Параметрические испытания центробежных насосов

24.10.2024

Параметрические испытания центробежного насоса проводятся производителем после завершения сборки для подтверждения соответствия насоса требуемым техническим характеристикам, указанным в согласованном с заказчиком листе данных.

Параметрические испытания проводятся после визуальной проверки корпуса, гидростатических испытаний (в корпус насоса подается давление, проводится проверка на герметичность), динамической балансировки рабочего колеса и ротора в сборе. После параметрических испытаний проводятся испытания для подтверждения значения NPSH (допустимое значение NPSH уменьшается, пока падение напора не достигнет 3%) и окончательная проверка. Замеры для вибрационных испытаний проводятся во время параметрических.

Рассмотрим параметрическое испытание агрегата на примере. Допустим, что Вы прибыли в цех производителя, чтобы проконтролировать процесс испытания центробежного насоса, которое проводится в рамках согласованного плана контроля качества. При изучении утвержденного листа данных вы видите следующую информацию:

Подача = 238,5 м³/ч

Номинальный дифференциальный напор = 2 690,28 м

Номинальная мощность = 2 985 кВт

Номинальный КПД = 68 %

По завершении испытаний центробежного насоса производитель предоставляет вам кривую рабочих характеристик. Чтобы убедиться в том, что насос прошел испытание, необходимо сверить ее с кривой характеристик в листе данных.

Начнем с кривой напора, проведем вертикальную линию на отметке 238,5 (по горизонтальной оси), она пересечет кривую напора, затем из точки пересечения проведем горизонтальную линию, она пересечет вертикальную ось на отметке 2 640. Таким образом, измеренный напор при подаче 238,5 м³/ч составляет 2 640 м.

Каково было ожидаемое значение в листе данных? Оно составляло 2690,28 м, но в результате испытаний было получено значение 2 640 м.

Напор оказался на 50,28 м меньше требуемого значения. Прошел ли насос испытание?

Допустимые отклонения параметров насоса регламентируются классами испытаний по ISO 9906: 1В, 1Е, 1U, 2В, 2U и ЗВ. Класс 1 — наиболее строгий класс, 1U и 2U имеют односторонний допуск, классы 1 В, 2В и ЗВ имеют двусторонний допуск. Класс 1Е также имеет двусторонний допуск и особенно важен для показателей энергетической эффективности.       

В таблице 16 стандарта API 610 (редакция 11) указано, что отклонение напора может составлять +/- 3% (класс испытания 1Е) от номинального значения. 3 % от номинального значения (2690,28 x 3 %) составит 80,7, что больше 50,28. Насос не развивает достаточный напор, но результаты испытаний удовлетворительны.

Оценим потребляемую мощность; повторим тот же процесс, но на этот раз с кривой мощности. Кривая показывает, что потребляемая мощность при подаче 238,5 м³/ч составляет 2 600 кВт (потребляемая мощность указана в левой части вертикальной оси). Сравним 2 600 кВт с номинальным значением, равным 2 985 кВт.

Очевидно, что насос эффективнее, чем ожидалось. Диапазон допустимых отклонений по API 610 составляет 4% в меньшую сторону, это означает, что результат испытания будет удовлетворительным, даже если отклонение составит 4% от указанного в листе данных. Если бы отклонение мощности составило бы 4% в большую сторону, результат испытания был бы отрицательным.

Далее необходимо проверить энергоэффективность насоса. Минимальный КПД, указанный в листе данных, составляет 68%. Если посмотреть кривую КПД, то при подаче 238,5 м³/ч КПД составляет 70%. Следовательно, у данного насоса КПД выше, чем требуется по техническому заданию.

Исходя из вышеперечисленного можно сделать вывод, что результаты параметрического испытания центробежного насоса являются положительными.

Величина напора также должна проверяться в точке нулевой подачи, но поскольку в данном случае испытывается насос высокой мощности, проверка параметров при нулевой подаче (отсутствие потока через задвижку на нагнетании) не является обязательным требованием согласно API 610.

Приведенный выше пример был упрощенным. Производители насосов обычно предоставляют данные в табличном формате для облегчения восприятия.

Производители также пересчитывают результаты испытаний с учетом реальных условий эксплуатации. Насос может быть рассчитан на нефть, но испытания будут проводиться на воде. В таких случаях значения рабочих характеристик пересчитываются согласно ГОСТ 33967-2016.

Затем необходимо измерить вибрацию в подшипниковом узле. Измерения проводятся в каждой точке от минимальной до максимальной подачи согласно стандарту ГОСТ Р 55265.7-2012 часть 7.

Отчет кавитационного испытания NPSH насоса (Net Positive Suction Heat Test) также должен быть сверен с утвержденными значениями, указанными в листе данных. Для проведения испытания перед линией всасывания устанавливается дроссельный клапан, позволяющий регулировать давление на входе в насос. NPSH уменьшается постепенно до тех пор, пока падение напора насоса (первой ступени) при постоянной подаче не достигнет 3 %. Данное значение NPSH3 заносится в протокол испытания, процесс повторяется для всех подач в допустимом диапазоне.

Ходовые испытания насоса проводятся после успешного завершения параметрических и кавитационных испытаний. В ходе испытания значения рабочих характеристик должны находиться в допустимых диапазонах. Согласно API 610 (11 редакция), насос должен работать в течение 4 часов при номинальной подаче, значения рабочих характеристик должны измеряться через каждые 10-15 минут.

Теперь давайте углубимся в проверку параметров центробежного насоса, разобравшись в таких понятиях, как подача, полный напор, мощность и КПД.

Что такое подача и напор при параметрическом испытании центробежного насоса?

Объемная подача (Q) - это объем жидкости, проходящий через насос за определенное время (измеряется в кубических метрах в час).

Она определяет скорость, с которой насос может нагнетать жидкость через систему. Подача - это параметр, задаваемый проектировщиком технологического процесса, который определяет требования к насосу, необходимые для функционирования процесса.

"Номинальная" подача обычно выражается в кубических метрах в секунду или в кубических метрах в час.

Статический напор насоса - это максимальная высота столба жидкости (давление), которую он может обеспечить. Подачу при определенном числе оборотов можно определить по кривой Q-H.

Производители заинтересованы в получении кривой характеристик насоса, не зависящей от физических свойств перекачиваемой жидкости.

Поэтому вместо давления используется напор. Следующая формула переводит давление в напор; H(метр) = P(Па)/ρ(кг/м³) g(м²/с).

Определив номинальную подачу, проектировщик задает полный напор (H), необходимый при данной подаче.

Этот показатель выражается в метрах. Напор и подача определяют полезную механическую работу, передаваемую насосом жидкости. Рабочую точку определяет пересечение характеристик насоса и системы.

Испытание Q/H

Испытание проводится при номинальной частоте вращения вала, напор (H) уменьшается по мере увеличения подачи (Q), из-за чего функция H-Q убывает. (См. выше кривую H-Q)

Следующий рисунок иллюстрирует способ получения кривой H-Q. Инженер-испытатель изменяет расход через задвижку на нагнетании, измеряет параметры и рассчитывает напор. 

Первая серия измерений производится при 100% Q. Всего измерения проводятся на пяти точках: после 100% Q проверяется протечка при Q = 0, затем измерения проводятся на минимальной подаче, далее при подаче 50%, 75%, и на рабочей точке.

Затем задвижка закрывается, постепенно уменьшая расход (обратите внимание, что мы движемся справа налево по кривой Q-H). В некоторых насосах окончательное показание можно снять при закрытой задвижке, т.е. при Q = 0.

После получения точек необходимо выполнить проверку на соответствие требованиям критериев приемки.

Потребляемая мощность при параметрическом испытании центробежного насоса

Аналогично измеряется потребляемая мощность при различных значениях подачи и строится кривая P-Q. Ваттметр измеряет мощность двигателя, путем перемножения показаний на КПД двигателя, рассчитывается мощность двигателя на выходе при различных подачах. По этим показаниям строится кривая "мощность-расход".

Кривая "КПД - подача" при параметрическом испытании центробежного насоса

Кривая КПД-подача (ƞ-Q) может быть построена на основе измеренных значений по комбинации кривых H-Q и P-Q и формулы ƞ = (P на выходе из насоса) / (P на входе в насос) = ρgHQ / (P на входе в насос = показания ваттметра) (ρ – плотность, кг/м³, g - гравитационное ускорение, м²/с, H – напор, м, и Q – подача, м³/ч).

КПД - это отношение переданной механической работы жидкости к потребленной насосом мощности (P).

Проверка энергоэффективности: проверка проводится с помощью того же набора измерений, что и при проверке Q/H. На рисунке выше КПД насоса показан в зависимости от Q.

В качестве дополнительной информации Вы также можете просмотреть статьи, посвященные инспекции центробежного насоса третьей стороной.

В данном материале приводится краткая процедура параметрического испытания центробежного насоса в производственном цехе. 

Процедура параметрического испытания центробежного насоса

1. Описание

Настоящее описание процедуры определяет условия проведения гидравлических испытаний центробежных насосов в соответствии со стандартом API 610.

Объем испытаний, тип испытаний и класс испытаний определяются стандартными планами, согласованными между производителем и заказчиком.

2.  Цель

Целью испытаний является контроль эксплуатационных характеристик, технологического процесса, соблюдение гарантий, предоставляемых в соответствии с договором поставки, испытание соответствующих параметров насоса.

Подготовка протоколов испытаний и кривых характеристик в соответствии с договором поставки – неотъемлемая часть документации.

3. Применяемые стандарты и другие нормативные документы

• API 610
• Стандарт производства

4. Процедура испытания производительности центробежного насоса

4.1 Персонал, проводящий испытания

Для работы с испытательными стендами привлекается только обученный персонал. Задание тестовых данных производится полуавтоматически и требует соответствующего опыта и точности проведения испытаний.

4.2 Место и время проведения испытаний

Испытания проводятся на испытательном стенде производителя. В качестве испытательной среды используется только чистая холодная вода (+20°C) с плотностью ρ=1 кг/дм³.

Испытания насосных агрегатов обычно проводятся с установленным двигателем. В случае приемки заказчиком готовность к приемочному контролю своевременно доводится до сведения отделом продаж.

4.3 Испытательные стенды для насосов

Есть стенды двух типов, которые будут использоваться в соответствии с требованиями.

Закрытая система

Открытая система, опционально с бустерным насосом

4.4 Методы измерений и испытаний

Измерение и оценка значений гидравлических характеристик производится с помощью электронного регистратора данных.

Все необходимые данные фиксируются на месте с помощью электронных измерительных приборов и представляются с помощью цифровой обработки данных в режиме реального времени. По окончании измерений данные передаются в центральный компьютер контроля испытательного стенда. Если не указано иное, приемо-сдаточные испытания проводятся в соответствии с API 610, п. 7.3.3.

4.4.1 Измерение подачи Q

Подача измеряется с помощью магнитно-индуктивных расходомеров, имеющих заданные расстояния стабилизации перед и после измерительного блока. Регулирование подачи осуществляется с помощью задвижек на нагнетательном трубопроводе.

4.4.2 Измерение напора H (Hвс - Hнаг)

Измерение напора производится с помощью калиброванных измерительных преобразователей для измерения Hвс – напора на всасывании, (диапазон измерения -10 до +40 м вод. ст.), и Hнаг – напора на нагнетании (диапазоны измерения -10 до +180 м, 150 до 630 м вод. ст.). Дифференциальный напор – разность Нвс и Ннаг. Для визуального сравнения параллельно подключаются пружинные манометры для аналоговой индикации.

4.4.3 Измерение динамического напора

Динамический напор зависит от скорости потока. Скорость рассчитывается через подачу и площадь сечения в точке измерения давления. Далее:

Δ v² /2g = (v² d-v² s)/2g

Vd = скорость на нагнетании

Vs = скорость на всасывании

Δ = разность скоростей на всасывании и нагнетании

4.4.4 Измерение потребляемой мощности (P)

Потребляемая насосом мощность определяется либо электрически с помощью калиброванного испытательного двигателя, либо путем прямого измерения скорости вращения и крутящего момента.

Электрические измерения проводятся методом двух ваттметров для определения потребляемой мощности двигателя. Выходная мощность двигателя рассчитывается по кривой КПД двигателя, заложенной в испытательную систему.

Для сравнения номинальных данных испытательная система пересчитывает потребляемую насосом мощность, необходимую для условий заказчика, т.е. для нормированной частоты вращения и плотности перекачиваемой среды.

4.4.5 Измерение скорости (n)

Измерение частоты вращения происходит с помощью светового барьера или фотодатчика. Для моноблочных насосов с двигателем, не доступным снаружи, частота вращения определяется по вентилятору двигателя или частотным анализом.

4.4.6 Измерение коэффициента полезного действия насоса (η)

Эффективность насоса определяется для каждой точки измерения сразу после измерения остальных параметров.

В соответствии со следующей формулой:

η = (Q×H×ρ×g)/( P)

Расход Q [м³/ч]

Напор H [м]

Плотность ρ [кг/дм3] перекачиваемой среды

Мощность P [кВт]

4.4.7 Измерение величины NPSHr насоса (NPSH required)

Обычно в замкнутом контуре измерение величины NPSH производится путем снижения давления в системе с помощью вакуумного насоса. Также снижение давления может производится путем дросселирования с помощью задвижки на линии всасывания.

Достижение гарантированного значения при требуемом значении NPSH может быть подтверждено с помощью следующих двух методов измерения.

а) Стандартный вариант

Подтверждение достижения требуемого значения NPSH путем задания одинаковых параметров в системе, таких как расход, напор при снижении давления всасывания в зависимости от температуры воды и барометрического уровня.

Сравнение напора, полученного при измерении характеристической кривой, с напором, измеренным при фактическом отрицательном давлении на всасывании, при котором достигается или не достигается гарантированное значение NPSH.

Снижение напора не должно превышать 3 % от H, но и не обязательно достигать 3 % (для одноступенчатых насосов).

В соответствии с требованиями, измерения проводятся на точках, использованных в параметрических испытаниях. Для двухступенчатых насосов максимальное снижение напора должно составлять не более 1,5 %

б) Стандартный вариант построения кривой падения напора

Подтверждение минимально достижимого значения NPSH при определенном постоянном расходе. Уменьшая подпор на всасывании, фиксируется ряд точек измерения (8-12) до тех пор, пока не произойдет срыв потока. При снижении напора на 3 % с начала происходит кавитация насоса, и эта точка определяется в действующих стандартах как требуемый NPSH (для двухступенчатых насосов 1,5 % ΔH)

Плоскость для расчета NPSH

а) Горизонтальные насосы: по оси вала

б) Вертикальные насосы: плоская поверхность, вертикальная относительно оси вала на входе в рабочее колесо

Расчет NPSH по измеренным или известным параметрам

Расчет значения NPSH происходит одновременно с измерением.

Для этого необходимы следующие параметры:

Напор на входе

H_ВС [м]

Температура воды

t_В [°C]

Давление пара (абсолютное давление парообразования)

H_НАС [м]=P_D [Па] /(ρ×g) [кг/м³, м²/с]

Абсолютное давление

b_АБС [м]=P_АБС [Па] /(ρ×g) [кг/м³, м²/с]

Уровень отсчета расстояния / уровень измерения

Y [м]

Скорость со стороны всасывания

(V_ВС)/2g [м]

Плотность воды для испытаний

ρ [кг/дм³]

Ускорение свободного падения

g [м/с²]

Расчет NPSH производится по следующей формуле:

NPSH = P_АБС/(ρ×g) - H_ВС - P_НАС/(ρ×g) + (V_ВС )/2g∓Y 

NPSH = b_АБС - H_ВС - H_НАС + (V_ВС )/2g

Пересчет значения NPSH с измеренной частоты вращения на номинальную производится по следующей формуле (справедливо только для диапазона частоты вращения ±3%):

n* /n>0,97<1,03 

[NPSH]* = NPSH×[n* /n]² [м] 

Q* = Q×n* /n [м³ /ч]

4.4.8 Дополнительные измерения

По желанию заказчика могут быть измерены также электрический ток I [A] и напряжение U [В].

4.5 Количество точек измерения

Количество точек измерения для построения характеристической кривой насоса или измерения NPSH должны согласовываться в договоре поставки.

Характеристическая кривая при 0, Q_min, Q_произв., Q_ном, Q 120%, стандартное измерение по 5 точкам (9 макс.)

Измерение NPSH 0, Q_min, Q_произв., Q_ном, Q 120% 4 точки (7 макс.)

5. Параметрическое испытание центробежного насоса - допуски

Номинальные значения насоса гарантируются в соответствии с API 610 (11 ред.) при отсутствии других требований заказчика. Измерение допусков производится автоматически измерительной системой.

Для вязких сред гарантируются только указанные данные для воды при 20°C. Результаты с учетом вязкости будут приведены для справки в виде пересчитанных кривых.

6. Параметрическое испытание центробежного насоса - измерение вибрации

Для оценки механических и гидравлических характеристик испытуемого насоса одновременно с гидравлическими измерениями проводятся вибрационные (мин. 5 точек).

Измерения производятся в трех плоскостях - горизонтальной, вертикальной и осевой - с помощью вибродатчиков, установленных на подшипниковом узле. Критерием измерения является среднеквадратичная скорость всех определяемых колебаний (среднеквадратичная виброскорость в мм/с).

Предел, установленный API 610 (11 ред.), составляет для горизонтальных насосов 3 мм/с в предпочтительном рабочем диапазоне насоса. В допустимом рабочем диапазоне допускается виброскорость до 3,9 мм/с (макс.). Для вертикальных насосов действует ограничение 5 мм/с в предпочтительном диапазоне и 6,5 мм/с в допустимом диапазоне.

В качестве альтернативы можно также измерять максимальную амплитуду вибрации (от пика до пика).

Горизонтальный

Предел в предпочтительном диапазоне: 50 мкм

Предел в допустимом диапазоне: 65 мкм

Вертикальный

100 мкм

130 мкм

По желанию заказчика может быть измерен частотный спектр (БПФ-анализ).

7. Параметрическое испытание центробежного насоса - измерение температуры подшипников

При необходимости измерение температуры подшипников производится в течение заданного времени работы. Измерение производится на подшипниковом узле с наружной стороны на уровне и в положении подшипника со стороны насоса или двигателя в горизонтальном направлении.

8. Протокол параметрического испытания центробежного насоса

Результаты испытаний хранятся в центральном компьютере контроля испытательного стенда и на других электронных носителях информации. По запросу заказчика составляются протоколы испытаний и кривые испытаний.