度損失在于管道過長，不可輕視。在項目初期設(shè)計泵入口管路時應(yīng)當(dāng)注意這一點，盡量選擇較大管徑的管路，減少管道的彎頭閥門數(shù)量，能夠有效降低以上問題出現(xiàn)的概率。