離心泵在低流量高揚程工況中的應用

李毅欣

(中國石化洛陽(廣州)工程有限公司，設備室機械專業，廣東 廣州 510700)

目前，用于低流量高揚程工況的輸送設備主要有：往復泵、高速泵、旋殼泵、多級離心泵和旋渦泵[1]。而在石油化工裝置中，隨著反應壓力的不斷升高，裝置建設大型化，離心式轉動設備的優點突顯。在石化加氫單元中，注水泵是典型的低流量高揚程工況。本文主要介紹旋殼泵、高速離心泵和多級離心泵在該工況下的應用情況，并對其原理、特點和使用情況進行了比較，可為相關的工程設計選型和現場實際操作提供參考。

1 各種泵特點簡述

1.1 旋殼泵(皮托管泵)

圖1 旋殼泵的剖面結構圖

旋殼泵由F.W Krogh在1923年申請了發明專利，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]。第一臺旋殼泵在1962年投入生產使用[3]。而在1987年，旋殼泵第一次被引進，并應用于炭黑工藝的改造中[4]。

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

而旋殼泵缺點在于：對輸送介質的清潔度要求較高；不適用于輸送含氣或密度過低易汽化的介質；入口壓力不能超過25bar；以及在揚程>1000m時的，集液管容易振動[6]。在國內某加氫裝置中曾發生皮托管因彎頭處應力消除不足，而發生疲勞斷裂事故(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年發表[7]。高速泵通過極高的速轉建立高揚程，單級揚程高是其突出的特點之一，可高達1900 m，在底比轉速80以下能發揮特別高的性能，而且沒有扣環，所以不會產生由于口環磨損而引起性能下降的現象[8]，但也因為高轉速使其難以克服噪音較大的缺點。

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構。需要注意的是，在石油化工行業中入口誘導輪設計應當避免使用。高轉速還會影響到機械密封的使用壽命。此外，高轉速還需強制潤滑系統、冷卻系統等輔助系統等，增加設備使用和維護的難度。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 高速離心泵結構圖

1.3 臥式多級離心泵

臥式多級離心泵技術十分成熟，運行平穩，對于介質的要求比旋殼泵和高速泵低。相比之下的缺點在于：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為各泵廠樣本數據綜合后，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，旋殼泵具有比較大的優勢，而高速泵和多級泵則需要打回流而損失效率；②在揚程高于1200 m時，高速泵具有比較大的優勢，旋殼泵已經比較難選型，而多級泵則需要考慮增速方案。

圖4 各泵型操作范圍圖譜

2 裝置概況和泵型對比

某中壓加氫裂化裝置，設置了反應注水泵2臺，是典型的低流量高揚程工況，裝置初建時選用的是旋殼泵。隨后裝置改擴建時，因注水量的增加，新增了一臺高速離心泵。操作參數與另外兩臺泵一樣，并聯運行。該裝置第二次改造時，選用臥式多級泵，多級泵的流量較旋殼泵大，替換裝置原有的兩臺旋殼泵，與高速泵并聯運行。

2.1 各種泵型主要性能參數對比

表1比較了三種泵型的參數，以及現場反饋的使用情況。

表1 各泵型主要性能參數對比

表1(續)

2.2 三種泵的性能曲線對比

圖5 各泵型性能曲線對比圖

①從對比圖中可見，旋殼泵在小流量區域有比較平滑，并穩定連續上升的曲線，因此在可操作流量范圍內，可以平穩的運行。

②由于高速離心泵的葉輪是針對每個額定工況特殊設計的，其可操作范圍比較窄，性能曲線比較陡，曲線在額定點至關死點容易出現駝峰。超過額定流量時，高速離心泵所提供的揚程和效率會集聚下降。

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

2.3 工況對比分析

2.3.1 旋殼泵與高速離心泵并聯

在第一次改造時，增設了高速離心泵，與旋殼并聯運行。雖然額定流量點參數完全一致，但由于高速離心泵的曲線較陡，因此隨著流量減小，高速泵的揚程上升較旋殼泵快，并超過旋殼泵關死點揚程，導致旋殼泵出口憋壓，旋殼泵的流量迅速進入最小流量區域，這也是用戶反映旋殼泵振動過大的原因之一。

從對比圖中可以看出，出口總流量小于30 m3/h就會造成旋殼泵憋壓振動。可見，①再第一次改造后，并聯操作的穩定區域在30～40 m3/h之間，工藝所需的正常操作流量為36.3 m3/h，設備可在此區間內穩定的運行。②而20～30 m3/h為該并聯系統的不穩定操作區域，需要通過旁路進行調節。③當所需流量小于20 m3/h時，可考慮關停高速離心泵，僅使用旋殼泵進行操作。

2.3.2 多級離心泵與高速泵并聯運行

在第二次改造時，兩臺多級離心泵替換了原來的兩臺旋殼泵，與高速離心泵并聯運行。多級離心泵的額定流量點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，因此在流量減少時，容易對高速離心泵造成憋壓，使高速離心泵進入最小流量區域，造成振動。

從對比圖中可以看出：①改造后，35～53 m3/h為新的并聯系統的穩定操作區域，工藝所需的正常操作流量為48 m3/h，設備可在此區間內穩定運行。②而0～35 m3/h均為該并聯系統的不穩定操作區域，低于該流量時，均需要對高速離心泵和多級離心泵設置旁路，以避免離心泵進入最小流量區域操作，而此時系統效率會降低。

3 總結

3.1 各離心泵的性能對比

①流量0～30 m3/h，揚程小于1400 m時，旋殼泵具有良好的適用性。特別是流量小于流量0～8 m3/h，揚程小于800 m時，旋殼泵的效率具有明顯優勢，揚程在800～1400 m的旋殼泵仍以引進為主[6]。②流量10～70 m3/h，揚程高于1400 m時，高速離心泵能夠提供更高的揚程，最高可達2100 m。但在石油化工行業，揚程高于1400 m的工況相當罕見。③流量30～110 m3/h，揚程小于1400 m時，多級離心泵具有更高的效率和更好的操作穩定性，但是離心泵的一次投入費用較高。當揚程高于1400 m時，多級離心泵將要考慮齒輪增速的方案，并且或許增設油站，因此會進一步增加投資費用、配套復雜的潤滑油系統，設備易損件增多，增加檢修的困難等。

3.2 各離心泵并聯操作

不同的離心泵并聯操作，都會出現操作不穩定區域，揚程較低的泵在該區域操作將會出現振動。因此，在設計并聯系統時，應了解不同離心泵性能曲線的特點，以及工藝操作點應當落在并聯系統的穩定操作區域之內。在并聯系統設計時，應當考慮對離心泵設置最小流量返回線。雖然會造成效率的損失，但是對設備的保護是必須的。