離心泵性能曲線對(duì)設(shè)計(jì)選型影響的探討

張健

（中國成達(dá)工程有限公司）

設(shè)計(jì)與計(jì)算

離心泵性能曲線對(duì)設(shè)計(jì)選型影響的探討

張健*

（中國成達(dá)工程有限公司）

性能曲線是離心泵選型的基礎(chǔ)。針對(duì)工程中離心泵特別是多級(jí)離心泵選型中的幾個(gè)參數(shù)，包括最小連續(xù)流量、關(guān)閉揚(yáng)程以及并聯(lián)泵性能曲線匹配對(duì)泵運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的影響，進(jìn)行了研究及探討。

離心泵 性能曲線 流量 關(guān)閉揚(yáng)程 設(shè)計(jì)壓力 并聯(lián)泵

性能曲線是離心泵選型的基礎(chǔ)，是判斷設(shè)備能否滿足運(yùn)行要求的基礎(chǔ)前提，任何對(duì)泵能否滿足設(shè)計(jì)要求的審查，均應(yīng)當(dāng)首先對(duì)性能曲線能否滿足工況要求進(jìn)行考核。泵典型性能曲線一般包括流量-揚(yáng)程（Q-H）、流量-效率（Q-η）、流量-必需汽蝕余量（Q-NPSHr）和流量-軸功率（Q-P）四條曲線。對(duì)于泵選型的工作區(qū)間、NPSHr是否滿足等問題，API 610-2010《化工及天然氣工業(yè)用離心泵》標(biāo)準(zhǔn)中均有對(duì)應(yīng)描述，在此不再贅述，以下僅對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的、對(duì)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行有關(guān)鍵影響且容易忽略的幾個(gè)問題進(jìn)行闡述及探討。

1 最小連續(xù)流量

最小連續(xù)流量包括最小連續(xù)穩(wěn)定流量和最小連續(xù)熱控流量兩個(gè)概念，其準(zhǔn)確數(shù)值一般需要通過實(shí)際運(yùn)行測(cè)試得出。離心泵的運(yùn)行流量不允許長時(shí)間小于最小連續(xù)流量，否則設(shè)備會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)及發(fā)熱等情況。通常最小連續(xù)熱控流量大于最小連續(xù)穩(wěn)定流量，因此若泵輸送流量長期小于最小連續(xù)流量，向外輸送介質(zhì)無法完全帶走泵運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，泵內(nèi)介質(zhì)溫度將會(huì)持續(xù)升高，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞[1]。

在制造廠的報(bào)價(jià)中，一般是按最佳效率點(diǎn)的30%作為其最小連續(xù)流量點(diǎn)。此種方法是較為保守的，一般都有一定裕量，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，也遇到過特殊情況。比如在某項(xiàng)目中，某磁力泵制造廠的曲線和數(shù)據(jù)表中未標(biāo)識(shí)最小連續(xù)流量值，設(shè)計(jì)時(shí)按額定流量的30%估算，最后在出廠試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最小連續(xù)流量大于估算值。根據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)復(fù)查發(fā)現(xiàn)，有部分泵額定流量已經(jīng)接近甚至小于實(shí)際最小連續(xù)流量，這樣設(shè)備將無法穩(wěn)定運(yùn)行。最終在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行了修正，增加設(shè)計(jì)了回流管線（流量增大后，選型點(diǎn)向高效區(qū)偏移，結(jié)合電機(jī)余量復(fù)算，電機(jī)滿足要求）。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，無論在報(bào)價(jià)階段還是資料審查階段，廠商在性能曲線中往往會(huì)忽視對(duì)最小連續(xù)流量的標(biāo)識(shí)。所以，在選型中若遇到實(shí)際操作流量接近泵本身最小連續(xù)流量的情況，就需要特別核查選型流量與最小連續(xù)流量的裕量，確認(rèn)能否滿足設(shè)計(jì)及操作要求。

當(dāng)最小連續(xù)流量接近正常工作流量時(shí)，可采取通過監(jiān)測(cè)流量或功率的方法保護(hù)設(shè)備。但是一旦實(shí)際流量低于設(shè)置流量，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備跳車，進(jìn)而影響裝置運(yùn)行。在工程穩(wěn)定性要求較高時(shí)，大多數(shù)情況下會(huì)采取增加回流的方式，以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行（如圖1所示）。由于不同型號(hào)（或廠商）的最小連續(xù)流量不同，在小流量工況下，在選型時(shí)需要根據(jù)泵的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，以確定實(shí)際回流流量。

圖1 帶最小連續(xù)流量保護(hù)的系統(tǒng)流程圖

以新疆某化工項(xiàng)目為例，下游需要額定流量為1 m3/h，泵最小連續(xù)流量Qmin為2.5 m3/h，泵額定流量＜最小連續(xù)流量，如按額定流量選型，泵將會(huì)出現(xiàn)明顯的發(fā)熱及振動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重縮短其使用壽命，對(duì)于如磁力泵及屏蔽泵等無密封泵，將直接導(dǎo)致磁性材料高溫退磁以及電機(jī)過熱等破壞性結(jié)果。因此，對(duì)應(yīng)設(shè)備必須增加回流旁路加大流量才能正常運(yùn)行。結(jié)合下游有流量需求很小的短期操作工況，泵回流閥及管路可按泵最小連續(xù)流量設(shè)計(jì)，正常操作中回流調(diào)節(jié)閥全開，回流管路設(shè)限流孔板，以保證即使出口閥全關(guān)，設(shè)備仍能正常使用，從而保證設(shè)備長期平穩(wěn)運(yùn)行。綜上所述，最終泵的選型如圖2所示，對(duì)應(yīng)的設(shè)備選型按下游需要的流量1 m3/h+泵最小連續(xù)流量2.5 m3/h，即按流量3.5 m3/h進(jìn)行選型。如此選型，設(shè)備長期運(yùn)行效果良好。

圖2 額定流量小于最小連續(xù)流量的性能曲線選型

由上可見，對(duì)于離心泵，特別是流量較小以及選型點(diǎn)偏離最佳效率點(diǎn)較遠(yuǎn)的工況，需要特別注意在性能曲線中標(biāo)出泵的最小連續(xù)流量，并在選型中審查最小連續(xù)流量與選型點(diǎn)之間的操作裕量，如兩者過于接近，則需要考慮設(shè)置回流管線等保護(hù)措施，以免設(shè)備損壞。

2 關(guān)閉揚(yáng)程

根據(jù)API 610-2010要求，泵最好具有穩(wěn)定的Q-H曲線（即到關(guān)閉點(diǎn)為止，揚(yáng)程曲線呈連續(xù)上升狀）。如果買方規(guī)定泵并聯(lián)運(yùn)行，則必須具有穩(wěn)定的Q-H曲線。如果規(guī)定并聯(lián)運(yùn)行，則曲線上的揚(yáng)程上升量至少應(yīng)當(dāng)是額定流量所對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的10%。

以上要求包含幾個(gè)方面：

（1）揚(yáng)程曲線應(yīng)當(dāng)避免有駝峰，否則設(shè)備在調(diào)節(jié)上不具有自平衡性[2]。如圖3所示，泵穩(wěn)定工作在A點(diǎn)，若有小的擾動(dòng)，通過系統(tǒng)的流量瞬間增大至A1，對(duì)應(yīng)管網(wǎng)阻力B1大于泵揚(yáng)程A1，由于這個(gè)壓差阻力的存在，系統(tǒng)的流量有減小的趨勢(shì)，泵流量將會(huì)回到Q點(diǎn)。反之變化類似，這種曲線有回復(fù)到穩(wěn)定工況的趨勢(shì)。如圖4所示，若泵性能曲線為駝峰狀，且泵工作點(diǎn)在駝峰左側(cè)，當(dāng)出現(xiàn)小的擾動(dòng)流量后，泵揚(yáng)程增加速度甚至高于管網(wǎng)阻力增加速度，系統(tǒng)流量反而有增加的趨勢(shì)，即系統(tǒng)無法自行達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，為不穩(wěn)定系統(tǒng)。圖4中的Q1、Q2為同一出口壓力對(duì)應(yīng)的兩個(gè)流量（可能值），操作中無法通過壓力值來確認(rèn)設(shè)備當(dāng)前的工作流量，這種操作很不具有便利性。

圖3 穩(wěn)定泵-管網(wǎng)系統(tǒng)

圖4 不穩(wěn)定泵-管網(wǎng)系統(tǒng)

（2）揚(yáng)程的陡度應(yīng)當(dāng)在合理的區(qū)間內(nèi)，即設(shè)備的關(guān)閉揚(yáng)程應(yīng)大于額定流量揚(yáng)程，且在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)＞110%，同時(shí)一般要求陡度≯20%。而在高揚(yáng)程多級(jí)泵中，由于葉輪級(jí)數(shù)多，可按照串聯(lián)方式求取多級(jí)泵性能曲線[3]，如圖5所示。單級(jí)泵Q-H曲線為HⅠ，串聯(lián)后的Q-H曲線HⅢ陡度也對(duì)應(yīng)增大，故工程中多級(jí)泵的流量-揚(yáng)程曲線往往無法滿足對(duì)應(yīng)≯20%的要求。在設(shè)計(jì)選型中，此要求往往會(huì)適當(dāng)放寬。

圖5 相同特性曲線串聯(lián)

由于多級(jí)泵的揚(yáng)程一般較高，而對(duì)應(yīng)的Q-H曲線相對(duì)較陡，通過輸送介質(zhì)密度及關(guān)閉揚(yáng)程換算得出的泵最大出口壓力往往相對(duì)較高（p出口=p入口+ρgH）。因此，在對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，揚(yáng)程陡度較大的泵特別是多級(jí)泵，需要特別注意關(guān)閉壓力對(duì)泵后設(shè)備、管路及儀表設(shè)計(jì)壓力的影響，應(yīng)復(fù)算泵后管路、設(shè)備及儀表能否滿足泵的關(guān)閉壓力，否則極有可能出現(xiàn)泵后管路及容器設(shè)計(jì)壓力無法滿足泵的關(guān)閉壓力，最終出現(xiàn)對(duì)應(yīng)設(shè)備、管路及儀表超壓運(yùn)行，導(dǎo)致泄漏甚至事故的發(fā)生。以某制造廠提供的某項(xiàng)目多級(jí)離心泵的性能曲線為例，當(dāng)最大吸入壓力為83.4 PaA、操作溫度為150℃、輸送介質(zhì)密度為909.2 kg/m3時(shí)，其性能曲線如圖6所示。

圖6 某項(xiàng)目多級(jí)離心泵的性能曲線

計(jì)算得出的出口壓力見表1。根據(jù)HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭（PN系列）》法蘭標(biāo)準(zhǔn)（見表2），按額定點(diǎn)揚(yáng)程，泵出口管道選擇Class 900（PN150）等級(jí)即可滿足承壓要求。但是考慮可能出現(xiàn)的關(guān)閉點(diǎn)，出口管道壓力等級(jí)應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)提升一檔為Class 1500（PN260）。如僅按額定流量下?lián)P程進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，Class 900（PN150）的管道運(yùn)行時(shí)將長時(shí)間超壓，必然存在安全隱患。

表1 額定點(diǎn)參數(shù)與關(guān)閉點(diǎn)參數(shù)對(duì)比

3 并聯(lián)運(yùn)行泵的性能曲線匹配性

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的泵，在泵型不同的情況下，要特別注意考察泵的性能曲線是否匹配。若選用多級(jí)泵，多級(jí)葉輪串聯(lián)后，其性能曲線陡度增加，此時(shí)性能曲線是否匹配尤其應(yīng)予以重視。

以新疆某項(xiàng)目為例，項(xiàng)目共3臺(tái)鍋爐給水泵，分別由2臺(tái)電機(jī)和1臺(tái)汽機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中設(shè)備2開1備，1臺(tái)電泵為備泵。為保證蒸汽消耗，根據(jù)蒸汽消耗量反推汽泵額定流量，確定汽泵選型。對(duì)應(yīng)的電泵和汽泵額定流量有區(qū)別，額定揚(yáng)程相同。某全球知名制造廠的報(bào)價(jià)方案對(duì)應(yīng)Q-H性能曲線如圖7、圖8所示。

表2 材料組別為1.1的鋼制管法蘭用材料最大允許工作壓力（表壓）

圖7 電動(dòng)泵（14級(jí)葉輪）性能曲線

圖8 汽動(dòng)泵（9級(jí)葉輪）性能曲線

從圖7和圖8中可以看出，雖然電動(dòng)泵和汽動(dòng)泵額定揚(yáng)程均為1 480 m，可以滿足額定工況的選型要求，但是兩泵葉輪級(jí)數(shù)差別較大，設(shè)備性能曲線有較大差異。高級(jí)數(shù)的電動(dòng)泵具有更陡峭的性能曲線（關(guān)閉揚(yáng)程/額定揚(yáng)程=140%）。根據(jù)性能曲線，電動(dòng)泵關(guān)閉揚(yáng)程約為2 100 m，汽動(dòng)鍋爐給水泵關(guān)閉揚(yáng)程約為1 800 m。經(jīng)計(jì)算可知，電動(dòng)泵的關(guān)閉壓力為19.96 MPa，汽動(dòng)泵為16.5 MPa（介質(zhì)密度為917 kg/m3，入口壓力為0.7 MPa），兩者壓差高達(dá)3 MPa。拋開性能曲線過于陡峭不利于控制調(diào)節(jié)，單從此方案看并聯(lián)后設(shè)備的操作性，若電泵在使用過程中向低負(fù)荷方向調(diào)節(jié)，例如當(dāng)流量在180 m3/h的情況時(shí)，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程約為1 800 m，對(duì)應(yīng)出口壓力已經(jīng)達(dá)到16.5 MPa，此時(shí)揚(yáng)程相當(dāng)于汽動(dòng)泵的關(guān)閉揚(yáng)程。由于兩泵并聯(lián)，管網(wǎng)需求壓力甚至已經(jīng)大于汽動(dòng)泵關(guān)閉揚(yáng)程，汽動(dòng)泵將無法克服對(duì)應(yīng)阻力向外輸送介質(zhì)，工作點(diǎn)由于已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于泵運(yùn)行的最小連續(xù)流量，汽動(dòng)鍋爐給水泵將會(huì)發(fā)生振動(dòng)及發(fā)熱，最終導(dǎo)致設(shè)備抱死損壞。而電動(dòng)泵此時(shí)流量為180 m3/h，只相當(dāng)于額定流量的63%，屬于正常的操作區(qū)間。這3臺(tái)多級(jí)泵價(jià)值近千萬人民幣，如果最終采用對(duì)應(yīng)方案，在日常操作中將極有可能發(fā)生事故，所造成的損失將是巨大的。另外，在泵組出口設(shè)機(jī)械式最小流量保護(hù)閥的情況下，由于流量保護(hù)閥并不是兩位閥，其旁路和主路可以協(xié)調(diào)動(dòng)作，保證泵組最小流量不低于最小連續(xù)流量，因此這時(shí)對(duì)關(guān)閉揚(yáng)程對(duì)應(yīng)匹配性的考核可以改為對(duì)兩臺(tái)泵最小連續(xù)流量對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的考核。

4 結(jié)語

綜上所述，離心泵在液體介質(zhì)輸送中占有舉足輕重的作用。性能曲線是離心泵選型的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，除了應(yīng)關(guān)注包括Q、H、NPSHr等額定點(diǎn)參數(shù)本身能否滿足設(shè)計(jì)需求外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況，有針對(duì)性地考核泵的整體特性曲線能否滿足設(shè)備、裝置穩(wěn)定、正常運(yùn)行的要求。

[1]陳偉.離心泵工作范圍的確定 [J].流體機(jī)械，2005，33（7）： 60-62， 85.

[2]劉虎山.泵性能曲線的形狀對(duì)使用的影響 [J].泵工程師， 2014（10）： 42-48.

[3]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè) [M].北京：中國宇航出版社，1995.

Discussion on the Influence of Performance Curve of Centrifugal Pump on Design and Selection

Zhang Jian

Performance curve is the basis of centrifugal pump type selection.The influence of several parameters in the selection of centrifugal pump,especially multistage centrifugal pump,including minimum continuous flow,closing head and parallel pump performance curve matching have been investigated and discussed for the stability and safety of pumps.

Centrifugal pump;Performance curve;Flow;Closing head;Design pressure;Parallel pump

TH 311

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.006

*張健，男，1984年生，碩士，工程師。成都市，610041。

2017-01-22）