大流量高揚程管線輸油泵的研制

蔡志剛 劉 毅

（鄭州電力機械廠，河南 鄭州 450004）

大流量高揚程管線輸油泵的研制

蔡志剛 劉 毅

（鄭州電力機械廠，河南 鄭州 450004）

本介紹了大流量高揚程輸油泵的應(yīng)用領(lǐng)域、模型選取、結(jié)構(gòu)特點，并從葉輪參數(shù)與結(jié)構(gòu)、泵蓋、泵殼流道、軸承及軸封，泄漏量的控制等方面因素提高輸油泵的效率和運行穩(wěn)定性。

輸油泵；雙吸葉輪；蝸殼；泄漏量

1　背景及應(yīng)用領(lǐng)域

目前，隨著我國輸油泵機組的新建和改造，未來輸油泵市場前景廣闊，尤其是功率大于1000kW以上的輸油泵，在使用和新投入使用的大多為進口產(chǎn)品，進口輸油泵也有其明顯的優(yōu)勢，技術(shù)含量高、運行穩(wěn)定、效率高等，但其價格高、供貨周期長、后期維護成本高，產(chǎn)品的技術(shù)、安裝維修及售后服務(wù)等受制于人。相比于進口產(chǎn)品，國產(chǎn)泵與進口泵還有不小的差距，輸油泵機組普遍存在運行參數(shù)變化大，運行效率低、機械密封泄露量大等問題［1］，增加了運行成本，給運行帶來極大的不便。

為打破國外輸油泵在大流量機組上的壟斷局面，加快輸油管線上高端裝備的國產(chǎn)化進程，企業(yè)開展了大流量高揚程管線輸油泵的研究與開發(fā)。企業(yè)研制的ZDM（D）軸向剖分型多級離心輸油泵，可用于原油輸送、成品油輸送、油田注水、煉油廠、鍋爐給水、礦井排水等領(lǐng)域。

2　模型的選取與設(shè)計

ZDM（D）管道輸油泵參數(shù)滿足國家《“十二五”重大技術(shù)裝備研制和重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項規(guī)劃》中規(guī)定的參數(shù)。流量為2200m3/h，揚程為1000m，轉(zhuǎn)速2985rpm，目前來說基本上是國內(nèi)最大的輸油泵。泵的比轉(zhuǎn)速與泵流量、揚程、轉(zhuǎn)速相關(guān)的一個有因次數(shù)，是表征泵運轉(zhuǎn)性能和葉輪幾何特征的綜合性能參數(shù)，是泵相似換算的依據(jù)。根據(jù)比轉(zhuǎn)速的不同可把泵分為離心泵、混流泵和軸流泵，離心泵是液體經(jīng)過葉片的作用，其出流方向與軸向垂直，輸油泵的葉輪結(jié)構(gòu)形式屬于離心泵范疇，比轉(zhuǎn)速小于300，離心泵又可分為低比轉(zhuǎn)速（10＜ns＜80）離心泵，中比轉(zhuǎn)速（80＜ns＜150）離心泵和高比轉(zhuǎn)速（150＜ns＜300）離心泵。研制的ZDM（D）管道輸油泵屬于中比轉(zhuǎn)速的離心泵。

水力模型的好壞直接決定了輸油泵的水力效率，多級離心泵的效率由水力效率、機械效率、容積效率組成，所以模型的好壞直接影響泵的運行效率。目前多級離心泵水力設(shè)計基本上仍采用速度系數(shù)法和相似換算法［2］，為了經(jīng)濟和性能有把握，企業(yè)采用相似模型法進行泵的水力模型設(shè)計，采用相似模型法應(yīng)遵循的準則：①模型泵的比轉(zhuǎn)速必須與所設(shè)計泵的比轉(zhuǎn)速相等或接近；②模型泵的效率要高、高效區(qū)要寬；③模型泵的抗汽蝕性能要好，汽蝕比轉(zhuǎn)速要符合規(guī)定要求；④模型泵的性能曲線沒有駝峰；⑤設(shè)計泵與模型泵的雷諾數(shù)之比在1～15之間。該大流量輸油泵的水力部件包括雙吸的首級葉輪、次級葉輪、泵蓋和泵體組成的蝸殼等，葉輪采用精密鑄造工藝，一方面保證圖紙到零件的嚴格轉(zhuǎn)化，另一方面又降低鑄件表面的粗糙度，降低泵中摩擦損失。

3　結(jié)構(gòu)特點及性能保證

ZDM（D）管道輸油泵為水平中分的多級離心泵，結(jié)構(gòu)形式符合API610標準BB3，吸入口及吐出口均在泵軸心線下方，檢修時只需打開泵蓋抬出轉(zhuǎn)子即可進行維修，整體轉(zhuǎn)子也可作為備件快速更換，無需移動管路及電機。

3.1葉輪形式及結(jié)構(gòu)

ZDM（D）管道輸油泵首級采用雙吸葉輪，能夠提高泵的抗汽蝕性能；由于設(shè)計的輸油泵流量比較大，解決泵的汽蝕是設(shè)計過程中很關(guān)鍵的問題之一，為提高泵的抗汽蝕性能，首級葉輪采用雙吸形式，這樣進入葉輪的流量被一分為二，在相同過流面積的情況下，流速減少了一半，泵的汽蝕余量與進口流速的平方成正比，這樣泵的汽蝕余量大大減少，降低了對裝置的較高要求，實現(xiàn)泵的經(jīng)濟性要求。同時增加葉輪的進口直徑，增加葉輪進口面積，相同流量下減少了葉輪進口流速，也能提高泵的抗汽蝕性能。其他三級葉輪為單吸形式，采用背靠背的安裝方式，大部分軸向力由葉輪自平衡，降低了平衡裝置的負荷。

3.2泵體、泵蓋蝸殼

ZDM（D）管道輸油泵的泵體和泵蓋組合成泵的壓水室，流道采用雙渦殼結(jié)構(gòu)，即由兩個單蝸室對稱布置組成，該結(jié)構(gòu)使得徑向力在任何工況下都保持平衡，消除或減少作用轉(zhuǎn)子上的交變應(yīng)力，延長泵的運轉(zhuǎn)壽命。泵的吸水室為半螺旋形，配合雙吸葉輪，能有效提高泵的抗汽蝕性能，泵的進水流道增加了分流板，以改善進口流動條件，使泵適應(yīng)不同工況下泵的性能要求。

3.3軸承及潤滑

由于環(huán)境無水源、泵站位置偏僻等因素，軸承需設(shè)計成大功率帶自潤滑系統(tǒng)，運行場地沒有冷卻水源，軸承自身的溫度上升及潤滑油的熱量都需靠軸承體自身散熱。根據(jù)載荷情況ZDM（D）管道輸油泵徑向軸承采用四油楔滑動軸承，軸瓦內(nèi)徑和軸的間隙經(jīng)過精確計算，提高軸承變工況運行下的穩(wěn)定度，甩油環(huán)潤滑為輔助潤滑，以便起動或停車時保證軸瓦的潤滑量，殘余軸向力由滾動推力軸承承受。系統(tǒng)配備軸承溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測統(tǒng)一接至接線盒。通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控泵機組運行，對現(xiàn)場運行的泵進行監(jiān)視和控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。

3.4軸端密封

ZDM（D）管道輸油泵軸端密封采用集裝式機械密封，此型機械密封由生產(chǎn)廠家預(yù)先組裝完好，泵組時把機械密封整體裝入后松開限位片即可。機械密封中的彈簧保證動、靜環(huán)的良好接觸和預(yù)緊，即使有小量磨損也能自動補償，適合較大軸徑、高速運行場合。機械密封上裝有漏點監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)泄漏的遠程監(jiān)測功能。

4　設(shè)計中充分考慮提高泵性能的因素

泵中流動的復(fù)雜性，很難量化某個參數(shù)對泵性能的具體影響，影響泵性能的因素很多，并且各因素之間互相制約，有時，改變幾何參數(shù)，改善了性能中某一指標，而同時使另一性能指標下降，因此設(shè)計中應(yīng)充分考慮多因素的相互影響，下面從葉輪幾何參數(shù)、葉輪與出水室的匹配、泵中的間隙等因素，改善泵的性能。

4.1葉輪采用先進水力設(shè)計軟件，改善內(nèi)部流場的流動

圖1　葉輪過流面積的檢查

ZDM（D）管道輸油泵的葉輪設(shè)計過程中通過改變?nèi)~輪前蓋板的角度、前、后蓋板的圓弧大小，檢查葉輪流道內(nèi)的過流面積的變化，如圖1，使過流面積從葉輪進口均勻變化到出口，減少流動中的損失，提高泵的效率。

輸油泵設(shè)計時，為提高泵的抗汽蝕性能，首級葉輪設(shè)計成雙吸葉輪，同時在設(shè)計葉輪葉片時，葉片進口采用正沖角，增加葉片的進口角，減少葉片的彎曲，從而增加葉片進口過流面積，減少葉片的排擠，進而減少葉片進口的速度；在設(shè)計流量下采用正沖角，液體在葉片進口背面產(chǎn)生脫流，因為背面是葉道的低壓側(cè)，在這里形成的旋渦不易向高壓側(cè)擴散，所有旋渦是穩(wěn)定的、局部的，對汽蝕的影響較小。反之，采用負沖角時，液體在葉片進口的工作面產(chǎn)生脫流，該處是葉道的高壓側(cè)，旋渦易于向低壓側(cè)擴散，因而旋渦是不穩(wěn)定的，對汽蝕的影響較大。葉片向吸入口前伸并減薄，使液體提早受到葉片作用，可以減少葉輪外徑，從而減少圓盤摩擦損失；增加葉片的重疊程度，增加葉片對流體的作用長度，減少相對速度擴散；減少葉片進口的相對速度，從而減少進口撞擊損失，這些對提高汽蝕性能和減少特性曲線的駝峰是有利的。增加葉輪出口寬度，減少葉輪出口絕對速度，從而減少壓水室中的水力損失，對提高泵的效率是有益的。

4.2泵中泄漏量的控制，提高泵的效率

輸油泵中泄漏主要存在于葉輪口環(huán)與密封環(huán)處、級與級之間及平衡盤處。泵中的泄漏，是不可避免的，液體總會從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動，泵中的液體通過葉輪做功，葉輪出口壓力高壓進口壓力，高壓液體通過葉輪蓋板和蝸殼之間的空腔經(jīng)密封環(huán)處向葉輪進口回流，下一級葉輪與上一級葉輪之間也會有泄漏，泵中的泄漏如圖2所示：液體自第一級雙吸葉輪后流出，經(jīng)過內(nèi)流道進入第二級葉輪，然后經(jīng)過外流道進入布置在軸的另一端的第三級葉輪，再經(jīng)過內(nèi)流道進入第4級葉輪。在每一級葉輪的密封環(huán)處，均有泄漏量q1，這臺泵中，沒有不流經(jīng)葉輪的泄漏量q2，在第3、第2級葉輪間和第2、第1級葉輪間，有流經(jīng)一級葉輪的級間泄漏量q3；而在第3和第4級葉輪之間，則有級間泄漏量q4，這些都增加了泵的容積損失，造成泵效率的下降。

圖2　蝸殼多級泵的泄漏

為提高泵的運行效率，設(shè)計時減少葉輪口環(huán)與密封環(huán)的間隙，直徑間隙設(shè)計為0.4mm，密封環(huán)上開設(shè)環(huán)形節(jié)流槽，增加有限空間內(nèi)的節(jié)流長度。泄漏量的減少，泵的容積損失降低，提高泵的效率。當然，運行間隙的減小為泵的可靠運行帶來了不少風(fēng)險，由于泵間隙的減少，運行中轉(zhuǎn)子部件和靜止部件碰磨的概率上升，為保證泄漏量盡量少的情況下，又能保障泵的安全運行，為此研制出來高速泵動、靜摩擦副抗咬合材料，即使轉(zhuǎn)動件和靜止件間有碰磨，兩種材料也不會咬合在一起，提高泵運行的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計中，有些因素是互相制約的，需要綜合考慮，并有相應(yīng)的解決措施，才能保障產(chǎn)品的優(yōu)良性。

4.3葉輪與蝸殼的匹配，改善泵內(nèi)部的流動

泵的特性是葉輪和壓水室共同決定的，單方面研究葉輪和壓水室不可能定量地確定泵的特性，葉輪和蝸殼的最佳匹配問題是研究泵特性的重點，良好的葉輪和蝸殼的匹配，可以減少泵內(nèi)損失，降低振動，改變泵的性能曲線等，根據(jù)API610《石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵》標準［3］，多級泵的單級揚程超過200m或單級功率超過225KW的泵可能需要特殊措施來減小葉輪葉片通過頻率振動或小流量時的低頻振動。為降低上述的影響，ZDM（D）管道輸油泵設(shè)計時葉輪出口與蝸殼進口間的半徑間隙選為葉輪最大直徑的4%，減少兩者之間過渡時流體對葉片的沖擊。另一方面，增加壓水室喉部面積與葉輪出口面積比，使流動不受阻塞，常常有助于改善泵的性能，設(shè)計時，面積比在設(shè)計手冊相應(yīng)的經(jīng)驗系數(shù)的基礎(chǔ)上進行了修正，修正系數(shù)為1.1～1.12。

4.4變頻調(diào)試運行和閥門應(yīng)用

由于泵運行中上下游流量的波動比較大，直接影響泵的運行工況是否在高效區(qū)內(nèi)運行，大大影響泵組的運行效率，所以ZDM（D）管道輸油泵根據(jù)使用場合可選擇采用變頻電機來改變泵的轉(zhuǎn)速，這是降低運行成本的比較有效的方式，當然前期投資成本會有所增加。如果運行中流量波動時間較短，也可采用關(guān)小節(jié)流閥，使泵的流量降低、出口壓力增高，調(diào)節(jié)到所需的流量點。輸油泵的軸功率P和揚程H成正比。因此，在泵組管路中，應(yīng)降低使用閥門的可能性，取消不必要的閥門；用作截斷的閥門，在運行中應(yīng)處于全開狀態(tài)，以減少節(jié)流。尤其是變速泵，在國內(nèi)變速調(diào)節(jié)流量的系統(tǒng)中，往往還設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，并保持0.5～1.5Mpa的壓差，這個節(jié)流差壓將大大降低變速調(diào)節(jié)帶來的節(jié)能效果。因此，在變速調(diào)節(jié)的管路中，在動態(tài)適應(yīng)能力足夠的情況下，盡可能不設(shè)流量調(diào)節(jié)閥。對已設(shè)有調(diào)節(jié)閥的，應(yīng)盡力讓其全開，以提高節(jié)能效果。

5　結(jié)論

我國石化行業(yè)的發(fā)展過程中會需要很多高端裝備，而這些裝備必然會經(jīng)過從依賴進口到逐步國產(chǎn)化的過程，不斷發(fā)展中國的高端裝備制造業(yè)。企業(yè)研制的ZDM（D）管道輸油泵采用中開式多級離心泵，總體結(jié)構(gòu)合理，使用于長輸管道輸油泵的單獨或并聯(lián)使用。設(shè)計中充分考慮影響泵效率的諸多因素，提高泵的效率，實現(xiàn)產(chǎn)品的節(jié)能效果。

［1］劉國豪，等.國產(chǎn)輸油泵現(xiàn)場試應(yīng)用性能測試與分析投產(chǎn)與運行［J］.2014，33（7）：45-48.

［2］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊［M］.北京：宇航出版社，1998.

［3］ANSI/API610.石油、重化學(xué)和天然氣工業(yè)用離心泵［S］.

Research and Development of Large-flow and High-lift PipelineOil Pump

Cai Zhigang Liu Yi
（Zhengzhou Electric Power Machinery Factory，Zhengzhou Henan 450004）

This paper introduces the application fields，model selection，and structure characteristics of large-flow and high-lift oil pump，and improves the oil pump efficiency and the operation stability，from the impeller parameters and structure，pump cover，pump volute，bearing and shaft seal，leakage control and other factors.

oil pump；double suction impeller；volute；leakage；

TH38

A

1003-5168（2015）12-0045-3

2015-11-8

蔡志剛（1965.12-），碩士，高級工程師，研究方向：泵類技術(shù)研發(fā)；劉毅（1987.4-），助理工程師，研究方向：泵類產(chǎn)品研發(fā)。