小流量高揚(yáng)程工況磁力驅(qū)動(dòng)泵選型設(shè)計(jì)

， (.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司， 浙江 杭州　300； .中國天辰工程有限公司， 天津　300000)

在氟化工和材料行業(yè)的泵選型設(shè)計(jì)中，易燃、易爆、高度危害介質(zhì)的小流量、高揚(yáng)程輸送工況較為常見。由于輸送的物料大多數(shù)涉及到易燃、易爆、高度危害介質(zhì)等，設(shè)計(jì)中選泵時(shí)應(yīng)首先考慮選用無泄漏輸送泵，既可避免雙端面機(jī)械密封的復(fù)雜沖洗方案要求[1]，又可減少運(yùn)行過程中的維護(hù)和維修工作量。此外，還應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝對輸送物料的壓力穩(wěn)定和流量連續(xù)計(jì)量需求[2]。

文中以小流量、高揚(yáng)程工況下無水氟化氫、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯和苯乙烯等有毒有害介質(zhì)的輸送為例，介紹并比較了單級單吸磁力泵、多級單吸磁力泵、單級單吸磁力旋渦泵、多級單吸磁力旋渦泵等4種選型方案，可為類似泵的選型設(shè)計(jì)提供借鑒。

1　磁力驅(qū)動(dòng)泵選型基礎(chǔ)

1.1　工藝設(shè)計(jì)條件

某工業(yè)項(xiàng)目工藝專業(yè)提供的無水氟化氫、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯、苯乙烯等工藝原料的物性參數(shù)和輸送泵的設(shè)備位號、汽蝕余量、體積流量、揚(yáng)程和設(shè)備類型等條件見表1。

表1　泵選型工藝參數(shù)和條件

有關(guān)本項(xiàng)目輸送介質(zhì)的其他物料特性說明，可參見各物料的化學(xué)品安全技術(shù)說明書MSDS[3]。物料的分類劃分是基于HG 20660—2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》[4]和GB Z230—2010 《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》[5]綜合確定的。

1.2　泵選型設(shè)計(jì)原則

泵的選型設(shè)計(jì)需滿足工藝要求，主要包括流量、揚(yáng)程、溫升限制、汽蝕余量等[6]。表1中，5種輸送介質(zhì)均為危險(xiǎn)化學(xué)品。無水氟化氫具有極強(qiáng)的腐蝕性，具有高度危害；四氯化碳有毒，具有中毒危害；氯乙烯、丁二烯和苯乙烯均有易燃危險(xiǎn)性。同時(shí)，5種輸送工況都具有小流量、高揚(yáng)程特點(diǎn)，體積流量為1.3～4.0 m3/h，揚(yáng)程為90～150 m。因此，選擇泵時(shí)首先必須滿足軸封可靠要求或采用無泄漏泵[7]，其次也應(yīng)考慮泵的最小穩(wěn)定運(yùn)行流量要求，盡量避免輸送物料的回流要求[8]。

通常情況下，相對于普通化工離心泵的復(fù)雜機(jī)械密封方案(比如雙端面機(jī)械密封，沖洗方案PLAN53a等)，磁力驅(qū)動(dòng)泵在使用安全性和防止有毒物料泄漏等方面是非常有利的[9]。磁力驅(qū)動(dòng)泵的磁力耦合器主要包括內(nèi)磁缸、外磁缸及隔離套等。其中位于內(nèi)、外磁缸間的隔離套將物料與大氣側(cè)完全隔離開，介質(zhì)封閉在隔離套內(nèi)。與傳統(tǒng)的采用雙端面機(jī)械密封進(jìn)行密封的離心泵相比，降低了物料泄漏到環(huán)境中的可能性，同時(shí)也減少了機(jī)械密封的定期維護(hù)工作。

對本次選型設(shè)計(jì)所涉及的小流量、高揚(yáng)程輸送工況(表1)，可選用容積式泵來滿足輸送要求[10]。但根據(jù)以往工藝系統(tǒng)要求輸送管路中流體無脈動(dòng)(主要為方便后續(xù)管路上安裝的流量計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量)的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先選用輸送流體平穩(wěn)無脈動(dòng)的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵或旋渦泵方案。

2　磁力驅(qū)動(dòng)泵選型方案設(shè)計(jì)

2.1　工況分析

分析表1可知，當(dāng)前工藝要求的工況流量已經(jīng)超出了單級單吸磁力驅(qū)動(dòng)離心泵或旋渦泵葉輪的最佳效率點(diǎn)所對應(yīng)流量的70%～120%(可接受振動(dòng)區(qū))，且小于泵穩(wěn)定運(yùn)行的最小連續(xù)流量要求[11]。因此，在選用單級單吸磁力驅(qū)動(dòng)離心泵或旋渦泵時(shí)應(yīng)考慮在工藝管路上設(shè)置回流管路，且回流管路閥門需要一直處于開啟狀態(tài)。若選用多級單吸磁力驅(qū)動(dòng)離心泵或旋渦泵，工藝參數(shù)中所需流量基本上大于泵在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最小連續(xù)流量，則可不用考慮回流量。

2.2　泵性能曲線分析

文中各磁力驅(qū)動(dòng)泵選型設(shè)計(jì)參考了制造廠的樣本及廠家典型選型方案等資料。研究廠家資料可知，由于每種類型的泵特性基本一樣，制造廠樣本或選型方案中的泵性能參數(shù)僅有微小差別。典型的磁力驅(qū)動(dòng)離心泵和旋渦泵的性能曲線具有兩個(gè)共同的特點(diǎn)[12]。

離心泵的流量-揚(yáng)程曲線是一條已經(jīng)躍過拋物線凸點(diǎn)的平緩下降曲線，流量從小變大的過程中，揚(yáng)程變化比較平穩(wěn)，軸功率隨著流量變大而變大，在最小流量時(shí)，軸功率最低，故一般關(guān)閉泵出口閥門啟動(dòng)泵。

旋渦泵的流量-揚(yáng)程曲線是一條陡直的近似下降直線，軸功率隨著流量增大而減小，在關(guān)死點(diǎn)軸功率最大，故旋渦泵應(yīng)開閥啟動(dòng)，采用旁路調(diào)節(jié)流量方式。由于旋渦泵的流量特性呈直線下降特性，故選型時(shí)應(yīng)考慮工藝工況的穩(wěn)定性，即當(dāng)前工藝參數(shù)基本上不調(diào)整，否則流道變大一點(diǎn)，揚(yáng)程降低很多，導(dǎo)致無法滿足工藝需求。

2.3　選型方案設(shè)計(jì)

2.3.1單級單吸磁力泵

本項(xiàng)目單級單吸磁力泵選型設(shè)計(jì)時(shí)，泵最小連續(xù)流量按照選型時(shí)所確定泵型的最佳效率點(diǎn)流量的25%估算[13]。工藝參數(shù)所需流量小于泵最小連續(xù)流量時(shí)，按照泵的最小連續(xù)流量選泵，并考慮回流量。參考制造廠的資料，初步選擇的單級單吸磁力泵性能參數(shù)見表2。

表2　單級單吸磁力泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表2的性能參數(shù)選擇單級單吸磁力泵可以得到兩種組合，①揚(yáng)程為90～100 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約250 mm。②揚(yáng)程為110～150 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約315 mm。

結(jié)合本項(xiàng)目工藝專業(yè)設(shè)計(jì)要求分析表2可知，工藝的流量需求已經(jīng)處于泵最小連續(xù)流量附近，故泵水力效率較低。為了滿足工藝工況需求，各位號泵在平常工作時(shí)，回流管線一直處于開啟狀態(tài)，從而導(dǎo)致泵的軸功率較高。

除此之外，若待輸送的物料對溫度變化比較敏感，而且泵吸入口的儲罐等設(shè)備沒有采取必要的冷卻措施的話，還會導(dǎo)致入口管線上的物料溫度升高，從而影響有效汽蝕余量值，最終可能導(dǎo)致泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象[14]。

2.3.2多級單吸磁力泵

參考制造廠的資料，初步選擇的多級單吸磁力泵的性能參數(shù)見表3。

表3　多級單吸離心泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表3的性能參數(shù)選擇多級單吸磁力泵可以得到兩種組合，①當(dāng)揚(yáng)程為90～110 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約140 mm，總共5級葉輪組合。②當(dāng)揚(yáng)程為120～150 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約140 mm，總共6級葉輪組合。

結(jié)合本項(xiàng)目工藝專業(yè)設(shè)計(jì)要求分析表3可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)小于工藝提出的流量需求。此時(shí)，雖然所選泵型水力效率仍然較低，但已經(jīng)不用考慮物料回流要求。相較于單級單吸磁力驅(qū)動(dòng)泵方案，泵的軸功率已經(jīng)明顯降低了60%左右，配套電機(jī)功率降低了50%左右。

與單級單吸磁力泵相比較，多級單吸磁力泵葉輪直徑較小，多個(gè)葉輪組合后可達(dá)到工藝所需揚(yáng)程，并能相應(yīng)降低必需汽蝕余量值和泵的最小連續(xù)流量要求。多級單吸離心泵的可調(diào)節(jié)性好，能在較寬范圍內(nèi)滿足工藝需求。

2.3.3單級單吸磁力旋渦泵

參考制造廠的資料，初步選擇的單級單吸磁力旋渦泵性能參數(shù)見表4。

表4　單級單吸磁力旋渦泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表4中各位號泵性能的參數(shù)綜合選擇的單級單吸磁力旋渦泵揚(yáng)程為90～150 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑100～170 mm，單級葉輪。表4中，P-001的必需汽蝕余量滿足工藝要求，而且對回流有要求；P-002～P-005必需汽蝕余量不滿足要求而且對回流有要求。

結(jié)合本項(xiàng)目工藝專業(yè)設(shè)計(jì)要求分析表4可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)大于工藝的流量需求。為了滿足工藝工況需求，各位號泵在平常工作時(shí)回流管線需要一直處于開啟狀態(tài)，會導(dǎo)致泵的軸功率較高。相較于單級單吸磁力泵方案，泵的軸功率已經(jīng)明顯降低了60%，配套電機(jī)功率降低了50%左右。

但該類型泵的汽蝕余量要求較高，極可能導(dǎo)致大多數(shù)泵無法正常工作。從選型角度考慮，若汽蝕余量無法滿足工藝要求，則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免選用此類型的泵。

2.3.4多級單吸磁力旋渦泵

參考制造廠的資料，初步選擇的多級單吸磁力旋渦泵的性能參數(shù)見表5。

表5　多級單吸磁力旋渦泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表4參數(shù)選擇的多級單吸磁力旋渦泵可得到3種組合，①揚(yáng)程為150 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪名義直徑約95 mm，8級葉輪。②揚(yáng)程為90～100 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約105 mm，2級葉輪。③揚(yáng)程為110～120 m時(shí)，泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪名義直徑約105 mm，4級葉輪。

結(jié)合工藝要求分析表5可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)小于工藝的流量需求，且所選泵型水力效率較高，軸功率低，必需汽蝕余量值也低，可較好地滿足當(dāng)前運(yùn)行工況。由于旋渦泵的流量-揚(yáng)程調(diào)節(jié)特性曲線為陡降直線，即流量增加少許，會導(dǎo)致?lián)P程降低較多，故其可調(diào)節(jié)性相對較差[15]。

3　結(jié)語

對小流量、高揚(yáng)程輸送工況的泵進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮多因素并擇優(yōu)選用。一方面要考慮泵的最小連續(xù)流量、汽蝕余量和水力效率等因素，另一方面，也要多角度比較各種類型的泵型，從而判斷出何種類型泵適合當(dāng)前工藝工況要求。通過對比適用于小流量、高揚(yáng)程輸送工況4種泵型的實(shí)際選型性能參數(shù)認(rèn)為，多級單吸磁力泵或多級單吸磁力旋渦泵可較好地滿足表1中的工況需求；多級單吸磁力旋渦泵的陡降直線特性曲線適應(yīng)范圍窄，更適合在穩(wěn)定工況中運(yùn)行；多級單吸磁力泵的特性曲線平緩，可在較大波動(dòng)范圍內(nèi)滿足工藝需求。實(shí)際選用過程中，還應(yīng)結(jié)合工藝專業(yè)的需求情況進(jìn)行泵的選擇。

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