Die Speisepumpe hat eine schwierige Aufgabe zu erfüllen: Speisewasser durch den gesamten Dampfdruck mit einer ausreichenden Geschwindigkeit in einen Kessel zu fördern, um jedes Pfund Wasser zu ersetzen, das ein Kessel bei jeder Last pro Minute in Dampf umwandelt. Wenn die Pumpe nicht die richtige ist, kann dies dazu führen, dass der Kessel wegen Wassermangels abschaltet, die Pumpe kavitiert oder das System über viele Jahre Energie verschwendet. Dieser Leitfaden enthält Ratschläge zur manuellen Berechnung der wichtigsten Kenndaten der Kesselspeisepumpe.
Kurze Antwort: Die Verfahren zur Bestimmung der Größe der Kesselspeisepumpe umfassen drei Berechnungen. In der ersten Stufe wird die Durchflussrate in GPM bestimmt, die sich aus dem Vergleich der Dampfproduktion des Kessels in lb pro Stunde mit dem Produkt aus 8,33 lb pro Gallone und 60 multipliziert mit 1 plus dem Abschlämmprozentsatz sowie einem Sicherheitsfaktor ergibt. Dies kann auch über die Gleichung für die Kesselleistung berechnet werden, wobei Q = BHP*34,5/8,337*60*1,5 gilt. Dies basiert auf empirischen Daten, die es erlauben, 1 GPM für jeweils 10 BHP der Kesselleistung anzusetzen. Der zweite zu bestimmende Wert ist die totale dynamische Förderhöhe, die wie folgt berechnet wird: TDH in ft = Druck des Sicherheitsventils von 1,03 plus Reibungsverluste in psi multipliziert mit 2,31 plus statische Höhe. Man erkennt, dass der Wert von 1,03 gemäß den Anforderungen des ASME Section I angegeben ist, wo festgelegt ist, dass der Pumpendruck den des Sicherheitsventils um 3 % übersteigen sollte. Schließlich kann die Bremsleistung berechnet werden, indem GPM mit TDH und dem spezifischen Gewicht multipliziert und durch 3960 sowie den Wirkungsgrad der Pumpe, der typischerweise zwischen 65 und 75 % liegt, geteilt wird.
Warum die Auslegung der Speisepumpe wichtig ist
Ein Dampfkessel ist ein Druckbehälter, und es ist gemäß Section I des ASME zwingend erforderlich, dass er mit ausreichend Wasser betrieben wird. Die Speisepumpe leistet dies und muss gemäß der grundlegenden Anforderung des Regelwerks ausgelegt werden: Die Pumpe muss in der Lage sein, Wasser mit einem Druck zu liefern, der 3 % höher ist als der maximale Druck des Sicherheits-/Überdruckventils, und muss alle Verluste im System kompensieren. Die Folgen eines Fehlers sind sehr real.
- Ist die Pumpe unterdimensioniert, schaltet der Kessel bei Wassermangel ab, die Produktion stoppt und die Ausrüstung wird beschädigt.
- Ist die installierte Pumpe überdimensioniert, kommt es zu Energieverlusten, häufigem Takten und vorzeitigem Verschleiß der Pumpe, da sie weit abseits ihres optimalen Wirkungsgrades läuft.
- Wenn der Förderdruck falsch ist, kann die erforderliche Menge an Speisewasser aufgrund des Dampfdrucks im Inneren nicht in die Trommel und damit nicht in den Kessel gelangen.
- Wenn der NPSH-Wert der Speisepumpe unzureichend ist, tritt Kavitation auf, was innerhalb von Wochen oder Monaten zum Pumpenausfall führt.
Die Berechnungen für die korrekte Auslegung der Speisepumpe bestehen aus drei Schritten, deren Details unten mit Berechnungen, praktischen Beispielen und einem Online-Rechner angegeben sind.
Kesselspeisepumpen-Rechner
Geben Sie einfach die Parameter zu Ihrem Kessel und System in die vorgesehenen Felder ein und klicken Sie auf die Schaltfläche „Berechnen“. Das Tool kann sowohl in US-Einheiten als auch in metrischen Einheiten verwendet werden. Die vollständigen Formeln finden Sie unter dem Rechner.
Der Rechner kann als erstes Auslegungstool basierend auf den unten aufgeführten Formeln verwendet werden – stellen Sie sicher, dass Sie die endgültige Wahl sowohl anhand der Pumpenkennlinie des Herstellers als auch anhand der relevanten ASME-Codes für Ihre Region überprüfen. Für eine vollständige interaktive Referenz mit ausgearbeiteten Beispielen bietet die Begleitseite boilerfeedpumpcalculation.com zusätzliche Tools zur Auslegung der Kesselspeisung.
Schritt 1: Durchflussrate berechnen
Die Pumpe sollte Speisewasser proportional zur maximalen Dampferzeugung des Kessels fördern, unter Berücksichtigung von Abschlämmung und Spielraum für Lastschwankungen. Die allgemeine Gleichung, die angewendet werden kann, ist unten dargestellt.
Q (GPM) = [Dampfproduktion (lb/hr)] ÷ (8,33 × 60) × (1 + Abschlämmungsanteil) × Sicherheitsfaktor
- In dieser Gleichung bezeichnet 8,33 die Masse einer Gallone Wasser (lb) und 60 rechnet Stunden in Minuten um, was bedeutet, dass die Funktion ÷ (8,33×60) lb/h Dampf in GPM äquivalentes Wasser umwandelt.
- Abschlämmung ist das Wasser, das künstlich entfernt wird, um gelöste Feststoffe zu kontrollieren, und entspricht normalerweise 5-10 % der Menge des der Pumpe zugeführten Wassers.
- Daher sollten die Berechnungen diesen Betrag einbeziehen. Der Sicherheitsfaktor beträgt 1,25 für den Betrieb mit modulierender Speisung in kontinuierlicher Form oder 1,50 für sporadischen Betrieb.
Beispiel: Wenn ein bestimmter Kessel mit 3450 lb/hr (100 Kessel-PS) arbeitet, entspricht sein Verdampfungsfluss gemäß der Formel 6,9 GPM. Unter Berücksichtigung von 5 % Abschlämmung und einem Sicherheitsfaktor von 1,5 erhalten wir Q = 6,9 × 1,05 × 1,5 = 10,9 GPM. Als grobe Gegenprüfung unserer Berechnungen kann man den Kessel-PS-Wert durch 10 teilen und erhält 10 GPM als gewünschten Wert für einen 100-PS-Kessel.
Schritt 2: Totale dynamische Förderhöhe berechnen
Die totale dynamische Förderhöhe (TDH) umfasst alle Faktoren, gegen die eine Pumpe arbeiten muss.
TDH (ft) = (Einstelldruck des Sicherheitsventils psi × 1,03 + Reibungsverlust psi) × 2,31 + statische Förderhöhe (ft)
- Der Faktor 1,03 stammt aus dem ASME-Code Section I, der besagt, dass der Pumpenausgangsdruck die höchste Einstellung des Sicherheits- oder Überdruckventils um mindestens 3 % übersteigen muss. Es handelt sich also um eine zwingende Anforderung und nicht nur um eine Empfehlung.
Der Faktor 2,31 wandelt den Druck in psi in die Förderhöhe in Fuß um (1 psi = 2,31 ft Wassersäule). - Der Reibungsverlust gibt den Druckabfall an, der in Rohren, Ventilen und Verbindungsstücken zwischen der Pumpe und dem Kessel aufgetreten ist und liegt normalerweise bei etwa 5-15 % des Förderdrucks. Es sollte auch beachtet werden, dass das Speisewasser-Regelventil in dieser Hinsicht besonders berücksichtigt werden sollte, da ein modulierendes Ventil einen Druckanstieg von 10 bis 25 psi verursachen könnte; daher ist es sinnvoll, einen Leitfaden zu lesen, der Informationen über das Hauptwasserleitungsventil gibt, bevor die Anordnung der Speisewasser-Skid ausgelegt wird.
- Die statische Förderhöhe ist die Höhe von der Pumpenmittellinie bis zum Kesseleinspeisungsanschluss.
Beispiel: Sicherheitsventil auf 150 psi eingestellt, Reibungsverlust 5 psi und statische Förderhöhe 15 ft, dann ist TDH = (150 × 1,03 + 5) × 2,31 + 15 = 159,5 × 2,31 + 15 = 383 ft. Und wenn wir metrisch rechnen, dann entsprechen ein Bar Druck ungefähr 10,2 m Förderhöhe, und wir können eine parallele Formel verwenden: TDH (m) = (Druck in bar × 1,03 + Reibungsverlust in bar) × 10,2 + statische Förderhöhe (m)
Schritt 3: Leistung und Motorgröße berechnen
Sobald Sie sowohl die Durchfluss- als auch die Förderhöhenwerte haben, kann die Pumpenleistung über die folgende einfache Formel ermittelt werden:
- Wasserleistung (HP) = (GPM × TDH) ÷ 3960
- Bremsleistung (BHP) = Wasserleistung ÷ Pumpenwirkungsgrad (der normalerweise zwischen 65 % und 75 % liegt)
Schauen wir uns ein Beispiel an, das für 10,9 GPM bei 383 ft TDH gilt: Wasser-HP = 10,9 × 383 ÷ 3960 = 1,05 HP; wenn der Pumpenwirkungsgrad 68 % beträgt, ist die Brems-HP = Wasser-HP ÷ 0,68 = 1,55 HP. Vergessen Sie nicht, die Standardmotorgröße von 2 HP zu wählen, die der nächsthöhere Schritt vom berechneten Wert ist. Wenn Sie dies in metrischen Einheiten tun möchten, ist die Leistung (kW) = Q (m³/h) × TDH (m) ÷ (367 × Wirkungsgrad), und der Motor muss offensichtlich basierend auf der Leistung plus einem Sicherheitsfaktor berechnet werden.
Die NPSH-Falle: Kavitation bei heißem Wasser
Einer der kritischen Schritte, der von vielen Pumpenneukäufern oft ignoriert wird, ist die korrekte Berechnung der verfügbaren Zulaufhöhe (NPSH), was einer der Hauptgründe für Pumpenausfälle ist. Während der NPSH-Verfügbarkeitswert (NPSHa) den Sicherheitsabstand der Saugseite über dem Wasserdampfdruck misst, ist der erforderliche NPSH-Wert für eine Pumpe (NPSHr) in der Pumpenkennlinie angegeben. NPSHa muss immer um mindestens 3-5 ft höher sein als NPSHr. Das Problem liegt in der Temperatur; bei Temperaturen unter Raumtemperatur hat Wasser praktisch keinen Dampfdruck, während heißes Wasser (220°F) beispielsweise durch einen Dampfdruck gekennzeichnet ist, der ungefähr 40 ft Förderhöhe entsprechen kann. Wenn beispielsweise ein Entgaser 5 ft über der Pumpe mit 2 ft Saugverlusten eingestellt ist, entspricht der NPSHa-Wert der atmosphärischen Wassersäule (33,9 ft) plus 5 ft Tankhöhe abzüglich des Druckverlusts von 40 ft und 2 ft, was zu einem negativen NPSHa-Wert führt, der eine garantierte Kavitation nach sich zieht. Die Lösung für dieses Problem besteht darin, die Höhe des Tanks zu erhöhen (jeder Fuß bringt einen Fuß NPSHa), die Rohrleitungen kürzer, größer und frei von teilweise schließenden Ventilen zu machen, das Wasser wenn möglich abzukühlen oder eine Pumpe mit einem niedrigeren NPSHr zu wählen.
Auslegungsempfehlungen und Pumpentypen
Nach der Bestimmung von Systemdurchfluss, Förderhöhe und verfügbarer Leistung können die folgenden Grundsätze für eine ordnungsgemäße Auslegung bei der Auswahl einer Pumpe helfen:
- Ein echter Spielraum ist wichtig, aber nicht übertrieben. Der empfohlene Sicherheitsspielraum für die Auslegung einer Pumpenanwendung beträgt 10-25 % der Durchflussrate. Während es sicher erscheinen mag, eine Pumpe mit der zweifachen Durchflussrate auszulegen, führt dies die Pumpe weit von ihrem optimalen Wirkungsgradpunkt weg und verursacht unerwünschte Rezirkulation, Vibrationen und Dichtungsverschleiß bei geringer Last. Wenn eine große Variation der Pumpenlast erwartet wird, ist es besser, eine kleinere Pumpe mit einem Frequenzumrichter (VFD) zu wählen als eine größere Pumpe, die gedrosselt werden muss.
- Passen Sie die Pumpe an die Förderhöhe an. Verschiedene Pumpentypen sind für unterschiedliche Förderhöhen geeignet, wobei eine Förderhöhe von mehr als 150 ft (45 m) eine mehrstufige Kreiselpumpe erfordern würde, während bei niedrigeren Werten eine einstufige und/oder eine horizontal geteilte Gehäusepumpe verwendet werden könnte. Drücke: horizontal geteilte Gehäusepumpe – bis zu 300 psi, vertikale Turbinenpumpe – bis zu 600 psi und mehrstufige Kreiselpumpe – möglicherweise 1.000 psi.
- Dimensionieren Sie den Speisetank, um eine nutzbare Lagerung zu erreichen. Es ist üblich, davon auszugehen, dass es keine Netto-Zeitverschwendung durch die Pumpe von mehr als 10 Minuten geben wird.
- Dimensionieren Sie die Pumpe niemals kleiner als das Druckbegrenzungsventil. Der von der Pumpe erzeugte Druck sollte den vom System geforderten Entlastungsdruck zuzüglich etwa 3 % (zuzüglich Verluste) erreichen – was bedeutet, dass eine einfache Auslegung der Pumpe auf den Betriebsdruck nicht anderen Anforderungen der Kesselnormen entspricht.
- Wählen Sie Materialien für das Wasser. Behandeltes Speisewasser eignet sich für Bronze oder Gusseisen; entgastes heißes Wasser mit gelöstem Sauerstoff erfordert 304 oder 316 Edelstahl, und Gleitringdichtungen müssen die tatsächliche Speisewassertemperatur aushalten.
Kesselspeisewassersysteme sind aus denselben Rohrleitungs- und Ventilfamilien aufgebaut wie jedes Druckwassersystem. Die Druckleitung benötigt ein Rückschlagventil, um den Rückfluss zu stoppen, wenn die Pumpe stoppt, sowie ein Absperrventil für Wartungsarbeiten – die zwei Ventile, die sowohl die Pumpe als auch den Kessel auf jeder Speisewassereinheit schützen.
Die Rohrleitung zwischen der Pumpe und dem Kessel führt den vollen Förderdruck, daher muss sie in der richtigen Materialqualität und im richtigen Durchmesser für den Durchfluss spezifiziert werden – dieselbe Auslegungslogik, die die Dimensionierung von Edelstahlrohren in Prozesslinien bestimmt, wo Druck, Temperatur und Geschwindigkeit die Rohrklasse festlegen, statt Vermutungen anzustellen.
FAQ
Wie berechne ich die Größe einer Kesselspeisepumpe?
Es ist wichtig, zuerst die totale dynamische Förderhöhe, die Leistung und die Durchflussrate der Pumpe zu ermitteln. Dies kann durch die Formel berechnet werden: (Durchfluss = Q (GPM), der der Dampfleistung geteilt durch [8,33 × 60] entspricht) × [1 + Abschlämmung)] × Sicherheitsfaktor (1,25 bei modulierendem / 1,5 bei Ein-Aus-Betrieb). Die totale dynamische Förderhöhe (TDH) wird nach der hier angegebenen Formel berechnet: (Druck Sicherheitsventil psi × 1,03 + Reibungsverlust psi) × 2,31 + statische Förderhöhe. Dann wird die BHP berechnet, da die Leistung verwendet werden kann, um die richtige auf dem Markt erhältliche Pumpe zu finden.
Wie berechne ich die Speisepumpenrate?
Die erforderliche Speiserate entspricht der maximalen Verdampfungsrate des Kessels plus Abschlämmung und Sicherheitsmarge. Die zu verwendenden Formeln sind: (Speiserate = Kessel-PS × 34,5 ÷ [8,337 x 60] × SF) oder (Dampfleistung = lb/Stunde ÷ 500, wobei lb Pfund bedeutet und 500 sich auf den Umrechnungsfaktor 8,33 bezieht).
Wie berechne ich die Kesselpumpengröße?
Der Prozess der Bestimmung der „Größe“ bezieht sich auf die Pumpenkennlinie und beinhaltet auch die aus den obigen Berechnungen abgeleiteten Durchfluss- und Förderhöhenwerte. Die Pumpenkennlinie wird über die Parameter GPM und TDH (totale dynamische Förderhöhe) ermittelt.
Wie berechne ich die Pumpenformel?
Die gebräuchlichste Berechnung für Pumpen umfasst die Durchflussrate, die in Gallonen pro Minute (GPM) der Dampfproduktion ausgedrückt wird; Druck in psi; Leistung in Brems-PS (BHP); sowie die Umrechnung von 1-bar-Messungen in Meter (m).
Referenzen
- HPAC Engineering — 16 Schritte zur korrekten Auswahl der Kesselspeisepumpe
- Tip Calculator — Leitfaden zur Kesselspeisepumpenberechnung
- Hype Calculator — Auslegung der Kesselspeisepumpe (NPSH und ASME-Hinweise)
- PumpCalculator — Durchfluss, Förderhöhe und Leistung der Kesselspeisepumpe
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section I
Fazit
Die Dimensionierung von Kesselspeisepumpen basiert im Wesentlichen auf drei wichtigen Parametern – die Aufgabe wird jedoch durch zahlreiche Fallstricke erschwert. Der erste ist der Durchfluss, der auf Basis der maximalen Dampfleistung des Kessels zuzüglich Abschlämmung und einiger Sicherheitsmargen in Abhängigkeit vom verwendeten Steuerungssystem berechnet werden kann, d. h. 1 GPM pro 10 PS Kesselleistung mit zusätzlichen Verfeinerungen durch spezifische Formeln. Der zweite ist der Förderhöhenwert, der zusammen mit der obligatorischen ASME-Marge von 3 Prozent, Reibungsverlusten und der statischen Förderhöhe, ausgedrückt in 2,31 ft/psi, die Einstellung des Sicherheitsventils bestimmt. Schließlich entspricht die Leistung dem Verhältnis von Durchfluss und Förderhöhe dividiert durch den Wirkungsgrad, wobei die Motorleistung auf Standardwerte gerundet wird. Es ist sehr wahrscheinlich, dass ein Anfänger einige Fallstricke übersieht, die bei der Pumpendimensionierung leicht außer Acht gelassen werden, z. B. die Dimensionierung für den Betriebsdruck statt für den Sicherheitsventildruck, das Ignorieren von Verlusten in Regelventilen oder die Nichtberücksichtigung der Tatsache, dass ein wertvoller NPSH-Wert aufgrund erheblicher Probleme mit dem Dampfdruck des Speisewassers um Dutzende von Fuß gekürzt wird. Letztendlich muss man bedenken, welche unterschiedlichen Mechanismen zwischen Pumpe und Kessel liegen – Rückschlagventile, Absperrventile sowie Rohrleitungen, die nur dann ordnungsgemäß funktionieren, wenn die in diesem Artikel bereitgestellten Informationen richtig verstanden wurden.
