離心泵在低流量高揚(yáng)程工況中的應(yīng)用

鄭 欣

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

離心泵依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為不同種類，如根據(jù)工作葉輪的數(shù)量可分成單級泵與多級泵，依據(jù)泵軸位置可分為立式泵與臥式泵等。注水泵是一種具有代表性的低流量高揚(yáng)程工況下的離心泵，在農(nóng)田灌溉中發(fā)揮著重要的作用。

1 離心泵的種類與特點(diǎn)

1.1 高速離心泵

高速離心泵在實(shí)際應(yīng)用中為全開式葉輪，葉輪上的葉片為直形放射型葉片。高速離心泵在極速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下形成高揚(yáng)程，具有單級揚(yáng)程相對較高的突出特點(diǎn)，最高可達(dá)1 900 m左右，當(dāng)離心泵的比轉(zhuǎn)速＜80 r/min時(shí)，能夠充分發(fā)揮出裝置的性能優(yōu)勢，同時(shí)由于沒有扣環(huán)，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中不會(huì)出現(xiàn)口環(huán)磨損導(dǎo)致整體性能衰減的問題。但是需要注意的是，高速離心泵由于轉(zhuǎn)速較高，會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。

1.2 多級離心泵

多級離心泵在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，介質(zhì)成分能夠從葉片轉(zhuǎn)軸處的進(jìn)口位置進(jìn)入，隨后依靠葉片的高速轉(zhuǎn)動(dòng)獲得足夠的離心力，在高壓作用下從泄壓口流出。多級離心泵通常將多個(gè)相同功能的泵整合到一起，依靠串聯(lián)的方法形成多級離心泵，其本質(zhì)意義在于有效提高設(shè)定壓力。多級離心泵具有十分成熟的應(yīng)用系統(tǒng)與相關(guān)技術(shù)規(guī)范，在實(shí)際應(yīng)用中能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，與其他種類泵相比,對介質(zhì)的具體要求較低。同時(shí)，多級離心泵未安裝平衡系統(tǒng)，應(yīng)用過程中不會(huì)出現(xiàn)圓盤摩擦損失以及平衡回流損失，從根本上解決了因平衡系統(tǒng)導(dǎo)致的平衡盤底座磨損以及轉(zhuǎn)子咬死等故障，其工作效率與其他泵相比可高出10%左右，有效提高了使用壽命[1]。

2 裝置概況與泵型對比

某中壓加氫裂化裝置中使用了2臺(tái)反應(yīng)注水泵，注水泵的工況為低流量高揚(yáng)程工況，在裝置建設(shè)初期使用旋殼泵。在裝置進(jìn)行整改擴(kuò)建時(shí)，由于注水量大幅增加，裝置內(nèi)部增加了1臺(tái)高速離心泵，具體參數(shù)與旋殼泵相同，泵之間使用并聯(lián)方法連接運(yùn)行。在該裝置進(jìn)行第二次擴(kuò)建改造時(shí)，由于多級離心泵與旋殼泵相比具有較大流量，因此將原有旋殼泵替換為多級離心泵，與高速離心泵之間并聯(lián)運(yùn)行。

2.1 旋殼泵概述

旋殼泵又稱為旋轉(zhuǎn)噴射泵，其工作原理及整體構(gòu)造比較獨(dú)特，常使用于小流量工況中。旋殼泵在低流量高揚(yáng)程工況中具有相對良好的工作性能，正常情況下，揚(yáng)程在數(shù)百米范圍。旋殼泵的結(jié)構(gòu)相對簡單，體積較小，后期維修養(yǎng)護(hù)工作相對簡單，投入成本較低，具有較長的使用周期。

但是，旋殼泵存在一定的局限性，在使用中需確保輸送介質(zhì)具有較高的清潔度，入口位置的壓力需保持在25 bar（2.5 MPa）以下，當(dāng)揚(yáng)程在1 000 m以上時(shí)，容易發(fā)生皮托管振動(dòng)，而且無法有效輸送密度相對較低、容易發(fā)生氣化或者含有氣體的介質(zhì)。

2.2 不同泵的性能參數(shù)對比

旋殼泵、高速離心泵以及多級離心泵的性能參數(shù)如表1所示。

表1 旋殼泵、高速離心泵以及多級離心泵性能參數(shù)

2.3 不同泵的性能曲線分析對比

旋殼泵、高速離心泵以及多級離心泵的性能曲線對比情況如下頁圖1所示。

旋殼泵在低流量區(qū)域具有相對平緩的變化趨勢，整體曲線變化呈現(xiàn)出持續(xù)上升狀態(tài)。因此，在可控低流量范圍內(nèi)，旋殼泵能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。高速離心泵的葉輪是針對額定工況進(jìn)行特殊指定的，在實(shí)際應(yīng)用中可操作性范圍相對較小，同時(shí)性能曲線變化幅度較大，在額定點(diǎn)到關(guān)死點(diǎn)之間容易發(fā)生駝峰現(xiàn)象，當(dāng)流量超出額定數(shù)值后，高速離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及揚(yáng)程會(huì)發(fā)生急劇下降。多級離心泵整體曲線相對平緩，可操作性相對較強(qiáng)，能夠在較大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有效工作，運(yùn)轉(zhuǎn)效率得到保證[2]。由于多級離心泵受到最小流量的約束，導(dǎo)致其在低流量范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需進(jìn)行回流操作，運(yùn)轉(zhuǎn)效率損失較大。

2.4 工況分析對比

在反應(yīng)注水泵進(jìn)行第一次改造建設(shè)時(shí)，額外增加了高速離心泵，且與旋殼泵之間并聯(lián)運(yùn)行，雖然額定流量保持一致，但是高速離心泵的整體曲線變化幅度相對較陡，當(dāng)流量降低時(shí)，高速離心泵的揚(yáng)程上升變化速度會(huì)比旋殼泵快，最高揚(yáng)程會(huì)超過旋殼泵的關(guān)死點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致旋殼泵發(fā)生出口憋壓問題，旋殼泵流量會(huì)快速下降至最低流量范圍，導(dǎo)致旋殼泵出現(xiàn)振動(dòng)故障，且振動(dòng)幅度相對較大。通過對圖1進(jìn)行對比分析能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出口總流量＜30 m3/h時(shí)，旋殼泵就會(huì)發(fā)生憋壓振動(dòng)現(xiàn)象。由此可見，在進(jìn)行第一次改造擴(kuò)建后，反應(yīng)注水泵系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍在30～40 m3/h之間，確保整體系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行的流量為36.3m3/h，注水泵能夠在此區(qū)間安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。該并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的相對不穩(wěn)定范圍是20～30 m3/h，需要利用旁路系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)流量＜20 m3/h時(shí)，可以對高速離心泵進(jìn)行關(guān)停操作，只依靠旋殼泵運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

在反應(yīng)注水泵進(jìn)行第二次改造建設(shè)時(shí)，原有的2臺(tái)旋殼泵被多級離心泵替代，并與高速離心泵之間并聯(lián)運(yùn)行。多級離心泵與高速離心泵相比，具有較大的額定流量，其性能參數(shù)曲線與高速離心泵參數(shù)曲線之間并不存在交叉點(diǎn)，當(dāng)流量降低時(shí)，高速離心泵容易發(fā)生憋壓故障，進(jìn)而導(dǎo)致高速離心泵快速進(jìn)入低流量范圍，出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象[3]。通過對比分析能夠得知，在第二次改造后，并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍為35～53 m3/h，確保工藝能夠正常操作的流量值為48 m3/h，注水泵系統(tǒng)在此區(qū)間能夠穩(wěn)定有效運(yùn)行。在0～35 m3/h范圍內(nèi)，該系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定操作狀態(tài)，高速離心泵與多級離心泵運(yùn)行時(shí)需要添加旁路系統(tǒng)，防止離心泵進(jìn)入最低流量范圍，并聯(lián)系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率會(huì)出現(xiàn)下降趨勢。

2.5 不同離心泵的性能對比

在流量為0～30 m3/h且揚(yáng)程＜1 400 m時(shí)，旋殼泵擁有相對良好的使用性。特別是在流量為0～8 m3/h、揚(yáng)程＜800 m時(shí)，旋殼泵的運(yùn)轉(zhuǎn)效率具有十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。而在揚(yáng)程為800～1 400 m時(shí)，旋殼泵需要以引進(jìn)方法為主。

當(dāng)流量為10～70 m3/h且揚(yáng)程＞1 400 m時(shí)，高速離心泵能夠?yàn)檎w系統(tǒng)提供更高的揚(yáng)程，最高揚(yáng)程可達(dá)到2 100 m左右。但是需要注意，在農(nóng)田灌溉中，超過1 400 m揚(yáng)程的工況十分少見。

當(dāng)流量為30～110 m3/h且揚(yáng)程＜1 400 m時(shí)，多級離心泵具有更好的操作效果，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)提供更高的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作。但是，多級離心泵的投入成本相對較高。如果揚(yáng)程＞1 400 m，需要多級離心泵增加齒輪部件提高轉(zhuǎn)速，或者利用油站的方法提高轉(zhuǎn)速，增加整體系統(tǒng)的投入成本。系統(tǒng)中的易損部件以及潤滑油系統(tǒng)等在后續(xù)維修養(yǎng)護(hù)中操作難度大，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)應(yīng)用的人工成本。

2.6 離心泵的并聯(lián)操作

不同種類與型號(hào)的離心泵進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定操作范圍，揚(yáng)程相對較低的泵在該范圍操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)故障。因此，在并聯(lián)系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)充分了解不同種類離心泵的性能參數(shù)曲線以及特點(diǎn)，確保能在并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作范圍內(nèi)進(jìn)行操作。

3 結(jié)語

旋殼泵、高速離心泵以及多級離心泵等裝置都能夠適用于低流量高揚(yáng)程工況中，本文通過對不同種類的泵在實(shí)際工況中的具體應(yīng)用情況以及性能參數(shù)變化進(jìn)行分析，探究不同流量、不同揚(yáng)程時(shí)各離心泵的具體表現(xiàn)情況，從而明確離心泵的有效操作范圍，以此幫助農(nóng)田灌溉企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)工作中有效選擇離心泵種類，提高操作質(zhì)量與生產(chǎn)效果。