長輸管線輸油泵設計選型

任玉娜

（山東萊克工程設計有限公司，山東東營 257000）

0 引言

管道輸油是目前石油遠距離輸送的重要方式，具有密閉性好、成本低和安全系數高等特點。長輸油管道系統主要由輸油泵站、輸油管道及其他輔助相關設備組成，具有距離長、管徑大、輸量大等特點。輸油泵是長輸管道的核心設備，合理設計選型具有重要意義，本文以某具體工程項目的主輸油泵為例進行選型分析。

1 工藝參數

本工程管道輸送原油主要來自海外進口原油，油品種類與物性不確定性較大，輸油泵需要具有較強的適應性；暫按重質、中質、輕質三種類型油品考慮，工藝參數和油品物性分別見表1和表2。

2 泵型選擇

長輸管道輸油泵主要有離心泵和雙螺桿泵，兩種泵型優缺點對比見表3。

本工程輸油泵屬于中等流量、高壓（10 MPa）輸油泵，已經超出了雙螺桿泵的正常工作壓力范圍，并且正常輸送溫度下油品黏度偏低，雙螺桿泵的漏失量較大會導致泵效率偏低，因此不推薦選用雙螺桿泵。離心泵能夠滿足所需的操作要求，同時正常輸送溫度下的油品黏度在100 mPa·s 以下，滿足GB 50253—2014[1]中規定的“當輸送溫度下油品的動力黏度在100 mPa·s 以下時，宜選用離心泵”的規定。因此，本工程的輸油泵推薦選用離心泵。

3 配置方式的選擇

長輸管線輸油系統，管路特性曲線與泵特性曲線的交點才是輸油泵的實際工況點，所以，管道特性與泵特性合理匹配非常關鍵。這就需要在設計過程中不僅要掌握管路的特性曲線，還要知道泵的特性曲線，這樣才能確定輸油泵運行的實際工況點。單臺輸油泵不能滿足工藝要求時，常常需要將幾臺泵組合使用。長輸管道輸油泵組的配置方式主要有并聯和串聯兩種。

3.1 串聯

串聯泵的泵流量相同，泵站揚程等于各串聯泵的揚程總和。串聯泵的特點是單泵流量大、揚程低、流通面積大，故泵損失小，效率高且高效區寬[2]。串聯輸油泵機組除了具有檢修方便、效率高特點外，還有流程簡單、便于調節等優點。

泵串聯運行后，管路壓力增大，阻力損失也隨之增大，致使串聯后的總揚程小于每臺泵單獨工作時的揚程之和。管路的阻力越大，管路的特性曲線就越陡，串聯后的總揚程與每臺泵獨立運行時的揚程之和相差就越小，為提高揚程采取串聯的措施就越好。反之，管路的特性曲線越平坦，通過串聯來提高揚程的效果就越差。

長輸管線主要以克服沿程阻力損失為主，離心泵串聯運行后，其特性曲線變陡，提高揚程損失的流量少。常規輸油管線為了提高經濟性，一般會選用大排量、中低揚程、高效率的離心泵串聯。串聯泵還具有便于維護，易自動化控制的優點。

表1 工藝參數

表2 原油物性

表3 離心泵和雙螺桿泵優缺點對比

3.2 并聯

泵站的流量等于并聯運行輸油泵的流量之和，揚程等于每臺泵的揚程。并聯運行離心泵的特點通常是小排量、高揚程、葉輪出口偏窄，因此水力損失大，效率偏低。

泵并聯運行后，管路流量增大，阻力損失也隨之增大，要保持能量平衡，必須提高揚程，泵的運行工況點左移，致使單泵流量減少。

長輸管線輸油泵并聯運行后必須提高揚程，而泵的特性曲線變得平坦，提高泵揚程需要損失大量流量。泵和管路特性曲線出現矛盾，因此不建議采用并聯運行。但是對于短距離翻越大山等有高程差的地形，宜采用并聯運行。因為此種情況，輸油泵揚程主要是用于克服高程差，而高程差并不隨著流量的變化而變化，需要平坦的管路特性曲線，因此并聯更合適。

3.3 方案比選

無論串聯還是并聯，都需滿足工藝要求、泵效高、與管路特性匹配好，臺數控制在2～5 臺。

理論上采用并聯還是串聯，要根據裝置特性曲線的形狀決定。當阻力曲線很陡時，建議選串聯，否則建議選并聯。但長輸管線輸油泵設計選型是一個非常復雜的工程，設計選型時管路特性是未知的，需要進行模擬計算。除此之外首先應確保滿足工藝條件要求，還應投資少，運行費用低，運行周期長，操作維修方便，占地面積小等。

本工程的設計參數，具有流量不大、揚程偏高的特點。對于并聯方案，如果泵的臺數超過2 臺，輸油泵處于相對小流量、高揚程的狀態，泵效會偏低而且級數過多；對于串聯方案，如果泵臺數低于3 臺會導致單臺泵的功率過大，因此提出并聯3+1、串聯3+1 和串聯4+1 三種方案進行比選。三種方案泵的選型設計參數匯總見表4。

根據以上選型參數向泵廠發出詢價，以泵廠返回的方案為參考，三種方案泵的選型結果及估算報價見表5。

（1）輸油泵參數按最大黏度88 mPa·s 考慮。

（2）經濟比選。從泵的運行效率看，方案3 的效率最高，能耗和運行成本最低，并且初始投資成本也是最低，因此，方案3 的經濟型最好。

（3）操作靈活性比較，方案3 泵的臺數最多，調節靈活性大，適用范圍寬。

表5 三種方案泵的選型方案匯總

（4）維護及維修比較，方案1 和方案2 雖然泵的臺數最少，但是由于需要配置潤滑油站，后期的維護工作量可能更大。

（5）應用業績及供貨情況比較。通過咨詢和了解，目前國內輸油管道中所用的輸油泵功率大部分都在2500 kW 以內，對于方案1 和方案2 中同等功率等級的輸油泵在國內的應用業績較少，且多為進口設備。

綜合以上分析，采用方案3 具備更多的優勢，因此初步推薦采用方案3，即“4+1 串聯方案”。

4 調節方式選擇

長輸管線通常設計輸量遠大于啟輸量，因為輸量需要綜合考慮煉廠能力和市場需求。離心泵常需要進行流量調節，常用的調節方式有節流調節、變轉速調節和更換葉輪調節。

（1）節流調節。通過調節離心泵出口閥門的開度來調節流量，其實質是改變管路特性曲線實現改變泵的工況點。節流調節操作方便、簡單靈活；但閥門關小時，管路中阻力增大，能量損失增大，泵的工況點左移效率可能會降低。如果流量降低太多還會引起振動等問題。一般情況下調節幅度不大于單泵揚程的10%～25%、流量調節控制在優先工作區內。

（2）變轉速調節。通過采用變頻電機+變頻器或機械調速裝置來實現對泵轉速的調節，改變泵的特性曲線，從而實現一個揚程，在不同轉速的特性曲線上對應不同流量有相應的工作點，達到恒壓供油的目的。優點是調節范圍寬、節能效果好、操作方便。缺點是需要增加變頻設備或機械調速裝置，投資增加，系統復雜。適用于調節范圍寬，經常需要調節的場合。

（3）更換葉輪調節。根據離心泵流量、揚程與葉輪直徑的關系，Q1/Q2=D1/D2，H1/H2=（D1/D2）2，由上述公式可知，減小離心泵葉輪直徑后，流量和揚程同時降低，且揚程降低幅度大于流量降低幅度，在確保流量，滿足輸送要求的前提下，可以采用更換葉輪+節流的方式。從而實現流量的調節并保持泵始終在高效區運行，但改造工作量大，需要重新做轉子動平衡實驗，成本高，而且葉輪直徑變化量不宜太大，否則泵效率和揚程下降太多，揚程容易達不到設計要求，且調節范圍不連續。適用于長周期穩定流量階梯變化的場合。

（4）回流調節。回流就是通過回流管路將泵出口一部分介質回到泵入口，這種情況下泵的排量大于管路中的流量。回流調節耗費較多的能量，長時間運行會消耗大量電能。

綜上分析，對于流量經常變化的工況，建議設置變轉速調節，以確保輸油泵始終在高效區內運行、節約電能，降低輸油成本。

5 結語

長輸管線輸油泵設計選型，需要依據很多的實踐經驗，涉及泵、密封及輔助系統、調速系統、潤滑系統、冷卻系統、材料、電機、儀表、工藝流程等多方面知識。有時需要設計單位、泵制造廠和業主在一起討論磋商，確定泵的最終選型方案。