離心泵在低流量高揚(yáng)程工況中的應(yīng)用

李毅欣

(中國石化洛陽(廣州)工程有限公司，設(shè)備室機(jī)械專業(yè)，廣東 廣州 510700)

目前，用于低流量高揚(yáng)程工況的輸送設(shè)備主要有：往復(fù)泵、高速泵、旋殼泵、多級(jí)離心泵和旋渦泵[1]。而在石油化工裝置中，隨著反應(yīng)壓力的不斷升高，裝置建設(shè)大型化，離心式轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)突顯。在石化加氫單元中，注水泵是典型的低流量高揚(yáng)程工況。本文主要介紹旋殼泵、高速離心泵和多級(jí)離心泵在該工況下的應(yīng)用情況，并對(duì)其原理、特點(diǎn)和使用情況進(jìn)行了比較，可為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)選型和現(xiàn)場實(shí)際操作提供參考。

1 各種泵特點(diǎn)簡述

1.1 旋殼泵(皮托管泵)

圖1 旋殼泵的剖面結(jié)構(gòu)圖

旋殼泵由F.W Krogh在1923年申請(qǐng)了發(fā)明專利，由于集流管使用了皮托管的原理，所以旋殼泵也稱作皮托管泵[2]。第一臺(tái)旋殼泵在1962年投入生產(chǎn)使用[3]。而在1987年，旋殼泵第一次被引進(jìn)，并應(yīng)用于炭黑工藝的改造中[4]。

旋殼泵通過轉(zhuǎn)子腔與葉輪組成的轉(zhuǎn)子，使泵送介質(zhì)獲得動(dòng)能。而靜止不動(dòng)的集流管(皮托管)則把流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能輸出。旋殼泵的剖面結(jié)構(gòu)詳見圖1。由于旋殼泵葉輪與轉(zhuǎn)子腔同步旋轉(zhuǎn)，幾乎無圓盤摩擦損失[5]。旋殼泵因結(jié)構(gòu)緊湊、易損件少、機(jī)封壽命較長、性能曲線平滑而無需回流等優(yōu)勢，逐漸在煉油化工領(lǐng)域推廣和使用。

而旋殼泵缺點(diǎn)在于：對(duì)輸送介質(zhì)的清潔度要求較高；不適用于輸送含氣或密度過低易汽化的介質(zhì)；入口壓力不能超過25bar；以及在揚(yáng)程>1000m時(shí)的，集液管容易振動(dòng)[6]。在國內(nèi)某加氫裝置中曾發(fā)生皮托管因彎頭處應(yīng)力消除不足，而發(fā)生疲勞斷裂事故(圖2)。

圖2 旋殼泵皮托管斷裂圖

1.2 高速離心泵

高速離心泵使用全開式葉輪，葉片程放射型直葉片，由Barske, U.M. 在1960年發(fā)表[7]。高速泵通過極高的速轉(zhuǎn)建立高揚(yáng)程，單級(jí)揚(yáng)程高是其突出的特點(diǎn)之一，可高達(dá)1900 m，在底比轉(zhuǎn)速80以下能發(fā)揮特別高的性能，而且沒有扣環(huán)，所以不會(huì)產(chǎn)生由于口環(huán)磨損而引起性能下降的現(xiàn)象[8]，但也因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速使其難以克服噪音較大的缺點(diǎn)。

高速泵主要有臥式和立式兩種，立式的高速泵具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)。需要注意的是，在石油化工行業(yè)中入口誘導(dǎo)輪設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)避免使用。高轉(zhuǎn)速還會(huì)影響到機(jī)械密封的使用壽命。此外，高轉(zhuǎn)速還需強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)等，增加設(shè)備使用和維護(hù)的難度。在流量特別低的工況下，仍然需要回流，增加能耗的損失。

圖3 高速離心泵結(jié)構(gòu)圖

1.3 臥式多級(jí)離心泵

臥式多級(jí)離心泵技術(shù)十分成熟，運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)于介質(zhì)的要求比旋殼泵和高速泵低。相比之下的缺點(diǎn)在于：①軸系長，易損件多，需要備件量大；②在流量特別低的工況下需要打回流，以至整體效率下降；③在需要齒輪增速的情況下，其采購成本要遠(yuǎn)高于旋殼泵和高速泵。

1.4 各泵型操作范圍比較

圖4為各泵廠樣本數(shù)據(jù)綜合后，各泵型的操作范圍圖譜。從圖譜中可以看出：①在流量小于8 m3/h時(shí)，旋殼泵具有比較大的優(yōu)勢，而高速泵和多級(jí)泵則需要打回流而損失效率；②在揚(yáng)程高于1200 m時(shí)，高速泵具有比較大的優(yōu)勢，旋殼泵已經(jīng)比較難選型，而多級(jí)泵則需要考慮增速方案。

圖4 各泵型操作范圍圖譜

2 裝置概況和泵型對(duì)比

某中壓加氫裂化裝置，設(shè)置了反應(yīng)注水泵2臺(tái)，是典型的低流量高揚(yáng)程工況，裝置初建時(shí)選用的是旋殼泵。隨后裝置改擴(kuò)建時(shí)，因注水量的增加，新增了一臺(tái)高速離心泵。操作參數(shù)與另外兩臺(tái)泵一樣，并聯(lián)運(yùn)行。該裝置第二次改造時(shí)，選用臥式多級(jí)泵，多級(jí)泵的流量較旋殼泵大，替換裝置原有的兩臺(tái)旋殼泵，與高速泵并聯(lián)運(yùn)行。

2.1 各種泵型主要性能參數(shù)對(duì)比

表1比較了三種泵型的參數(shù)，以及現(xiàn)場反饋的使用情況。

表1 各泵型主要性能參數(shù)對(duì)比

表1(續(xù))

2.2 三種泵的性能曲線對(duì)比

圖5 各泵型性能曲線對(duì)比圖

①從對(duì)比圖中可見，旋殼泵在小流量區(qū)域有比較平滑，并穩(wěn)定連續(xù)上升的曲線，因此在可操作流量范圍內(nèi)，可以平穩(wěn)的運(yùn)行。

②由于高速離心泵的葉輪是針對(duì)每個(gè)額定工況特殊設(shè)計(jì)的，其可操作范圍比較窄，性能曲線比較陡，曲線在額定點(diǎn)至關(guān)死點(diǎn)容易出現(xiàn)駝峰。超過額定流量時(shí)，高速離心泵所提供的揚(yáng)程和效率會(huì)集聚下降。

③多級(jí)離心泵曲線平緩，可操作區(qū)域廣，在可操作區(qū)域內(nèi)效率較高。但是由于最小流量的限制，在極小流量區(qū)域操作需要回流，以至于效率的損失較大。

2.3 工況對(duì)比分析

2.3.1 旋殼泵與高速離心泵并聯(lián)

在第一次改造時(shí)，增設(shè)了高速離心泵，與旋殼并聯(lián)運(yùn)行。雖然額定流量點(diǎn)參數(shù)完全一致，但由于高速離心泵的曲線較陡，因此隨著流量減小，高速泵的揚(yáng)程上升較旋殼泵快，并超過旋殼泵關(guān)死點(diǎn)揚(yáng)程，導(dǎo)致旋殼泵出口憋壓，旋殼泵的流量迅速進(jìn)入最小流量區(qū)域，這也是用戶反映旋殼泵振動(dòng)過大的原因之一。

從對(duì)比圖中可以看出，出口總流量小于30 m3/h就會(huì)造成旋殼泵憋壓振動(dòng)?？梢?，①再第一次改造后，并聯(lián)操作的穩(wěn)定區(qū)域在30～40 m3/h之間，工藝所需的正常操作流量為36.3 m3/h，設(shè)備可在此區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定的運(yùn)行。②而20～30 m3/h為該并聯(lián)系統(tǒng)的不穩(wěn)定操作區(qū)域，需要通過旁路進(jìn)行調(diào)節(jié)。③當(dāng)所需流量小于20 m3/h時(shí)，可考慮關(guān)停高速離心泵，僅使用旋殼泵進(jìn)行操作。

2.3.2 多級(jí)離心泵與高速泵并聯(lián)運(yùn)行

在第二次改造時(shí)，兩臺(tái)多級(jí)離心泵替換了原來的兩臺(tái)旋殼泵，與高速離心泵并聯(lián)運(yùn)行。多級(jí)離心泵的額定流量點(diǎn)較高速泵額定流量大，其性能曲線完全在高速離心泵之外，沒有交點(diǎn)，因此在流量減少時(shí)，容易對(duì)高速離心泵造成憋壓，使高速離心泵進(jìn)入最小流量區(qū)域，造成振動(dòng)。

從對(duì)比圖中可以看出：①改造后，35～53 m3/h為新的并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作區(qū)域，工藝所需的正常操作流量為48 m3/h，設(shè)備可在此區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。②而0～35 m3/h均為該并聯(lián)系統(tǒng)的不穩(wěn)定操作區(qū)域，低于該流量時(shí)，均需要對(duì)高速離心泵和多級(jí)離心泵設(shè)置旁路，以避免離心泵進(jìn)入最小流量區(qū)域操作，而此時(shí)系統(tǒng)效率會(huì)降低。

3 總結(jié)

3.1 各離心泵的性能對(duì)比

①流量0～30 m3/h，揚(yáng)程小于1400 m時(shí)，旋殼泵具有良好的適用性。特別是流量小于流量0～8 m3/h，揚(yáng)程小于800 m時(shí)，旋殼泵的效率具有明顯優(yōu)勢，揚(yáng)程在800～1400 m的旋殼泵仍以引進(jìn)為主[6]。②流量10～70 m3/h，揚(yáng)程高于1400 m時(shí)，高速離心泵能夠提供更高的揚(yáng)程，最高可達(dá)2100 m。但在石油化工行業(yè)，揚(yáng)程高于1400 m的工況相當(dāng)罕見。③流量30～110 m3/h，揚(yáng)程小于1400 m時(shí)，多級(jí)離心泵具有更高的效率和更好的操作穩(wěn)定性，但是離心泵的一次投入費(fèi)用較高。當(dāng)揚(yáng)程高于1400 m時(shí)，多級(jí)離心泵將要考慮齒輪增速的方案，并且或許增設(shè)油站，因此會(huì)進(jìn)一步增加投資費(fèi)用、配套復(fù)雜的潤滑油系統(tǒng)，設(shè)備易損件增多，增加檢修的困難等。

3.2 各離心泵并聯(lián)操作

不同的離心泵并聯(lián)操作，都會(huì)出現(xiàn)操作不穩(wěn)定區(qū)域，揚(yáng)程較低的泵在該區(qū)域操作將會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)了解不同離心泵性能曲線的特點(diǎn)，以及工藝操作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)落在并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作區(qū)域之內(nèi)。在并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)離心泵設(shè)置最小流量返回線。雖然會(huì)造成效率的損失，但是對(duì)設(shè)備的保護(hù)是必須的。