محدوده عملکرد مجاز پمپ های سانتریفیوژ چیست؟

[ramincm]

بدیهی است یک پمپ می بایست نزدیک محدوده نقطه بهترین راندمان انتخاب شود.این منطقه را محدوده ارجح عملکرد پمپ یا Preferred Operation range می نامند. عملکرد پمپ در این منطقه باعث کاهش هزینه های مصرف انرژی، تعمیرات و کاهش خطرات در اثر مشکلات سیستم ناشی از نیروهای هیدرولیکی و کاویتاسیون می گردد. به عنوان یک قانون، خیلی خوب است که نقطه کاری پمپ بسیار نزدیک به مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت پمپ باشد. اما، عملکرد خارج از نقطه طراحی در دوره های محدود، تقریباً اجتناب ناپذیر است. قوانین می بایست طوری تدوین شوند که محدوده مجاز عملکرد جهت کاهش خطرات ناشی از خرابی و فرسودگی بیش از حد، تعریف شود. برای این منظور، محدوده عملکرد باید برای عملکرد دائم و موقتی بر حسب دبی مینیمم و ماکزیمم مشخص شود. این محدوده به صورت تئوریک قابل محاسبه نمی باشد.

معیارهای زیر ممکن است برای تعریف محدوده عملکرد مجاز مورد استفاده قرار گیرند.
- هزینه های مصرف انرژی
- افزایش دمای سیال در دبی های کم
- نوع پمپ و سرویس عملکرد آن
- سیال پمپ شونده و دمای کاری آن
- هد هر طبقه و سرعت محیطی نوک پره u₂، کلاس توانی پمپ
- خطر کاویتاسیون، معیار: NPSH_A، u₁ ، سرعت مخصوص مکش یا وجود ایندیوسر
- بازچرخش ناشی از عملکرد پمپ در دبی های کم: نیروهای هیدرولیکی، نویز و ارتعاش
- رفتار ارتعاشی پمپ و سیستم
- پایداری منحنی هد بر حسب دبی
- مصرف انرژی موتور
محدوده مجاز عملکرد دائم ممکن است به اینگونه تعریف شود که با توجه به موارد فوق، پمپ توانایی کارکرد برای هزاران ساعت کارکرد بدون خرابی یا فرسودگی بیش از حد داشته باشد. به عنوان یک راهنما، می توان اینطور در نظر گرفت که در محدوده عملکرد مجاز پمپ سانتریفیوژ راندمان نباید از 80 تا 85 درصد نقطه بهترین راندمان کمتر باشد. این معیار نه تنها از منظر مصرف انرژی قابل لمس می باشد، بلکه اطمینان می دهد که پمپ با بازچرخش ناشی از عملکرد پمپ در دبی های کم Part Load کار نمی کند (دبی های کمتر از 50 درصد دبی بهترین راندمان) و یا جدایش جریان به خاطر کارکرد در دبی های بیشتر از BEP اتفاق نمی افتد. در عمل بسیاری از پمپ ها به خاطر ضرایب ایمنی هد و دبی، بزرگتر از اندازه واقعی می باشند. می توان نتیجه گیری کرد که این پمپ ها تقریباً با مقداری بازچرخش ناشی از Part load کار می کنند. در سرعت های محیطی کم و متوسط و با طراحی قوی پمپ، معمولاً این پمپ ها اگر در محدوده مجاز عملکرد کار کنند، آسیب نخواهند دید.
در استاندارد API 610 معیار اساسی انتخاب محدوده مجاز عملکرد پمپ، رفتار ارتعاشی پمپ می باشد. در بند 5.9.3.1 ویرایش دهم سال 2003 (یا بند 6.9.3.1 ویرایش یازدهم سال 2010) استاندارد بیان میشود که فاکتورهای دیگری به غیر از حد قابل قبول ارتعاش مانند افزایش دمای سیال یا NPSH₃ می تواند محدوده عملکرد مجاز پمپ را باریک تر کند.
شکل زیر در استاندارد API 610 مفهوم محدوده مجاز عملکرد را نشان می دهد.

در کتاب گرانقدر پمپ های سانتریفیوژ نوشته جان فردریک گولیچ که در سال 2007 توسط شرکت معظم Sulzer Pump از زبان آلمانی به انگلیسی ترجمه شده است در صفحه 692 شکل 14 فصل یازدهم بخش 6 گراف زیر برای تعیین محدوده مجاز عملکرد پمپ های سانتریفیوژ و جریان محوری توصیه شده است.

محور x ها مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت متریک می باشد و محور y ها به صورت نسبت دبی به دبی نقطه بهترین راندمان^* q است.
محدوده مجاز عملکرد پمپ با در نظر گرفتن شرط حداقل راندمان 80 تا 85 درصد راندمان نقطه BEP در شکل فوق (کتاب گولیچ) نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود با افزایش سرعت مخصوص، محدوده مجاز عملکرد پمپ باریکتر می شود. از کتاب گولیچ اینطور استنباط می شود که این گراف مربوط به پمپ های بسیار بزرگ با توان 500 تا 1000 کیلووات معتبر می باشد. گولیج اضافه می کند که فاکتورهای هد هر طبقه و توان مصرفی، مهمترین پارامترها جهت الزام عملکرد پمپ در نزدیکی نقطه BEP می باشد. همچنین سیال پمپ شونده باید مورد توجه قرار گیرد. محدوده بیان شده در شکل فوق ممکن است بر اساس سیالات مختلف تغییر کند و این موضوع نیازمند آنالیزهای ویژه می باشد.
ماکزیمم دبی پمپ ها باید به خاطر خطرات ناشی از کاویتاسیون در دبی های بالا، محدود شود. قوانین کاربردی دقیقی در این خصوص تدوین نشده است، چرا که خطرات ناشی از کاویتاسیون وابسته به طراحی سمت مکش پروانه ، جریان بدون شوک در ورودی، NPSH_A، سرعت محیطی در ورودی پروانه و متریال و خواص سیال است. با توجه به معیار کاویتاسیون و در کاربردهای با خطر کم کاویتاسیون، حد بالایی داده شده در گراف گولیچ، برای عملکرد دائم معتبر می باشد. وابستگی نیروهای محوری به دبی معیار دیگری است که در دبی های زیاد بویژه در پمپ های طبقاتی باید مورد توجه قرار گیرد.
از آنجایی که پمپ های با سرعت مخصوص پایین به طور نسبی مشخصه های طراحی قوی تری دارند (Robust هستند)، محدوده مجاز عملکرد این پمپ ها غالباً توسط موارد زیر محدود می شوند:
الف) منطقه پایدار Stable منحنی هد بر حسب دبی
ب) ماکزیمم توان مصرفی موتور انتخاب شده
پ) تأثیر کاویتاسیون در عملکرد Part Load (دبی کم) یا Over Load (دبی زیاد) با توجه به منحنی NPSH بر حسب دبی
کارکرد کوتاه مدت پمپ Short-term operation
کارکرد کوتاه مدت پمپ در گراف گولیچ به شرایط غیر عادی گفته می شود که نتیجه آن فرسودگی زود هنگام پمپ می باشد. به طور معمول مدت کارکرد پمپ در این حالت در سال بیش از 100 ساعت نمی باشد. قسمت بالایی نمودار مربوط به عملکرد پمپ در دبی های زیاد و افزایش کاویتاسیون می باشد و قسمت پایینی آن مربوط به عملکرد پمپ در بار جزئی Part load می باشد که باعث افزایش بیش از حد بازچرخش ها می شود. محدوده های بیان شده در شکل فوق تقریبی می باشند و بسته به نوع ساختار پمپ و رفتار ارتعاشی و کاویتاسیون پمپ،و یا حتی سازنده آن ممکن است این محدوده باریکتر و یا بزرگتر گردد.
عملکرد دبی مینیمم Minimum Flow operation
یک پمپ فشار بالا با مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت زیاد نمی تواند با شیر فلکه بسته مدت زمان زیادی کار کند، چرا که در هر ثانیه دمای پمپ چندین درجه افزایش می یابد. نسبت بالای توان جذبی به جرم سیال در پمپ باعث این افزایش دما می شود. قبل از آنکه هر گونه سیستم کنترلی فعال گردد، کاویتاسیون و تبخیر سیال و خرابی پمپ اتفاق می افتد. بنابراین، برای این قبیل پمپ ها یک سیستم برگشت دبی مینیمم Minimum Flow By Pass به مخزن مکش، تعبیه می گردد (شکل زیر). وقتی شیر فلکه خروجی بسته می شود، شیر دبی مینیمم به صورت اتوماتیک باز می شود. معمولاً و به صورت تقریبی و برای پمپ های با سرعت مخصوص تا 35 مقدار دبی مینیمم 0.1 تا 0.15 دبی BEP می باشد. برای سرعت مخصوص های بالاتر دبی مینیمم ممکن است بین 0.25 تا 0.35 دبی BEP در نظر گرفته شود.

اصولاً دبی مینیمم توسط سه معیار مشخص می شود:
الف) مینیمم دبی ترمال Thermal minimum flow که افزایش دمای سیال را محدود می کند.
ب) مینیمم دبی هیدرولیکی که تلاش می کند نیروهای هیدرولیکی و ارتعاشات را کنترل کند.
پ) کاویتاسیون بیش از حد ایجاد شده توسط عملکرد در Part load
از آنجا که شدت بازچرخش در Part load با افزایش سرعت مخصوص، افزایش می یابد، حد پایینی q^*_min در نمودار گولیچ با سرعت مخصوص افزایش می یابد. عملکرد ناپایدار منحنی هد – دبی پمپ در کمتر از دبی مینیمم معمولاً می بایست مورد توجه قرار گیرد، چرا که پمپ نمی تواند در این منطقه کار کند.
شرکت سولزر در هندبوک خود تحت عنوان پمپ های سانتریفیوژ ویرایش سوم سال 2010 در صفحه 67 (انتشارات Elsevier) گراف زیر را که منطق مشابهی با گراف گولیچ دارد، توصیه می کند. در این گراف طرح های مختلف پروانه و اثرات سرعت مخصوص مکش نیز در نظر گرفته شده است. منطقه سمت راست منحنی، منطقه پایدار، منطقه سمت چپ منطقه ناپایدار و منطقه میانی نمودار، منطقه گذرا می باشد. این گراف برای پمپ های با توان بیش از 1 مگا وات توصیه شده است.

افزایش دما در پمپ
افزایش آنتالپی در پمپ از رابطه زیر بدست می آید.

°Δh_tot = P_i/m

که P_i توان ورودی می باشد و از رابطه P_i = P x η_m بدست می آید.°m نیز نرخ گذر جرم می باشد.

از آنجا که در هنگام بستن شیر( throttling ) آنتالپی ثابت می ماند، دمای سیال (با گرمای مخصوص c_p) در هنگام بستن شیر و یا قسمت بالانس کننده نیروهای محوری Axial thrust balancing device با رابطه زیر افزایش می یابد.
ΔT_Dr = Δh_tot/c_p = P_i/c_pm° = gH/c_pη_i
که η_i معرف بازده داخلی پمپ می باشد.
بنابراین، دمای سیال در هنگام عبور از خط مینیمم جریان و یا قسمت بالانس کننده نیروهای محوری، طبق رابطه بالا افزایش می یابد.
شکل زیر نمونه ای از قسمت بالانس کننده نیروهای محوری را در پمپ های طبقاتی نشان می دهد. نیروهای محوری توسط یک دیسک بالانس، مهار می شود.

از رابطه فوق می توان دبی مینیمم ترمال پمپ را بدست آورد:
Q_min = P(kw) . 3600/ρ(kg/m³) . c (kJ/kg.k) . (t_E – t_s) [m³/h
افزایش دمای مجاز t_E – t_s از روی دمای نازل مکش t_s و دمای مجاز قبل از قسمت بالانس Balancing device ، t_E ، بدست می آید. در حدود 20 درجه سانتیگراد را می توان در نظر گرفت. در پمپ های کوچک، دبی بالانس ممکن است به اندازه دبی مینیمم باشد. در این حالت دبی مینیمم محاسبه شده در بالا باید برابر یا کمتر از دبی بالانس باشد. اگر دبی مینیمم بیشتر از دبی بالانس باشد، حداقل، اختلاف دبی ها باید توسط خط مسیر فرعی عبور داده شود.
افزایش دما در پمپ شامل دو جزء می باشد: ΔT = ΔT_V + ΔT_is . قسمت ΔT_V نتیجه ای از اتلافات در پمپ می باشد و قسمت ΔT_is نتیجه ای از تراکم آیزنتروپیک سیال می باشد. افزایش دمای ناشی از اتلافات داخلی (مانند اصطکاک دیسکی، نشتی ها و اتلافات هد در کانال های هیدرولیکی) از رابطه زیر بدست می آید:
(ΔT_V = (1 – η_i – 1)(ΔP/ρ c_p) = (1/ η_i -1)(gH/c_P
تراکم آیزنتروپیک از جداول بخار آب یا از دیاگرام انتروپی / آنتالپی بدست می آید. یک رابطه تقریبی برای آب می تواند به صورت رابطه زیر باشد:
(ΔT_is = 0.7 (T_s / T_Ref ).(H / H_Ref
T_s دمای سیال پمپ شونده به سانتیگراد می باشد، T_ref = 100 °C و H_ref = 1000 m می باشد.
اگر اختلاف دمای بین مکش و رانش ΔT = T_D – T_S اندازه گیری شود و ΔT_is از جداول خواص آب بدست آید، ΔT - ΔT_is ΔT_V = قابل محاسبه خواهد بود. در این حالت بازده داخلی پمپ می تواند از رابطه ΔT_V بدست می آید. این موضوع پایه اندازه گیری ترمومتریک راندمان آنگونه که استاندارد ISO 9906 بیان می دارد، است.

موارد بیان شده در بالا برای آب قابل قبول می باشد، برای سیالات دیگر مانند LNG، هیدروکربن ها یا سیالات دیگر، تحلیل های مفصلی می بایست انجام گیرد.
مطالب مرتبط
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت
مشاهده لینک ها و تصاویر پس از ورود یا عضویت

[MTHAMID2]

عجب مطلب خفنی بود ممنونم