高壓水清洗系統詳解

簡(jiǎn)介

在這部分內容中，高壓清洗指的是用壓力在250到1200bar（1mbar等于100Pa的壓力）的水進(jìn)行清洗?？紤]到它的清洗能量來(lái)自于水的動(dòng)力能量，因此高壓清洗常常被稱(chēng)為“水動(dòng)力清洗”，與此相對應的是利用熱水和化學(xué)添加劑的清洗。正如我們今天所知的，在二戰后，伴隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展以及對新技術(shù)的需求，高壓清洗從傳統的重工業(yè)如鋼鐵、船舶修理、發(fā)電站及石油化學(xué)工業(yè)中建立起來(lái)。

泵和泵組的選擇

選擇清洗系統首先需要考慮的是將要被清洗的污垢的特性，它會(huì )決定壓力、流速、噴水口所需要的動(dòng)力能量和水力能量以及泵組需要的能量和規格。

第二個(gè)需要考慮的是根據用途選擇清洗附件，這部分內容將在第六節詳細討論。

最后需要考慮的是所運行機組的規模。

清洗任何特定表面污垢所需要的壓力和流速（水力能量）可通過(guò)以下三種途徑得到。

①經(jīng)驗知識

大部分的清洗任務(wù)以往都遇到過(guò)。需要高壓水技術(shù)是為了處理那些不能被2.5×10?Pa以下的壓力或化學(xué)溶劑清洗掉的表面污垢。部分污垢的材料以及相應被清洗掉所需要的壓力見(jiàn)表5-2。清洗并不是精確的科學(xué)，壓力的確定將隨實(shí)際情況而改變。流速由管口到清洗表面的距離和水力能量的損失來(lái)決定。

②工廠(chǎng)的現場(chǎng)清洗試驗

這通常是用戶(hù)要求的。工廠(chǎng)不僅可以給出改變壓力和水流后效果的準確表現，還允許用戶(hù)觀(guān)察試驗并進(jìn)行質(zhì)量保證研究，確保清洗操作的效果。這對于精細化學(xué)、生物化學(xué)和藥用植物等領(lǐng)域都是非常重要的。

③利用樣品板進(jìn)行實(shí)驗室清洗試驗

如果不能進(jìn)行現場(chǎng)試驗，替代的辦法就是在樣品板上涂上相應的材料，模擬工廠(chǎng)的實(shí)際情況。大多數擁有最先進(jìn)的高壓清洗設備的公司都有能力進(jìn)行這種形式的試驗。

表5-2典型的化學(xué)污垢及清洗掉它們所需要的壓力

高壓水清洗系統

目前在使用高壓清洗系統有很多種，它們基本的特性和功能都是相似的。其中的兩個(gè)基本要素是；

1.泵組

這是在任何系統中最重要的部分。它包括：

*原動(dòng)力，通常是電動(dòng)機或柴油發(fā)動(dòng)機。

*泵，多數是柱塞泵或徑向活塞泵。

*控制和安全裝置，如減壓、卸載、壓力調節閥、檢測儀表和開(kāi)關(guān)裝置。

這種設備可以是固定安裝的，也可以是移動(dòng)式的，即安裝在拖車(chē)或其他車(chē)輛的底盤(pán)上。這兩種不同的泵組設計如圖5-2和圖5-3所示。圖5-2是一個(gè)化學(xué)容器清洗系統的一部分，圖5-3是一個(gè)典型的從事合同清洗任務(wù)的泵組。

圖5-2電動(dòng)三柱塞泵，工作壓力4×10?Pa

圖5-3安裝在雙輪重：型拖車(chē)上的柴油機柱塞泵

圖片P263頁(yè)

2.附件

這部分內容將在第六節詳細討論。

3.高壓泵的選擇

高壓泵的選擇范圍很廣，這經(jīng)常讓工程師、管理者以及對這方面了解不多的購買(mǎi)者感到困惑，這也成為了工程技術(shù)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支。在高壓清洗領(lǐng)域，只有容積式泵可以提供所有需要的工作壓力。

（1）往復柱塞泵和活塞泵

柱塞泵和活塞泵有很多可用的設計方案，在這里應該解釋的是，柱塞泵是有密封裝置的往復泵，而在活塞泵的設計中，密封裝置是移動(dòng)的活塞的一個(gè)必要組成部分，因此柱塞泵是用的最多的一種泵。對大多數柱塞泵制造商來(lái)說(shuō)，它的主要特點(diǎn)就是通用性。典型的設計方案如圖5-4所示。

圖5-4傳統的帶有錐形閥和完整齒輪箱的三柱塞泵

一般而言，需要考慮的因素包括：

*泵的速度越快、泵越廉價(jià)，磨損就越大，“氣穴現象”出現的可能性也越大。

*根據下面的指導方針，計算最適宜的操作和維護費用；

—在50kW以下，平均速度應該達到575rpm，平均柱塞速度是1.1m/s

—在50?150kW范圍內，平均速度應該達到450rpm，平均柱塞速度是1.3m/s

—在150?450kW范圍內，平均速度應該達到300rpm，平均柱塞速度是1.6m/s

*柱塞越多（奇數個(gè)），依賴(lài)于曲柄驅動(dòng)的動(dòng)力數據中的壓力波動(dòng)越低。雖然使用減速器可以使壓力波動(dòng)減小到一個(gè)可以接受的水平，然而柱塞、閥門(mén)、軸承和密封裝置的維修費用還是會(huì )根據活塞的數量而相應的高一些。

下面要討論的泵是型號為KD624.VG的三柱塞泵，根據活塞的直徑、泵的速度和可利用的能量（見(jiàn)表5-3），這個(gè)泵可以產(chǎn)生1.2×10?Pa的壓力和483L/min的流速。該泵應該安裝有完整的齒輪箱或V型皮帶傳動(dòng)用的曲軸。分兩部分：

①動(dòng)力端：包括曲軸、主軸承、十字頭、連接桿、油冷卻器和曲軸驅動(dòng)的潤滑油泵。加壓的油以最小2×10?Pa的壓力從出口到達所有的軸承表面。制造商在潤滑系統上設計有一個(gè)安全閥，它在壓力達到4.5×2Pa時(shí)就打開(kāi)。如果油的壓力下降到2×10?Pa以下，壓力開(kāi)關(guān)就會(huì )關(guān)掉發(fā)動(dòng)機。為了啟動(dòng)，一個(gè)延時(shí)裝置可以使油壓增大到2×10?Pa以上。

盡管大多數柱塞泵都有一個(gè)加壓潤滑系統，但一些小型泵使用一種簡(jiǎn)單的噴射潤滑系統。

為了維持油溫的一致，在曲軸箱機架的后面安裝了油冷卻器，利用低壓水，在1×10?Pa的壓力下，文氏管可以吸收額外的熱量，這在泵長(cháng)期全負荷工作或者在溫度很高的環(huán)境中工作時(shí)是非常有用的。

②流體端：這包含一個(gè)吸壓泵和排出集合管，三套帶閥門(mén)的抽氣泵和排出集合管，三個(gè)柱塞和填料函。閥門(mén)包括一對吸氣和排氣的閥門(mén)。閥門(mén)是圓錐形的，還有操縱桿。每對閥門(mén)有各自分開(kāi)的孔和一個(gè)共用的閥板。低壓泵入的液體通過(guò)吸氣閥進(jìn)入吸入室，在吸氣沖程中隨活塞而運動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中排氣閥是關(guān)閉的。當柱塞改變到排氣沖程時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，排氣閥打開(kāi)，高壓的液體被泵入了排氣室。柱塞既町以是陶瓷的也可以是碳化鉉的，它們對十字頭都是安全的。填料函有一個(gè)密封環(huán)，就像一個(gè)預先形成的人字形軸封。柱塞的密封是為了限制而不是阻止滲漏，因為少量的滲漏對于潤滑是必要的。在一些模型中，所有的滲漏都會(huì )通過(guò)一個(gè)透明的塑料軟管回到吸氣端，從而監控液體的流動(dòng)過(guò)程。如果滲漏大于5%，那密封裝置就應該引起注意了。

表5-3URACA-KD624VG型高壓三柱塞泵的數據表

泵類(lèi)型：

A錐形閥壓力不高于4X10?Pa

B夾心閥壓力不高于10?Pa

C夾心閥壓力不高于1.2X10?Pa（特殊封裝）

齒輪箱速率：2.773.173.76

使用“V”型傳送帶或者使用柴油發(fā)動(dòng)機可以獲得不同的速度

注意：KD624型設計現在已經(jīng)被KD724型所取代，后者的最大操作壓力為2.8x10?Pa（41000psi），需要的最大能量為500kW。

為了處理更高的壓力和達到用戶(hù)要求的效率，大多數柱塞泵公司引入了改良的流動(dòng)壓頭設計，例如最近的URACA設計包括：

*裝有彈簧的填充裝置，包括導桿襯套密封環(huán)和人字形軸封；用于較高壓力的如表5-3中的“B”和“C”。

*夾心閥的結構如圖5-5a所示。這個(gè)結構通過(guò)去掉90°的入口角度，減少了流體的能量損失并提高了泵的效率，傳統“T”型閥門(mén)組的設計和錐形閥的特征見(jiàn)圖5-5b。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是閥門(mén)組、填料函與排出支管的接合處不像傳統設計的那樣具有同樣壓力，這可以減少滲漏的可能性。

圖5-5柱塞泵的設計

（2）其他類(lèi)型的柱塞泵

除了傳統的三柱塞泵，一些制造商生產(chǎn)出一種排放波動(dòng)較小的五柱塞泵。泵可以被垂直的放置，這對于解決車(chē)輛和容器的安裝等空間問(wèn)題是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。Hammelman泵公司的設計包括一個(gè)無(wú)摩擦的迷宮式金屬密封，它是標準密封材料的替代物，可以減小加壓區的壓力并把摩擦減到最小。

RBT200：這是一種獨特的三柱塞泵，最初在美國作為“Mallay泵”設計出來(lái)，后來(lái)在英國生產(chǎn)。1972-1985年間，這種泵在全世界銷(xiāo)售的很成功。RBT200用大型滾柱軸承支撐的一套離心輪和重型雙螺旋齒輪來(lái)傳送200馬力的能量，以此來(lái)代替曲軸，這是應用于美國石油領(lǐng)域的傳統抽泥泵的一個(gè)很著(zhù)名的特性。這個(gè)設計的重要性在于它比傳統的曲軸能夠承擔更高的活塞負荷和壓力。這就使得泵可以產(chǎn)生較寬范圍的壓力和流速，同時(shí)通過(guò)用一個(gè)4速的重型商用齒輪箱來(lái)改變泵的速度使柱塞運動(dòng)。這對于要清洗大型下水道的承包人來(lái)說(shuō)是非常寶貴的，他可以有一個(gè)彈性的選擇范圍，可以選擇高流速低壓力或低流速高壓力的熱交換器，如圖5-6所示。流體壓頭的設計是基于傳統的錐形閥和“T”型閥門(mén)組。柱塞是用涂有合金鋼的科爾莫諾合金制造的，所有的“濕部件”都是不銹鋼制成的，密封用的是以前的V形臂章的設計。目前只在中東、新加坡和英國有少量的RBT泵仍在運作，但這種設計確實(shí)有相當的優(yōu)點(diǎn)。（RBT的移動(dòng)式泵組見(jiàn)圖5-7）

（3）設計細節

對于其他制造商來(lái)說(shuō)，最大的變化在于填料函，這是任何柱塞泵承受磨損最多的部分，特別是當操作壓力持續增加的時(shí)候?，F在很多泵在超過(guò)2.5×10?Pa（37000psi）的壓力下運行，此時(shí)主發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生450kW的能量。國際上大多數重要的泵制造商大體上保留了填料函的最初的設計，而把注意力集中到提高密封性能上。新型的耐磨復合材料再結合PTFE的出色的潤滑特性可以顯著(zhù)地延長(cháng)密封的壽命。

壽命的長(cháng)短依賴(lài)于操作時(shí)的流速以及維護的標準。一般情況下，預計密封壽命可以達到2000?3000h。

圖5-6RBT變速三柱塞泵性能數據

圖5-7安裝在一個(gè)“平板車(chē)”上的RBT200泵組

圖片P267頁(yè)

在改進(jìn)液體流動(dòng)和閥室設計來(lái)提高泵效率方面，流體壓頭的設計也受到了相當的關(guān)注。另一方面是對凈正吸入壓頭（NPSH）的影響，在這方面，吸入閥的重量和彈簧負荷是非常重要的。最后，易維護是大多數先進(jìn)的柱塞泵的一個(gè)重要特性。

“濕部件”的材料通常是洛鐵合金，對于鹽水和其他腐蝕性液體常用不銹鋼。

除了RBT200以外，動(dòng)力端的設計幾乎都是基于常規的曲軸。在主要軸承的數目方面有很多的分歧。一些制造商如著(zhù)名的URACA認為，有兩個(gè)主要的軸承比較好，這樣可以使曲軸彎曲而不僅僅是保護固體。作為額外的安全防范措施，一個(gè)相似的裝置安裝在曲軸的后面，如果曲軸的負荷超過(guò)了25%，這個(gè)裝置就可以探測到，這在“氣穴現象”中可以見(jiàn)到。由于有了某些泵的設計，就使得通過(guò)安裝不同直徑的柱塞來(lái)改變壓力和流速范圍成為可能。

（4）徑向活塞隔膜泵

1971年，一種新型容積式活塞泵——“Harben”徑向活塞隔膜泵參與到活塞泵的競爭中，這種泵由BernardHart發(fā)明并獲得專(zhuān)利，他是“HawkerSiddeley”飛機組的工程師，其理論來(lái)自于“雙飛機”電機設計的基礎。他的觀(guān)念基本上是使用3、4、6或8個(gè)放射狀排列的氣缸，每一個(gè)氣缸有一個(gè)隔膜管和一個(gè)活塞。轉軸和離心輪依次驅動(dòng)每一個(gè)活塞，使其壓縮隔膜管周?chē)挠?，隔膜管是充滿(mǎn)水的。當管被“擠壓”的時(shí)候，從導出閥流出的水就被加上了壓力。然后隔膜又回復到管狀，這樣可以通過(guò)吸入閥把水吸引回來(lái)。圖5-8展示了一個(gè)移動(dòng)式Harben泵組。更大型的安裝在導軌或拖車(chē)上的泵除了用于排水和下水道噴射清洗外，還可以用于北海的離岸平臺和普通的合同清洗方面。

圖5-8輕型移動(dòng)式徑向活塞泵組

（FlowPlantGroupLtd提供）

圖片P268頁(yè)

這種泵主要有兩種類(lèi)型：

*“P”模型一輸出壓力可以達到4.2X107Pa（6000psi），流速可以達到56L/min（12.5IGPM）。

*世紀系列泵一多氣缸泵，最大排出壓力可達7X107Pa（10000pis），流速可以達到155L/min（34IGPM）。

*徑向活塞隔膜泵設計的優(yōu)點(diǎn)：

*緊湊的設計一較高的能量重量比

*不需要改變活塞就可以實(shí)現選擇不同的壓力和流速

*可以處理帶有150pm顆粒的水

*不需要為了海洋水而做調整（這對于近海石油/天然氣的安裝是十分理想的）

*低波動(dòng)，特別是8氣缸的類(lèi)型

*當沒(méi)有密封時(shí)，泵也可以“干轉”

BernardHart和他的同事AlanBennie在英格蘭的索爾茲伯里成立了Hafben公司。他們的合作成功地把公司發(fā)展成為制造和提供高壓泵設備的國際領(lǐng)先的公司。幾年前，這個(gè)公司被BritishFittingsGroup（BFG）與Neolith和AquaHydraulic公司購買(mǎi)，成為了現在的FlowPlantGroup。

4.泵的附加裝置

任何泵最基本的部分都有一些特定的裝置，包括：

（1）安全設備、卸載設備和壓力調節閥

按照歐洲的標準，安全閥對于所有的泵都是法定的必需裝置。安全閥最簡(jiǎn)單的結構包括一個(gè)有手輪調節器的裝有彈簧的閥，但制造商必須事先調整好安全閥（通常大于最大工作壓力的10%），另外加一個(gè)“防止干擾”的密封條。同樣的閥也可以用作卸載閥，如果這樣的話(huà)，閥門(mén)座就變成了“拉線(xiàn)式”，需要周期性地復位。很多卸載閥都含有一個(gè)遠程控制裝置，這就使得操作者在用噴射活塞和腳踏式開(kāi)關(guān)閥門(mén)時(shí)可以保持對加壓水的全面控制。

URACA的MSUV和MSSV閥都是由電氣來(lái)啟動(dòng)，通過(guò)遠程控制信號來(lái)操作的。

MSUV是一種多功能閥，可以被用作以下幾種閥：

*旁路/卸載閥：當隔膜沒(méi)有壓力的時(shí)候，泵將開(kāi)始卸載。一旦壓縮空氣流到隔膜壓頭，里面的閥門(mén)就會(huì )關(guān)閉，泵就會(huì )在用戶(hù)要求的壓力下運轉。

*溢出閥：減小的壓力可以通過(guò)改變氣壓來(lái)進(jìn)行調節和設置（如圖5-9所示），氣壓是用來(lái)抵制裝有彈簧的內閥門(mén)，使高壓水按照用戶(hù)的要求流出。如果超過(guò)了設定的壓力，不被零件消耗的水量就會(huì )流走，以很小的壓力流到抽水泵或明溝。然而這種方法在連續的過(guò)程中并不理想，因為這樣會(huì )使閥門(mén)座被很快地磨損。它的替代方法是安裝一個(gè)帶有開(kāi)關(guān)閥的分離旁路。當操作員通過(guò)噴霧槍扳機或腳踩閥關(guān)掉設備時(shí)，安裝有噴嘴的旁路就會(huì )自動(dòng)打開(kāi)來(lái)保持系統的壓力，此時(shí)加壓水就會(huì )以低壓進(jìn)入一個(gè)腔。這個(gè)過(guò)程也可以從開(kāi)始被反過(guò)來(lái)。MSSV閥（用于處理4×10?Pa以下的壓力）和MSUV閥（用于處理400bar以上的壓力）是根據“失效保護”的原則設計出來(lái)的，如當氣壓受到影響的時(shí)候，裝有彈簧的內閥就會(huì )自動(dòng)地回復到“傾卸”的模式。

*遠程控制功能是通過(guò)噴霧槍、腳踩閥或手舉閥的開(kāi)關(guān)傳出的低電壓信號來(lái)實(shí)現的，這可以保證操作員在所有的時(shí)間內對泵有完全的控制。還有一個(gè)可以選擇的特性是可以在多操作員的組織里控制壓力和流速特殊的電動(dòng)-液壓閥。

*減壓模式：以MSUV和MSSV閥為例，安全閥被安裝在進(jìn)氣腔作為閥裝配的一個(gè)完整的部分，和卸載閥的工作方式相似。實(shí)際的控制是通過(guò)調節空氣供給來(lái)實(shí)現的，使壓力達到額定壓力即泵壓的最大值加上10%，如果大于這個(gè)值，內閥就會(huì )打開(kāi)來(lái)釋放額外的壓力。安全閥是在工廠(chǎng)就安裝好的，并且用鉛密封來(lái)保護它。

壓縮空氣的控制。由空氣作用控制的轉換閥（MSUV或MSSV）受壓縮空氣控制箱控制，它包含：

一通過(guò)外部旋鈕調節的壓縮空氣減壓閥；

一3/2路電磁閥和電磁鐵線(xiàn)圈；

一壓力計一主要是空氣的供應；

一壓力計一控制MSUV的壓力；

控制箱安裝在泵上或接近泵組，并裝有安全鎖可以防止損壞。一旦泵開(kāi)始運行，它可以被遙控著(zhù)裝載或卸載。

在工程系統中，可以在工廠(chǎng)各處安裝配有插座的遙控電纜。主管實(shí)地清洗設備的操作員把插頭插入最近的插座。開(kāi)關(guān)操作利用放大器發(fā)送毫安信號，通過(guò)主控制面板到MSUV閥。這個(gè)系統適用于有2級危險的環(huán)境。

（2）壓力計

通常是根據壓力范圍進(jìn)行適當校準的甘油阻尼設計。在更復雜的設計中，壓力計配有可調節的最小和最大壓力控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)伺服機構連接到柴油發(fā)動(dòng)機的速度控制裝置。

（3）進(jìn)水濾網(wǎng)

進(jìn)水濾網(wǎng)可以是簡(jiǎn)單的“Y”型濾網(wǎng)，也可以是手動(dòng)操作的反沖濾網(wǎng)。清潔的水對于保護泵和避免口徑小于1.00mm的清洗噴嘴堵塞是必要的。為了達到過(guò)濾目的，建議最大粒徑為50μm。

柱塞泵避免使用臟的吸入水。

（4）泵保護裝置

泵保護裝置包括吸入水低壓開(kāi)關(guān)，它通常被設計成最小的壓力（柱塞泵通常是3×10?Pa），安裝在進(jìn)水濾網(wǎng)和泵之間的吸入管線(xiàn)中。

一旦吸入壓降到了最小壓力以下，開(kāi)關(guān)就會(huì )使主發(fā)動(dòng)機關(guān)閉。類(lèi)似地，在潤滑油泵出問(wèn)題時(shí)，低油壓開(kāi)關(guān)也會(huì )關(guān)閉主發(fā)動(dòng)機。在某些特定環(huán)境下，如高溫或有循環(huán)水，還應安裝高溫水關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

（5）波動(dòng)消除裝置

波動(dòng)是所有的往復柱塞泵的一個(gè)不受歡迎的特性。盡管在選擇柱塞泵時(shí)還會(huì )考慮其他的因素，但是氣缸越多，波動(dòng)越少。波動(dòng)消除裝置可以安裝在泵的吸水端和（或）排水端。安裝在吸水端，波動(dòng)消除裝置對于穩定入水是非常重要的；如果在排水端，波動(dòng)消除裝置可以將波動(dòng)減小到一個(gè)可接受的水平，這將視實(shí)際應用情況而定。在清洗系統中，波動(dòng)消除裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：

排出端：

*改良的噴嘴流動(dòng)，這對于內部旋轉非常的重要

*為實(shí)現有效清洗，在有固定射流的地方清洗壓頭

*減少噪聲、振動(dòng)以及隨之引起的導管材料疲勞和失效

吸入端：

*穩定的液體流進(jìn)入泵吸入管，可以減少“氣穴現象”的可能性

波動(dòng)消除裝置有幾種類(lèi)型，最常用的是依賴(lài)于前負荷氣體來(lái)吸收和減輕波動(dòng)的囊狀隔膜設計。它們相對來(lái)說(shuō)比較便宜，容易安裝，而且適合大多數清洗系統。另一方面，諧振器是為一些特定的泵所設計的，它們適合于球形或圓柱形的設計，被歸類(lèi)為壓力導管，有設計代碼和法定的規則。

圖5-9在MSUV閥中空氣壓力和水卸載壓力的關(guān)系

諧振器的操作原理是基于部分反射壓力波，防止波被傳遞。為獲得這種被稱(chēng)為“阻抗跳躍”的反射，孔徑的突然改變是必需的。從功能的角度來(lái)看，所通過(guò)介質(zhì)的彈性是非常重要的，因為它決定壓力波傳播的速度。在功效方面，諧振器內彈性介質(zhì)的壓縮和膨脹的重要性要小一些。利用諧振器作為柱塞泵的的波動(dòng)消除裝置在較寬的壓力和速度范圍內都有很好的效果。諧振器的下游，由于剩余壓力的變化很小，液體流動(dòng)是比較均勻的。同時(shí)，機械管的振動(dòng)被減小，因此安裝導管和管線(xiàn)的支撐不受任何機械壓力。在排出端，總壓力波動(dòng)的90%可以被有效的衰減。

在吸入端，波動(dòng)消除裝置的主要功能是消除由于加速度的損失導致的流速的變化，從而防止“氣穴現象”，在吸入端最有效的減少波動(dòng)的方法是利用氣體負荷的導管。氣體及其壓力必須與液體及當前的吸入壓匹配，還需要對氣體量和壓力進(jìn)行常規檢查。各種類(lèi)型波動(dòng)消除裝置的特點(diǎn)和適用性見(jiàn)表5-4，泵裝置的例子見(jiàn)圖5-10。

圖5-10英格蘭北部一家大型化工廠(chǎng)里的高壓清洗泵裝置

表5-4各種波動(dòng)消除裝置的設計特點(diǎn)和適用性

（德國URACAPumpenfabrik提供）

表格P272頁(yè)

5.凈正吸入壓頭（NPSH）

容積式泵，特別是柱塞型的，需要一個(gè)正壓頭來(lái)操作，如果沒(méi)有的話(huà)將會(huì )造成“氣穴現象"（在流入的液體中形成氣室）。這些氣泡承受著(zhù)收縮的壓力，最終會(huì )破裂，然后釋放出能量，這就是“氣穴現象”，它可以導致壓力峰值達到最大操作壓力的3倍。人們已經(jīng)知道它可以導致泵的災難性的故障和嚴重的損傷。最顯而易見(jiàn)的跡象是間斷的振動(dòng)或連續的“水錘聲”，泵的額外振動(dòng)也是例證。

NPSH應考慮的兩個(gè)值：

①必需的NPSH：這個(gè)值是基于與速度、容量及流體溫度有關(guān)的泵的設計參數。

②可行的NPSH：這個(gè)值是基于吸入系統的設計，直接受往復泵的性質(zhì)的影響。

往復泵所需要的最大的NPSH是在泵以最大往復速度運轉時(shí)，所有的壓力損失的總和，這些壓力損失是液體在吸入閥的凸緣與閥室（從吸入閥到排出閥）之間流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。壓力損失還包括粘滯阻力、摩擦損失、吸入閥的阻抗、內部的滲漏以及由于吸入端的閥門(mén)、裝置、過(guò)濾器和彎曲導致的流體加速度的損失。設計一個(gè)新的高壓泵裝置時(shí)，應該在這些方面與制造商進(jìn)行討論。

計算可行的NPSH

為了做這個(gè)立體系統圖，把導管系統所有的細節都描述出來(lái)是必要的。所有的壓力損失在計算時(shí)都應被考慮進(jìn)來(lái)，這取決于平均流速的平方值。這個(gè)因素是吸入管大小的關(guān)鍵。計算吸入端的可行的NPSH應該考慮所有的相關(guān)因素來(lái)得到一個(gè)準確的結果。建議泵的制造商檢査并確認這個(gè)計算來(lái)提供泵所需要的NPSH的準確值。只有當可行的NPSH相當于或高于泵所要求的NPSH時(shí)，才能夠保證泵的操作自由和可信性。任何妥協(xié)都毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )造成操作的問(wèn)題并提高維護的費用。

一個(gè)有效的確認需要的NPSH值的方法如下：

允許柱塞泵從容器中抽吸，然后通過(guò)節流閥排出再回到容器中。被泵的液體，一般是水，在泵開(kāi)始不穩定的工作之前一直被加熱，這就表明泵正在成穴?？紤]到一定的氣壓對應特定的水溫，冷水和熱水氣壓的差值就可以表示泵需要的NPSHo通過(guò)把泵腔突然下落5%可以觀(guān)察到“氣穴現象”，事實(shí)上，可以聽(tīng)到特征的類(lèi)似錘擊的噪聲，也可以通過(guò)流出壓力計的壓力跌落顯示出來(lái)。

6.防振動(dòng)裝置

柱塞泵由于不平衡的慣性力的特性會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)，這是很多裝置中都存在的問(wèn)題。一個(gè)有效的而且相對便宜的消除或減小振動(dòng)的方法是使用防振動(dòng)裝置。防振動(dòng)裝置可以是安裝在泵下面的彈性墊那樣的基座，利用粘性固定在地板上。一個(gè)更有效的方法是利用裝有彈簧的振動(dòng)消除裝置，它可以在很寬的頻率范圍內運轉并且把泵組與建筑結構隔離開(kāi)。因此制造商就需要泵和主發(fā)動(dòng)機的詳細資料來(lái)設計正確的裝置。

傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)裝置的選擇在很大程度上由主發(fā)動(dòng)機的類(lèi)型、可提供的空間以及泵速來(lái)決定。

1.電動(dòng)傳動(dòng)裝置

電動(dòng)傳動(dòng)裝置通常包括三角帶和滑輪。圖5-10所示的高壓泵裝置具有皮帶傳動(dòng)泵，在發(fā)動(dòng)機的能量范圍內，可以通過(guò)改變滑輪的速度而增加或減小泵速，進(jìn)而改變流速。三角帶傳動(dòng)裝置的噪聲大約比一個(gè)整體齒輪箱小5dB。它的缺點(diǎn)是需要檢查調整帶子的松緊程度，另外由于有滑輪和防護裝置而使泵組體積較大。如圖5-2所示的整體齒輪箱傳動(dòng)裝置僅在有限的大小范圍內可用，因此泵速的選擇很受限制。它們的噪聲比較大，但是設計非常緊湊。通過(guò)一個(gè)可彎曲的聯(lián)軸器將泵與發(fā)動(dòng)機連接起來(lái)。

一些泵制造商使用的另一種設計是行星式減速齒輪箱，它可以提供更多可選擇的速度并且通過(guò)近聯(lián)式連接裝置與發(fā)動(dòng)機相連。

2.柴油發(fā)動(dòng)機傳動(dòng)裝置

由于泵組體積的限制，三角帶很少用于可移動(dòng)的泵組。而整體齒輪箱的設計被廣泛地應用，它可以和車(chē)輛發(fā)動(dòng)機上的動(dòng)力輸出端P.T.O.（powertakeoff）或獨立的柴油發(fā)動(dòng)機聯(lián)用。離合器對于維護工作很有用，它可以使操作人員通過(guò)斷開(kāi)柴油發(fā)動(dòng)機與泵的連接來(lái)控制高壓水的供給量。

主發(fā)動(dòng)機

一旦確定了壓力和流速，選擇了泵的類(lèi)型，下面該做的就是選擇主發(fā)動(dòng)機。

計算最大壓力和流速下的驅動(dòng)功率的公式如下：

公式P274頁(yè)

有兩種主發(fā)動(dòng)機可供選擇，每一種都有很多規格。

電動(dòng)機

電動(dòng)機對于靜態(tài)的裝置是很理想的，因為它需要的維護最少。電能泵具有安靜、效率高、緊湊而且干凈的優(yōu)點(diǎn)，它們的主要缺點(diǎn)是速度不可變。變速電動(dòng)機和轉矩變換器雖然也可以得到，但是比較昂貴。由于速度固定，要改變流速的唯一替代選擇是水力的三角帶傳動(dòng)裝置，如分流調節器、溢流閥或RBT200中的可變齒輪箱。通常最大的問(wèn)題是現場(chǎng)可提供的能量，尤其是對于較大的電動(dòng)機來(lái)說(shuō)，75kW以上的高壓泵電動(dòng)機在許多工廠(chǎng)中是現場(chǎng)能提供的最大功率。另一個(gè)需要考慮的是靜態(tài)裝置和清洗位置之間的距離，因為對于高流速系統來(lái)說(shuō)意味著(zhù)需要昂貴的硬不銹鋼管道系統來(lái)減小壓力損失（參見(jiàn)第五節涉及到軟管和管道系統的相關(guān)內容）。

1.電動(dòng)機的類(lèi)型和規格

這部分內容只是一般性的介紹。由于操作條件范圍寬，目前已經(jīng)有了國家/公司標準和安全準則，在根據最新的歐洲標準或國家標準最終確定正確的規格之前，采納專(zhuān)家的建議以及與適當的電器供應商進(jìn)行討論是很必要的。這尤其適用于危險區域的設備。

（1）危險區域的電動(dòng)機

考慮“保護”和“外殼”，專(zhuān)門(mén)用途的電動(dòng)機的規格依賴(lài)于一些因素，以此為基礎可以對區域進(jìn)行分級。

區域分級，通常分為3個(gè)級別的區域：

*0級區域一易爆炸的氣體-空氣混合氣持續存在或存在很長(cháng)時(shí)間的地區，電動(dòng)機不能在這種地區使用。

*1級區域一易爆炸的氣體-空氣混合氣在正常操作時(shí)可能出現的地區。

*2級區域一易爆炸的氣體-空氣混合氣不會(huì )在正常操作時(shí)出現，即使出現，只會(huì )存在很短的時(shí)間。

（2）保護的類(lèi)型

“d”：防火一適合1級區域。能點(diǎn)燃易爆炸氣體的部分被放在電機殼之內，這個(gè)電機殼可以承受易爆炸的混合物爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力，還可以防止爆炸傳遞到電機殼周?chē)囊妆怏w。

“e”：增加安全性一適合1級區域。這是對溫度限制、回轉部件的清洗以及終端結構的額外保護?！癳”型保護的電動(dòng)機并不能防火，不能承受內部爆炸。

“N”：無(wú)打火一適合2級區域。它們在結構上與標準的TEFV電動(dòng)機相似，具有防止周?chē)妆瑲怏w燃燒的特性，也就是說(shuō)導致燃燒的錯誤不太可能發(fā)生。

（3）溫度

氣體、水汽或霧在大氣壓下燃燒的最低溫度即是"燃燒溫度”。為了避免爆炸的風(fēng)險，電動(dòng)機的任何部件或表面的溫度都必須保持在混合物的燃燒溫度以下。

從T1（450°C，最大表面溫度）到T6（85°C，最大表面溫度）進(jìn)行分類(lèi)。從大多數電動(dòng)機供應商那里都可以得到氣體、水汽和液體的這種分類(lèi)表。

（4）電動(dòng)機外殼

電動(dòng)機外殼的類(lèi)型分類(lèi)是用于BSEN60529和EN60034-5。（見(jiàn)表5-5）?這些指的是入口及防水防塵的可檢測程度。字母“IP”之后有兩個(gè)數字，第一個(gè)數字表示可防止異物接觸和進(jìn)入。第二個(gè)數字表示防水，這對于在泵組上有可能發(fā)生泄漏的高壓水清洗系統是非常重要的。

（5）電動(dòng)機一應用標準

歐洲防火電動(dòng)機的常用標準是CENELAC/EURONORMEN50018，按照這種標準設計的設備可以得到任何國際認證組織的肯定，表5-6列出的經(jīng)過(guò)認證的電動(dòng)機被加上了前綴EEx，如EEx"d”。

表5-7顯示了一系列的各國標準。在選擇、安裝及維護潛在易爆氣中使用的電子儀器方面，EN60079-14有很實(shí)際的幫助。

表5-5電氣設備的外殼一保護的程度

表5-6各國的認證機構一危險區域的電氣設備

表格P276頁(yè)

（6）標準TEFV（完全密封的風(fēng)扇通風(fēng)型）電動(dòng)機

它們的材料可以是鋼、鑄鐵或鋁。鑄鐵和鋁電動(dòng)機通常功率范圍在0.18?30kW，而鋼電動(dòng)機的功率范圍可達到500kW。

鋁電動(dòng)機廣泛地用于戶(hù)外或比較惡劣的環(huán)境。鑄鐵電動(dòng)機用于需要強度和有一些困難的環(huán)境。電動(dòng)機外殼的分類(lèi)與危險區域電動(dòng)機的具體分類(lèi)相似。

2.控制裝置

（1）安裝控制裝置的理由

—使電動(dòng)機在需要的時(shí)候能夠從靜止態(tài)啟動(dòng)

—在啟動(dòng)過(guò)程中，線(xiàn)流可以在己知范圍內保持

—發(fā)動(dòng)機可以獲得所需的轉矩

—保護發(fā)動(dòng)機使其避免異常情況的影響

—避免人被電擊和其他意外事件

—在一個(gè)過(guò)程結束時(shí)或緊急狀況下，發(fā)動(dòng)機可以自動(dòng)或人為地停下來(lái)。

表5-7電動(dòng)機一適用標準

表格P277頁(yè)

（2）選擇啟動(dòng)器要考慮的因素

一可提供的類(lèi)型，即，單相的或多相的

一可提供的能量，即，限制啟動(dòng)電流

一對發(fā)動(dòng)機性能的要求，即，啟動(dòng)電流、速度控制、制動(dòng)、倒轉、微調、程序控制及其他。

（3）啟動(dòng)電流

供應方的權威機構不允許使用高啟動(dòng)電流，當使用DOL（在線(xiàn)控制）切換方式時(shí)，電動(dòng)機的大小也是受限制的。當小用戶(hù)從低容量提供方獲得能量時(shí)最大功率約為4kW，如果預先安裝了遞降變壓器，最大功率可達26kW。如果電動(dòng)機的位置是靠近能量源，如發(fā)電站時(shí)，它的體積也可以大些。這可以避免沿線(xiàn)額外的電壓損失，沿線(xiàn)額外的電壓損失可能引起對電氣設備的局部干擾。

（4）常用的啟動(dòng)器的類(lèi)型

三相：

*在線(xiàn)控制（DOL）：用于高啟動(dòng)電流對引入能量無(wú)損害的低輸出機器。從原理上來(lái)說(shuō)，相對高的啟動(dòng)扭矩可以避免慢加速（慢加速可以在某些設備上造成突加荷載的問(wèn)題）。這種電動(dòng)機的啟動(dòng)器需要使用6個(gè)終端機。

*星形三角接法：安裝在需要較小轉矩和電流的地方。它是通常安裝在無(wú)負荷或相對小負荷啟動(dòng)的設備上。啟動(dòng)轉矩和電流的大小固定在DOL的三分之一，不能改變。當星形到三角形階段超載時(shí)，電動(dòng)機與能量供應分離，僅有瞬間的電流再連接，這可能是一些傳動(dòng)裝置的一個(gè)共同問(wèn)題。減小的啟動(dòng)轉矩可能造成加速時(shí)間過(guò)長(cháng)，導致一些設備過(guò)載斷路的問(wèn)題。這種電動(dòng)機的啟動(dòng)器需要使用6個(gè)終端機。

*平穩起動(dòng)：用于需要慢速啟動(dòng)轉矩的設備。電動(dòng)機加速緩慢，最大啟動(dòng)電流比普通的DOL啟動(dòng)器小得多。啟動(dòng)器通過(guò)減小電壓來(lái)控制電動(dòng)機終端。起始電壓只有40%的線(xiàn)電壓，然后逐漸增加，大約在60s內達到滿(mǎn)電壓。

單相：

直接在線(xiàn)啟動(dòng)器被廣泛地用于單相裝置。它們與三相中的DOL啟動(dòng)器很類(lèi)似，但是作為單相設備，容量上很受限制，DOL啟動(dòng)器通常被限制僅用于低輸出機器。

（5）易爆氣體（ATEX）

這是歐洲標準94/9/EC。它可以用于所有危險氣體中的設備，無(wú)論是電氣設備還是機械設備，危險大氣包括粉塵和氣體。該標準在1994年被引入，有十年的過(guò)渡期。2003年7月1日以后生產(chǎn)的設備必須遵守ATEX。

ATEX的基本要素包括：通知機構、標準、合格評估、標志和證明文件。

儀器種類(lèi)是引入的主要變化之一。氣體的區域分級不變，但是，對于灰塵來(lái)說(shuō)需要一個(gè)新的區域分級系統，如表5-8所示。

表5-8易爆氣體（ATEX）標準一儀器種類(lèi)

表格P278頁(yè)

認證：所做出的認證只對1類(lèi)和2類(lèi)設備是強制性的，對于3類(lèi)設備，制造商被允許自己對兼容性進(jìn)行認證。

證明文件：專(zhuān)門(mén)的安裝和維護方法是認證的強制性部分，必須提供給ATEX儀器。標志：這是可見(jiàn)變化中最大的一部分，在下面詳細說(shuō)明。接觸危險氣體的電動(dòng)機都有相似的標志（如EExde11cT4），前面都有一個(gè)與下面例子類(lèi)似的線(xiàn)符號：

CE600Ex112G

CE....ATEX.

600....EECS/BASEEFA（機構確定的編號）

Epsilonx....歐洲認證

羅馬數字....第11組設備

阿拉伯數字….2類(lèi)設備，適于1級和2級區域

G或D....“G”表示水蒸氣或薄霧，“D”表示危險的粉塵

柴油發(fā)動(dòng)機

最初的柴油發(fā)動(dòng)機專(zhuān)利在1892年由魯道夫?狄塞爾（RudolfDiesel）獲得，但直到1897年可工作的發(fā)動(dòng)機才被發(fā)展起來(lái)。1898年德國Augsburg的MAN公司改良的設計使用了一個(gè)雙氣缸模式，可以產(chǎn)生22kW的能量。早期的柴油發(fā)動(dòng)機又大又笨拙，完全不適合可移動(dòng)裝置。直到20世紀20年代早期柴油發(fā)動(dòng)機才由德國的Daimler-Benz公司用于交通工具。從那以后，柴油發(fā)動(dòng)機得到了很大的發(fā)展，目前已經(jīng)成為現代汽車(chē)設計的一般特征。在高壓泵組方面，柴油發(fā)動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)遠大于它的缺點(diǎn)，它已經(jīng)成為清洗承包人必不可少的設備。

缺點(diǎn)：

*盡管新生產(chǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機是比較安靜的，特別是用了聲屏以后。但是與電動(dòng)機比較，它的噪聲仍然較大。

*它們比電動(dòng)機需要更多的維護。

*柴油發(fā)動(dòng)機機身比相同功率的電動(dòng)機要大。

*它們比電動(dòng)機昂貴。

優(yōu)點(diǎn)：

*除了水源的限制之外，它們能在任何地方操作。

*可變的發(fā)動(dòng)機速度-1400-2100rpm；允許較大范圍的壓力和流速，適應性強是承包人看重的特征。

*在電力供應受限制的地方，柴油發(fā)動(dòng)機可能是唯一的能量來(lái)源。

柴油發(fā)動(dòng)機泵組有很多種類(lèi)型，包括：

a.雙輪拖車(chē)一見(jiàn)圖5-3；

b.四輪重型拖車(chē)一見(jiàn)圖5-11；

c.固定式泵組一見(jiàn)圖5-7（可以裝配在平板卡車(chē)或集裝箱上）

圖5-11安裝在董型拖車(chē)上的可移動(dòng)的高壓柱塞泵組，帶有軟管絞盤(pán)

（URACAPumpenfabrik提供）

1.選擇最合適的發(fā)動(dòng)機

需要的功率：

高壓泵的數據表包括任何壓力和流速狀況下的功率需求。在選擇安裝一個(gè)合適的發(fā)動(dòng)機時(shí)，人們必須知道從制造商處獲得額定功率的信息并不總是可能的。大氣條件（溫度、大氣壓）隨發(fā)動(dòng)機工作的地點(diǎn)而改變，可能與功率標準上的一般條件是不同的，也可能使用的是一個(gè)非標準的發(fā)動(dòng)機（大風(fēng)扇、風(fēng)扇速度快等）。在這種情況下應該減小功率。

其他要考慮的因素：

*在傳輸、接合過(guò)程中或在控制裝置及水力系統的軟管和導管上允許損失的能量。在一些情形中，能量可能用于主發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的附件（如壓縮機）上。

*一個(gè)要考慮的重要因素是泵組工作時(shí)的實(shí)際需求，包括連續的、間斷的或超載的情況。

*對泵效率的要求。高壓容積式泵：92%?95%，離心泵：50%?55%。

2.發(fā)動(dòng)機功率標準

發(fā)動(dòng)機的額定功率以ISO3046功率標準為依據。這個(gè)標準與BS5514和DIN6271相同，大體上也與SAEJ1349凈功率相同。一組典型的發(fā)動(dòng)機數據參數見(jiàn)表5-9。

表5-9VolvoPentaTO610V（Turbocharged）的額定功率

內嵌式4沖程柴油機發(fā)動(dòng)機，有6個(gè)氣缸一直接射油（英國VolvoPenta提供）

表格P280頁(yè)

ICFN額定功率符合ISO標準功率（在不變的負荷下連續運行）

IFN額定功率符合ISO超載功率標準（間斷的功率）

發(fā)動(dòng)機的性能指標被修訂到標準參考條件：42.7MJ/kg（18360BTU/lb），密度為0.84kg/L（7.01lb/美國加侖，8.42lb/英國標準加侖）

發(fā)動(dòng)機計算公式：

公式P280頁(yè)

式中，T=轉矩，Nm；N=發(fā)動(dòng)機速度，r/min。

（1）參考條件總大氣壓：100kPa

氣溫：25°C

相對濕度：30%

（2）輸出功率的定義

*連續功率：是指在規定的兩次正常維護間期，在規定的速度和外界條件下，嚴格遵守維護的程序，發(fā)動(dòng)機能夠連續提供的功率。

*超載功率：是指發(fā)動(dòng)機在規定的條件下，以連續功率工作后立即輸出的允許功率。使用超載功率的允許時(shí)間和頻率依工作的設備而定，但是發(fā)動(dòng)機停止燃料后要輸出令人滿(mǎn)意的超載功率，還需要一定的許可。

超載功率以連續功率的百分比來(lái)表示，同時(shí)表示出允許的持續時(shí)間、頻率和合適的發(fā)動(dòng)機速度。除非有其他規定，在與發(fā)動(dòng)機相應的速度下，在12h的運轉中，以連續功率110%的超載功率工作lh（有或無(wú)間斷）是允許的。

*燃料停止功率：是指發(fā)動(dòng)機在規定的期間內，以與其運行相應的規定速度，在規定的外界條件下，使用無(wú)限制的燃料，輸出的功率不能超過(guò)的數值。

*標準功率：指的是凈制動(dòng)功率，制造商宣布在規定的正常維護間期，發(fā)動(dòng)機在以下條件下可以輸出的連續功率。

一發(fā)動(dòng)機制造商測試臺條件下的規定速度

一與標準參考條件相適應的宣稱(chēng)的功率

一按照發(fā)動(dòng)機制造商的建議進(jìn)行維護

*連續額定功率：符合ISO以不同速度連續運轉的標準功率。它用于在額外的時(shí)間里以滿(mǎn)負荷工作的不間斷恒定負荷運轉。

*間斷額定功率：符合ISO超負荷功率。它用于在任意12h的連續操作中，使用間斷功率少于1h的設備。平均負荷系數不能超過(guò)連續額定功率。

發(fā)動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生98%的額定輸出量，在開(kāi)始30h的“磨合”時(shí)期后進(jìn)一步增加2%。如果主要的現場(chǎng)條件超過(guò)了規定的設計條件，發(fā)動(dòng)機應該根據廠(chǎng)商手冊中的建議而降低額定功率。

（3）噪聲和聲音

聽(tīng)覺(jué)上的噪聲被定義為有害的聲音，是環(huán)境污染的一種。過(guò)高的噪聲環(huán)境會(huì )造成永久性的聽(tīng)覺(jué)損害。為了遵從國內和國際的健康、安全和環(huán)境準則，柴油發(fā)動(dòng)機的所有主要制造商都在關(guān)注噪聲的問(wèn)題。

聲音是氣體、液體或固體的機械震動(dòng)。當一個(gè)物體被空氣包圍，振動(dòng)導致能量損失而產(chǎn)生了空氣的波動(dòng)。這些振動(dòng)引起的氣壓變化使固定的壓力發(fā)生變化。聲音在空氣中的傳播速度約340m/s，速度、波長(cháng)和頻率的關(guān)系由以下公式得出：

C=λ×fC為聲音的速度，f為頻率，λ為波長(cháng)

單位時(shí)間內波動(dòng)的個(gè)數決定了聲音的頻率（Hz）。人耳可以聽(tīng)到的聲音頻率為20?20000Hz。分貝（A）是指對于人耳來(lái)說(shuō)聲音的測量等級，它可以反映聲音對人耳真正的影響。分貝（A）等級通常用于表示聲音的度量值。典型的基準在表5-10列出。

（4）聲音和距離

假設在一個(gè)空曠的環(huán)境，不考慮周?chē)拈T(mén)和墻，聲壓從源頭開(kāi)始將會(huì )以與距離成線(xiàn)性的關(guān)系下降。如果與源的距離加倍，聲音會(huì )大約減小6dB；反之，聲音會(huì )增加大約6dBo聲音值（dB）是對數，不能直接加和，除非采用正確的單位。

表5-10評價(jià)聲音等級的基準

（英國VolvoPenta提供）

表格P282頁(yè)

以VolvoPenta柴油發(fā)動(dòng)機為例，聲能的測量是按照國際標準執行的；ISO3744—1981詳細說(shuō)明了噪聲應該在半消聲室內測量：這間屋子應該有隔音墻和一個(gè)結實(shí)的反射聲音的地板。

聲音等級根據ISO標準來(lái)測量。

在不同的發(fā)動(dòng)機速度和不同的負荷條件下檢測噪聲大小。不包括排氣吸氣裝置及排風(fēng)機產(chǎn)生的噪聲，僅測量發(fā)動(dòng)機自身產(chǎn)生的噪聲。

（5）柴油發(fā)動(dòng)機的噪聲

柴油發(fā)動(dòng)機是一個(gè)復雜的噪聲源，動(dòng)力產(chǎn)生振動(dòng)，然后產(chǎn)生噪聲。除了發(fā)動(dòng)機本身的結構以外，發(fā)動(dòng)機和吸入系統連同輔助裝置決定了發(fā)動(dòng)機的總噪聲水平。要減少發(fā)動(dòng)機的總噪聲，應重點(diǎn)關(guān)注主要的來(lái)源，包括發(fā)動(dòng)機結構、排氣、吸入系統和輔助裝置，如表5-11所示。還可以通過(guò)使用聲屏來(lái)減少噪聲，如圖5-12中安裝在移動(dòng)泵組上。

表5-11柴油發(fā)動(dòng)機噪聲的可能來(lái)源

（英國VolvoPenta提供）

圖5-12帶有聲屏的移動(dòng)式高壓泵組

圖片P282頁(yè)

*發(fā)動(dòng)機噪聲：這主要是燃燒過(guò)程產(chǎn)生能量的結果以及活塞、襯墊、閥門(mén)、輪齒等之間機械作用的結果。出于這方面的考慮，就要關(guān)注入射系統的優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機組的加固，使分配齒輪配合更加緊密，增加大型噪聲源上的阻尼材料如汕槽、齒輪驅動(dòng)的冷卻液泵上的閥蓋，這個(gè)閥蓋可以?xún)?yōu)化固定的排風(fēng)機速度。需要記住的是，發(fā)動(dòng)機噪聲是取決于速度的。因此，對于特定功率的輸出要求，低速發(fā)動(dòng)機是優(yōu)于高速發(fā)動(dòng)機的。

*排氣裝置噪聲：如果沒(méi)有消音器，排氣裝置的噪聲顯然是柴油發(fā)動(dòng)機噪聲的最主要來(lái)源。燃燒產(chǎn)生的高壓脈沖導致排出氣體產(chǎn)生振動(dòng)。對于6氣缸、4沖程的發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，排氣裝置噪聲的基本頻率是發(fā)動(dòng)機頻率的3倍。這就意味著(zhù)對大多數設備來(lái)說(shuō)，消音器必須在較寬的頻率范圍內有高阻尼能力。最常見(jiàn)的用于柴油發(fā)動(dòng)機消音器的兩種類(lèi)型是：

a.吸收消音器：由一個(gè)覆蓋著(zhù)吸收材料的腔構成。聲能在吸收材料上被轉化為熱能。這種消音器在中高頻率范圍內有最好的阻尼能力。

b.膨脹消音器：當聲音傳入消音器，面積的改變導致的反射減小了聲音的能量。通過(guò)管道在腔的內部釋放并與一定數目的腔相連，較寬頻率范圍的噪聲可以得到很好的消減。

對于兩種類(lèi)型的消音器，消減高噪聲的成本隨著(zhù)排氣系統的壓力下降而增加。選擇消音器通常是在可接受的壓力下降和需要的噪聲減少之間進(jìn)行折中。

*入口噪聲：和排氣系統一樣，吸入系統壓力的變化會(huì )造成氣流振動(dòng)。然而吸入系統的壓力變化比排氣系統要小得多。對于現代渦輪發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)，壓縮機相當于一個(gè)有效的消音器，壓力波（噪聲）會(huì )被壓縮機旋轉的葉片擾亂。這就意味著(zhù)入口噪聲沒(méi)有實(shí)際的重要性。

*輔助裝置噪聲：排風(fēng)機是發(fā)動(dòng)機主要的噪聲源。測量顯示一個(gè)剛性的排風(fēng)機可以增加2?3dB的聲能。因為排風(fēng)機噪聲具有速度依賴(lài)性，所以提高冷卻器的性能是很重要的，這會(huì )減小排風(fēng)機的速度及其引起的噪聲。其他的輔助設備如交流發(fā)電機和空氣壓縮機在噪聲方面與排風(fēng)機相比重要性較小。

*結構自身的噪聲：在一些設備中，發(fā)動(dòng)機在機座上振動(dòng)可導致聲音從耦合結構上發(fā)射出來(lái)。在某些情況下，這可能成為比發(fā)動(dòng)機自身更大的問(wèn)題。使用彈性裝置可以有效地減少這種來(lái)源的噪聲。

3.廢氣排放

在柴油機燃燒過(guò)程中，在高溫高壓下，化學(xué)能轉化為機械能。大致上，廢氣與空氣有相同的成分，即：氮氣、二氧化碳、水蒸氣和氧氣。這些組分不到0.1%能被定義為廢氣排放。不同的物質(zhì)百分比取決于很多因素，如：

*發(fā)動(dòng)機是汽油型，還是柴油型；

*發(fā)動(dòng)機的速度和負荷；

*燃料品質(zhì)；

*發(fā)動(dòng)機安裝了哪種防污染系統。

（1）廢氣成分

*氮氧化物（NOx）：是氮和氧的化合物。它們在燃燒室溫度和壓力足夠高時(shí)形成。大量氧氣的供應也很重要。NOx可以很快地氧化為NO?，NO?除了酸性外，還可以導致很多嚴重的肺部疾病。

*碳氫化合物（HC）：是由于燃燒溫度低或燃料與氣體混合不當而使燃料未能充分燃燒的成分。它們使柴油機排出標志性的氣味。有些碳氫化合物會(huì )刺激眼睛和粘膜。

*鉛化合物（Pb）：廢氣中的鉛化合物是汽油添加劑的產(chǎn)物，在柴油廢氣中不存在。其產(chǎn)量為每立方米廢氣小于100mg。鉛中毒可通過(guò)逐漸增加的疲勞和血細胞數降低而被識別，這種表現是因為血紅蛋白不足。

*一氧化碳（CO）：這種氣體是在燃燒的中間階段由于空氣不足而形成，由于燃燒不充分，因而不能使CO變成CO?。汽油發(fā)動(dòng)機由于空氣不足而產(chǎn)生CO的比例高于總是空氣充足的柴油發(fā)動(dòng)機。CO具有毒性，因為它容易與血液中的血紅蛋白結合，從而阻止了血液吸收和轉運氧氣。如果我們呼吸的空氣中有0.3%的CO，就會(huì )阻礙身體吸收氧氣的能力，如果內窒息達30min是很危險的。如果我們呼吸的空氣中有0.08%的CO，身體吸收氧氣的能力就會(huì )減小一半。

*顆粒物（PM）：由來(lái)源于燃料和潤滑油的碳核（小于10μm）構成。這主要是燃料/空氣混合不當的結果。有毒的碳氫化合物會(huì )在顆粒物的表面上濃縮。

*二氧化硫（SO?）：SO?是由燃料中的硫和空氣中的氧發(fā)生反應而形成。它與燃料的含硫量直接相關(guān)，已經(jīng)存在的或計劃中的法規還沒(méi)有把它作為控制對象。

（2）廢氣對健康和環(huán)境的影響

柴油發(fā)動(dòng)機造成的污染對健康和環(huán)境都有不利的影響。存在的問(wèn)題包括：

*酸化：柴油發(fā)動(dòng)機主要排放出NOx，它與水可以生成硝酸。此外，SO?和水可以生成硫酸。這兩者都是強酸，會(huì )影響植物的葉，而且攻擊他們的根系，從而降低植物吸收水和無(wú)機鹽的能力。

*氧化：是敏感的大氣平衡被太多HC和NOx擾亂而產(chǎn)生。這影響植物的光合作用和呼吸作用，限制了它們的生長(cháng)。

*光化學(xué)煙霧：這是在人口密集的地區，當大量HC和NOx暴露于日光時(shí)形成的。煙霧含有很多的污染物，呈現出NO?的棕色。煙霧中的氮氧化物和碳氫化合物會(huì )影響呼吸系統，增大對感染的易感性，特別會(huì )導致呼吸道的失調。

*顆粒物：空氣中的顆粒物是柴油機排出廢氣的后果。顆粒物是很小的碳核（<10μm），碳氫化合物可以在它的上面沉積濃縮，把具有致突變和致癌性的碳氫化合物帶入肺部。

*溫室效應：今天“溫室效應”表現為最廣泛的環(huán)境威脅。有充足的證據可以證明“全球變暖”和大氣中二氧化碳增加之間有聯(lián)系，二氧化碳主要來(lái)自于石化燃料的燃燒。

（3）廢氣治理

廢氣治理依賴(lài)于排放控制立法（2000年以后），通過(guò)粒子過(guò)濾器和催化轉化裝置治理廢氣是一種合法的要求。催化轉化裝置或氧化劑在最低操作溫度（250℃）下能有效地減少HC和CO。由于柴油發(fā)動(dòng)機的燃燒過(guò)程有很高濃度的氧氣在廢氣中，催化轉化裝置對于NOx是無(wú)效的。一個(gè)粒子過(guò)濾器可以有效地累積煙臭，它的再生（清洗）過(guò)程，既可以像（Eurosafe）JohnsonMatthey的連續再生阱（CRT）那樣連續再生，也可以通過(guò)外部的熱源進(jìn)行。歐盟已經(jīng)頒布了編號為97/68/EC的《非道路可移動(dòng)機械法》（NRMM）。第一階段從1998年6月30日開(kāi)始。

對于“道路外"設備，排放的測量以ISO8178—4的測試周期為基準。排放限制還需要歐盟來(lái)最后決定，然而限制標準卻是由CARB（加利福尼亞空氣資源委員會(huì )）和美國環(huán)保局（EPA）制定的。歐盟限制排放廢氣的最新標準包含在Euro1和Euro2（EEC91/1542）中，然而這些只適用于道路上的發(fā)動(dòng)機和交通工具。

4.危險地區對柴油發(fā)動(dòng)機的要求

高壓水清洗系統廣泛地用于具有不同程度著(zhù)火和爆炸危險的地區。很顯然，近海石油勘探和提煉裝置的規范是最迫切的。其他裝置包括石油精煉廠(chǎng)、石化工廠(chǎng)、藥品工廠(chǎng)、精細化學(xué)工廠(chǎng)和核裝置。在某些情況下，高壓水清洗設備的設計需要遵守石油管理法規、核裝置管理法規和標準的健康與安全法規。在多數情況下，各個(gè)公司有他們自己的安全標準。

對于大多數固定的清洗系統來(lái)說(shuō)，規格是按照“區域分級”制訂的相應電氣規范書(shū)上的相關(guān)標準設計的。英國水沖洗協(xié)會(huì )引入的“安全操作代碼”在過(guò)去10年中大大改進(jìn)了安全和性能指標，然而很重要的一點(diǎn)是，從事有關(guān)工作的承包者必須同時(shí)具有適當的儀器和有能力的操作員。因此，許多大公司現在認為應該只承包給水沖洗協(xié)會(huì )的成員。

（1）基本保護

大多數石化廠(chǎng)、提煉廠(chǎng)和類(lèi)似的“危險”工廠(chǎng)，允許移動(dòng)式柴油泵組在指定的區域中操作，條件是它們要具有以下基本的保護設備：

入口處的自動(dòng)停機閥：

已經(jīng)有一些嚴重事件（包括由于柴油機速度過(guò)高而導致的傷亡），由以下情況導致：

*在發(fā)動(dòng)機的操作者不能控制發(fā)動(dòng)機速度時(shí)吸入了易燃氣體；

*由于彈簧、聯(lián)結裝置等的損害造成發(fā)動(dòng)機操作者操作失??；

*發(fā)動(dòng)機過(guò)熱或傾覆引起的機油箱中的油變成燃料；

*油浴空氣凈化器裝的過(guò)滿(mǎn)。

上述任何情況都可以導致發(fā)動(dòng)機速度失去控制，從而導致對周?chē)?chē)間災難性的損害以及對附近的人的嚴重傷害。

一種防止這種情況發(fā)生的裝置是“Chalwyn”自動(dòng)柴油機停機閥，它安裝在進(jìn)氣管線(xiàn)的上游，包括一個(gè)彈簧式提升閥，它由發(fā)動(dòng)機工作時(shí)閥門(mén)各方向的不同壓力來(lái)開(kāi)啟。這就提供了一個(gè)由彈簧限制的關(guān)閉的力量，它的張力可以控制。因此當發(fā)動(dòng)機速度超過(guò)預定水平時(shí)，閥門(mén)就會(huì )關(guān)閉，從而通過(guò)瞬間關(guān)閉空氣或燃料來(lái)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機。一旦入口條件恢復正常，閥門(mén)又會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟。

①熱停止停機閥：這是在實(shí)際溫度遠超過(guò)操作溫度時(shí)用來(lái)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機的停機閥。這個(gè)裝置由“wax發(fā)動(dòng)機”組成，它在溫度約100°C（212°F）時(shí)被激活，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機的燃料供應。很多柴油發(fā)動(dòng)機制造商有適合他們自己的這種裝置。

②火花捕獲消音器：在危險地區柴油發(fā)動(dòng)機潛在的最嚴重的問(wèn)題之一可能就是排氣口中發(fā)出的火花，這經(jīng)常在排氣系統煙臭很多的時(shí)候發(fā)生。為避免這種情況發(fā)生，可以安裝“火花捕獲消音器”來(lái)代替傳統的消音器。按照氣旋原則操作，“火花捕獲消音器”可以使噪聲減少13dB。在安裝“火花捕獲消音器”之前，應該先讓發(fā)動(dòng)機制造商確認發(fā)動(dòng)機的性能不會(huì )受影響。

③空氣啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機：某些石油提煉廠(chǎng)、石油化工廠(chǎng)、近海裝置以及類(lèi)似的危險設備的柴油發(fā)動(dòng)機需要空氣啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，因為它可以減少對電池及相關(guān)電設備的需求。

（2）柴油發(fā)動(dòng)機的爆炸防護規格

與大氣中氣態(tài)成分的接觸是柴油發(fā)動(dòng)機一個(gè)潛在的燃燒源，主要是因為：

*入口發(fā)出的火焰：包括進(jìn)入發(fā)動(dòng)機吸氣系統的易燃氣體，可以在燃燒室內被點(diǎn)燃?；鹧娴那安糠旨铀僖苿?dòng)，暴露在大氣中，對周?chē)兹嫉沫h(huán)境構成了威脅。

*排氣口的火焰：某些類(lèi)的易燃蒸氣由于具有燃燒緩慢的特點(diǎn)，可以在排氣系統中''后燃燒”，如第1組和11A組的氣體。當排氣系統氧氣過(guò)多，而負荷較輕時(shí)，燃燒的危險是很大的。

*A自燃：如果蒸氣從熱的表面上（如閃光板）進(jìn)入大氣能夠自燃，則它們都有一定的自燃溫度。

*超速：即易燃氣體通過(guò)發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣支管進(jìn)入，使發(fā)動(dòng)機可以持續運轉的能力。

（3）近海石油生產(chǎn)和勘測裝置

在20世紀70年代中期，發(fā)生了很多與北海石油鉆塔的柴油發(fā)動(dòng)機有關(guān)的事件。包括一些部門(mén)同意編制一套用于近海柴油發(fā)動(dòng)機的設計和操作的可接受的標準，這些部門(mén)包括主要的石油公司（特別是英國汽油）、保險公司、健康和安全部門(mén)及其他感興趣的部門(mén)。在1977年，建議的標準在OCMA的出版物MEC-1上發(fā)表。1983年"工程設備與材料使用者協(xié)會(huì )”成立之后，這份文件被指定為EEMUANO.107。1992年，這份文件被修訂為最新的2級危險區域工業(yè)標準，現在己經(jīng)被廣泛接受。

（4）歐洲的法規

在歐洲目前有許多標準正在被負責內燃機安全的"ComiteEuropeendeNomalisation"（CEN）改進(jìn)。這些標準有特殊的重要性，因為它們將成為法規框架的一部分，按照這些協(xié)調后的標準，這些發(fā)動(dòng)機會(huì )被認為符合了"ATEX指令”中必要的安全要求。委員會(huì )對于內燃機所制訂的安全標準是CEN/TC270，第2工作組正在起草標準pr.EN1834-1。根據公眾的建議，“在有潛在爆炸危險的地區使用內燃機”的標準草案目前已經(jīng)發(fā)布。

（5）柴油發(fā)動(dòng)機一英國近海工業(yè)標準

己有的英國近海工業(yè)安全操作標準包括：

LloydsOpenDeckZone2areas，OCMA-MEC1，BS5908Zones1and2，ShellISO27，Chevron，ABSandEEMUANo.107（1992），BritishPetroleumBP200。這些都將在新的E.C.標準中成為修訂的對象。

建立在英國蘇塞克斯的Shoreham海邊的"Pyroban”公司20年來(lái)一直致力于設計和制造柴油發(fā)動(dòng)機防爆裝置，并且被認為在這項技術(shù)中處于世界領(lǐng)先地位。Pyroban與一些柴油發(fā)動(dòng)機制造商如"IvecoAifo"、DetroitDiesel，Vblvo和Caterpillar等聯(lián)合，為特別危險地區的設備提供了適當的“電源組”，其中包括：

發(fā)電機組、水力電源組、空氣壓縮機、消防泵、制冷機組，還有高、中、低壓水泵組。

由于引入與陸上危險地區工作相關(guān)的嚴格法規，“Pyroban火焰防護”柴油發(fā)動(dòng)機目前在化學(xué)、制藥及相關(guān)產(chǎn)業(yè)中常用于各種動(dòng)力設備。這種完全解決危險地區柴油發(fā)動(dòng)機動(dòng)力設備安全性問(wèn)題的趨勢毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì )繼續。

高壓泵組設計的未來(lái)發(fā)展

已有的和未來(lái)的高壓泵組主發(fā)動(dòng)機的設計，無(wú)論是柴油發(fā)動(dòng)機還是電力發(fā)動(dòng)機都將受與控制噪聲、大氣污染和安全性相關(guān)的歐洲標準或國際標準影響。對于一個(gè)實(shí)際的泵，重點(diǎn)將會(huì )關(guān)注流體壓頭的設計、安全裝置、提高包裝材料的壽命、方便的維護以及節能特性等。