本发明具体涉及基于plan54系统配置下的密封隔离液循环量计算方法。
背景技术：
目前，本发明涉及机械密封领域，重点涉及机械密封运转热量、介质热传导、热交换及密封隔离液循环量计算，并针对高温泵机械密封的plan54系统配置，根据不同的密封布置结构，分别提供了密封隔离液循环量的计算方法。
近年来因高温油泵机械密封泄漏导致炼化企业发生了多起着火事故，给装置安全生产带来了严重的影响。对高温泵机械密封来讲，单纯依靠选用耐高温、导热性好的摩擦副材料，往往达不到预期的效果，密封运行可靠与否，很大程度上取决于密封工作环境，配置合理的密封辅助系统就是改善密封工作环境、延长密封寿命的有效措施。分析比较几种密封辅助系统，仅有plan54系统是靠集油站油泵同时给泵群多个密封提供隔离液，隔离液循环依靠外部循环装置推动，具有隔离液循环量可调、循环效果好、备用泵隔离液也能处于循环状态等其他系统不可替代的优势，在机泵集中的装置，尤为适用。而该系统的设计关键在于如何确定单个密封隔离液的循环量，目前国际国内及相关行业标准中均未给出在plan54系统配置下密封隔离液循环量的计算方法，因此确定隔离液循环量具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对目前上述之不足，而提供基于plan54系统配置下的密封隔离液循环量计算方法。
本发明基于plan54系统配置下的密封隔离液循环量计算方法，其特征在于：
一.确定机械密封热量平衡方程
根据热量平衡理论，机械密封正常运转时，需满足：
QF＋QA＋QB＋Qhs＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4＋Q5
式中，QF—动、静环端面摩擦热；
QA—旋转元件在密封介质中的搅拌热；
QB—辅助元件的振动和摩擦产生的热量；
Qhs—泵体及泵送流体传入密封腔体的热量；
Q1—外冲洗液吸收热；
Q2—隔离液循环吸收热；
Q3—泵盖水冷夹套中冷却水带走密封腔的热量；
Q4—密封腔外表面与大气对流传热带走的热量；
Q5—通过转轴带出系统的热量；
上式可简化为：
QF＋Qhs＝Q1＋Q2＋Q3；
二.摩擦热QF的确定
单密封端面的摩擦热按下式计算：
QF＝fpgVAf
pg—密封端面比压，N/cm2；
V—密封端面平均周速，m/s；
Af—密封端面面积，cm2；
(2.1)内侧密封端面比压计算
（1）面对背结构内侧密封端面比压计算：
pg＝ps＋（K1-λ1）p1+（K2-λ2）p2；
式中pS—密封补偿元件弹簧比压，N/cm2；
K1—内侧密封按内流式计算的载荷系数，K1=(D22-DB2)/(D22-D12) ；
K2—内侧密封按外流式计算的载荷系数，K2=(D22-DB2)/(D22-D12) ；
D1,D2—分别为内侧密封端面内、外直径，m；
DB—内侧密封的平衡直径，m；
λ1—内侧密封腔内介质的膜压系数；
λ2—外侧密封腔内隔离液的膜压系数；
p1—内侧密封腔内介质的压力，N/cm2；
p2—外侧密封腔内隔离液的压力，N/cm2；
（2）面对面或背靠背布置结构内侧密封端面比压按下式计算;
pg＝pS＋（K1-λ2）p2＋（K2-λ1）p1
(2.2)外侧密封端面比压计算
pg=pS+（K-λ）p
式中pS—密封补偿元件弹簧比压，N/cm2
K—外侧密封按内流式计算的载荷系数，K=(D22-DB2)/(D22-D12)
D1,D2—分别为外侧密封端面内、外直径，m；
DB—外侧密封的平衡直径，m；
λ—外侧密封腔内隔离液的膜压系数；
p—外侧密封腔内隔离液的压力，N/cm2；
三.泵体及泵送流体传入密封腔体的热量Qhs的计算：
Qhs=U×A×DB×ΔT
式中：U－材料特性系数；
A－传热面积；
DB－密封的平衡直径，单位mm；
ΔT－泵温度和密封腔预期温度之差，单位K;
四.外冲洗液吸收热Q1、隔离液吸收热Q2和泵盖水冷夹套中循环水带走密封腔的热量Q3按以下通用公计算为：
Q=qρCpΔt/60
式中：q—外冲洗液或隔离液的流量，L/min;
ρ—外冲洗液或隔离液的密度，kg/L;
Cp—外冲洗液或隔离液的比热，KJ/（Kg·K）;
Δt—外冲洗液或隔离液的温升，K。
本发明优点是：1、针对与不同泵盖结构，无论是否带水冷夹套，是否配置外冲洗，对于plan54系统来讲，本发明中的热平衡方程可以根据实际情况进行灵活运用。
2、通过对单套密封隔离液循环量的计算，可以确定plan54系统所需的总循环量，并为系统油箱容量、管系储油量、隔离液补充周期及循环倍率提供了可靠的计算依据。
3、在保证系统正常工作的情况下，利用该计算方法，在大幅度降低甚至取消外冲洗液仍然保证密封及系统稳定运行的前提下，可以计算隔离液的循环量，具备很好的经济效应。
4、根据实际需要，可以确定隔离液循环量的一个范围，便于对密封隔离液进行流量、压力及温度等各个参数进行合理调节。
具体实施方式
本发明其一，根据热量平衡理论确定热量平衡公式；其二，根据双端面密封不同布置结构，确定摩擦热的计算公式；其三，确定密封腔边界温度的范围。具体如下：1.确定机械密封热量平衡方程
根据热量平衡理论，机械密封正常运转时，需满足：
QF＋QA＋QB＋Qhs＝Q1＋Q2＋Q3＋Q4＋Q5
式中，QF—动、静环端面摩擦热
QA—旋转元件在密封介质中的搅拌热
QB—辅助元件的振动和摩擦产生的热量
Qhs—泵体及泵送流体传入密封腔体的热量
Q1—外冲洗液吸收热
Q2—隔离液循环吸收热
Q3—泵盖水冷夹套中冷却水带走密封腔的热量
Q4—密封腔外表面与大气对流传热带走的热量
Q5—通过转轴带出系统的热量
机械密封运转产生的热量主要有端面摩擦热QF和旋转元件的搅拌热QA，但由于搅拌热不易确定，且与端面摩擦热相比值不大，按端面摩擦热，考虑合适的摩擦系数来确定，将QA的计算考虑在端面摩擦热QF内，在正常运转条件下可以忽略辅助元件的振动与摩擦热，对于液体端面密封，由于空气的传热系数低，散热量Q4及Q5较小，故可以忽略不计，则上式可简化为：
QF＋Qhs＝Q1＋Q2＋Q3
2.摩擦热QF的确定
由于plan54系统配置的是双端面机械密封，故摩擦热为内、外侧密封端面摩擦热之和，单密封端面的摩擦热按下式计算：
QF＝fpgVAf
式中f—密封端面摩擦系数,考虑密封运行的安全性，取f=0.2～0.3
pg—密封端面比压，N/cm2
V—密封端面平均周速，m/s
Af—密封端面面积，cm2
对于双端面机械密封来讲，根据密封结构布置特点，分为面对背、面对面和背靠背3种结构。内侧密封端面的内、外圆表面均受液体的压力，在密封运转的过程中，内、外圆的液体均会产生液膜反推力，这种反推力试图将密封面推开，但由于布置结构的不同，内、外圆表面作用的液体也不同，因此内侧密封端面比压应根据不同的布置结构采取不同的计算方法；对于外侧密封而言，无论是哪种布置结构，端面的内、外圆表面始终分别承受的是大气压和隔离液的压力，因此端面比压计算方法相同。
2.1内侧密封端面比压计算
（1）面对背结构内侧密封端面比压计算：
pg＝ps＋（K1-λ1）p1+（K2-λ2）p2
式中pS—密封补偿元件弹簧比压，N/cm2
K1—内侧密封按内流式计算的载荷系数，K1=(D22-DB2)/(D22-D12)
K2—内侧密封按外流式计算的载荷系数，K2=(D22-DB2)/(D22-D12)
D1,D2—分别为内侧密封端面内、外直径，m；
DB—内侧密封的平衡直径，m；
λ1—内侧密封腔内介质的膜压系数
λ2—外侧密封腔内隔离液的膜压系数
p1—内侧密封腔内介质的压力，N/cm2
p2—外侧密封腔内隔离液的压力，N/cm2
（2）面对面或背靠背布置结构内侧密封端面比压按下式计算;
pg＝pS＋（K1-λ2）p2＋（K2-λ1）p1
2.2外侧密封端面比压计算
pg=pS+（K-λ）p
式中pS—密封补偿元件弹簧比压，N/cm2
K—外侧密封按内流式计算的载荷系数，K=(D22-DB2)/(D22-D12)
D1,D2—分别为外侧密封端面内、外直径，m；
DB—外侧密封的平衡直径，m；
λ—外侧密封腔内隔离液的膜压系数；
p—外侧密封腔内隔离液的压力，N/cm2
3.泵体及泵送流体传入密封腔体的热量Qhs的计算：
Qhs=U×A×DB×ΔT
式中：U－材料特性系数；
A－传热面积；
DB－密封的平衡直径，单位mm；
ΔT－泵温度和密封腔预期温度之差，单位K。
考虑热传导计算结果的安全性，取（U×A）=0.00025，根据隔离液闪点温度及金属波纹管200℃以下失弹现象不明显特性，密封腔边界温度宜在160℃～180℃。用于高温泵。
4.外冲洗液吸收热Q1和隔离液吸收热Q2按以下通用公计算为：
Q=qρCpΔt/60
式中：q—外冲洗液或隔离液的流量，L/min
ρ—外冲洗液或隔离液的密度，kg/L
Cp—外冲洗液或隔离液的比热，KJ/（Kg·K）
Δt—外冲洗液或隔离液的温升，K
温升一般取10℃～25℃。
5.泵盖水冷夹套中循环水带走密封腔的热量Q3的计算方法为：
按通用公式Q=qρCpΔt/60计算，但要求考虑两个因素：其一，循环水后期结垢热阻的影响，取循环水平均温升为5℃；其二，泵盖水冷夹套结构，冷却水带走密封腔的热量按总热量的0.2－0.3倍折算。
密封隔离液循环量计算流程：
1、根据泵结构形式，列机械密封热平衡方程式。
2、根据密封布置结构特点，按布置方式列相应的密封面摩擦副热量QF计算式。
3、确定外冲液的流量、温升，确定内侧密封腔边界的温度，确定隔离液的温升，计算隔离液不同温升下，单个密封隔离液的流量。
4、根据密封数量确定整个系统隔离液总的循环量，据此确定plan54的详细配置。