， (.浙江省天正設(shè)計工程有限公司， 浙江 杭州　300； .中國天辰工程有限公司， 天津　300000)

在氟化工和材料行業(yè)的泵選型設(shè)計中，易燃、易爆、高度危害介質(zhì)的小流量、高揚程輸送工況較為常見。由于輸送的物料大多數(shù)涉及到易燃、易爆、高度危害介質(zhì)等，設(shè)計中選泵時應(yīng)首先考慮選用無泄漏輸送泵，既可避免雙端面機械密封的復(fù)雜沖洗方案要求[1]，又可減少運行過程中的維護和維修工作量。此外，還應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝對輸送物料的壓力穩(wěn)定和流量連續(xù)計量需求[2]。

文中以小流量、高揚程工況下無水氟化氫、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯和苯乙烯等有毒有害介質(zhì)的輸送為例，介紹并比較了單級單吸磁力泵、多級單吸磁力泵、單級單吸磁力旋渦泵、多級單吸磁力旋渦泵等4種選型方案，可為類似泵的選型設(shè)計提供借鑒。

1　磁力驅(qū)動泵選型基礎(chǔ)

1.1　工藝設(shè)計條件

某工業(yè)項目工藝專業(yè)提供的無水氟化氫、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯、苯乙烯等工藝原料的物性參數(shù)和輸送泵的設(shè)備位號、汽蝕余量、體積流量、揚程和設(shè)備類型等條件見表1。

表1　泵選型工藝參數(shù)和條件

有關(guān)本項目輸送介質(zhì)的其他物料特性說明，可參見各物料的化學(xué)品安全技術(shù)說明書MSDS[3]。物料的分類劃分是基于HG 20660—2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類》[4]和GB Z230—2010 《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》[5]綜合確定的。

1.2　泵選型設(shè)計原則

泵的選型設(shè)計需滿足工藝要求，主要包括流量、揚程、溫升限制、汽蝕余量等[6]。表1中，5種輸送介質(zhì)均為危險化學(xué)品。無水氟化氫具有極強的腐蝕性，具有高度危害；四氯化碳有毒，具有中毒危害；氯乙烯、丁二烯和苯乙烯均有易燃危險性。同時，5種輸送工況都具有小流量、高揚程特點，體積流量為1.3～4.0 m3/h，揚程為90～150 m。因此，選擇泵時首先必須滿足軸封可靠要求或采用無泄漏泵[7]，其次也應(yīng)考慮泵的最小穩(wěn)定運行流量要求，盡量避免輸送物料的回流要求[8]。

通常情況下，相對于普通化工離心泵的復(fù)雜機械密封方案(比如雙端面機械密封，沖洗方案PLAN53a等)，磁力驅(qū)動泵在使用安全性和防止有毒物料泄漏等方面是非常有利的[9]。磁力驅(qū)動泵的磁力耦合器主要包括內(nèi)磁缸、外磁缸及隔離套等。其中位于內(nèi)、外磁缸間的隔離套將物料與大氣側(cè)完全隔離開，介質(zhì)封閉在隔離套內(nèi)。與傳統(tǒng)的采用雙端面機械密封進行密封的離心泵相比，降低了物料泄漏到環(huán)境中的可能性，同時也減少了機械密封的定期維護工作。

對本次選型設(shè)計所涉及的小流量、高揚程輸送工況(表1)，可選用容積式泵來滿足輸送要求[10]。但根據(jù)以往工藝系統(tǒng)要求輸送管路中流體無脈動(主要為方便后續(xù)管路上安裝的流量計的準(zhǔn)確計量)的經(jīng)驗，優(yōu)先選用輸送流體平穩(wěn)無脈動的磁力驅(qū)動離心泵或旋渦泵方案。

2　磁力驅(qū)動泵選型方案設(shè)計

2.1　工況分析

分析表1可知，當(dāng)前工藝要求的工況流量已經(jīng)超出了單級單吸磁力驅(qū)動離心泵或旋渦泵葉輪的最佳效率點所對應(yīng)流量的70%～120%(可接受振動區(qū))，且小于泵穩(wěn)定運行的最小連續(xù)流量要求[11]。因此，在選用單級單吸磁力驅(qū)動離心泵或旋渦泵時應(yīng)考慮在工藝管路上設(shè)置回流管路，且回流管路閥門需要一直處于開啟狀態(tài)。若選用多級單吸磁力驅(qū)動離心泵或旋渦泵，工藝參數(shù)中所需流量基本上大于泵在穩(wěn)定運行時的最小連續(xù)流量，則可不用考慮回流量。

2.2　泵性能曲線分析

文中各磁力驅(qū)動泵選型設(shè)計參考了制造廠的樣本及廠家典型選型方案等資料。研究廠家資料可知，由于每種類型的泵特性基本一樣，制造廠樣本或選型方案中的泵性能參數(shù)僅有微小差別。典型的磁力驅(qū)動離心泵和旋渦泵的性能曲線具有兩個共同的特點[12]。

離心泵的流量-揚程曲線是一條已經(jīng)躍過拋物線凸點的平緩下降曲線，流量從小變大的過程中，揚程變化比較平穩(wěn)，軸功率隨著流量變大而變大，在最小流量時，軸功率最低，故一般關(guān)閉泵出口閥門啟動泵。

旋渦泵的流量-揚程曲線是一條陡直的近似下降直線，軸功率隨著流量增大而減小，在關(guān)死點軸功率最大，故旋渦泵應(yīng)開閥啟動，采用旁路調(diào)節(jié)流量方式。由于旋渦泵的流量特性呈直線下降特性，故選型時應(yīng)考慮工藝工況的穩(wěn)定性，即當(dāng)前工藝參數(shù)基本上不調(diào)整，否則流道變大一點，揚程降低很多，導(dǎo)致無法滿足工藝需求。

2.3　選型方案設(shè)計

2.3.1單級單吸磁力泵

本項目單級單吸磁力泵選型設(shè)計時，泵最小連續(xù)流量按照選型時所確定泵型的最佳效率點流量的25%估算[13]。工藝參數(shù)所需流量小于泵最小連續(xù)流量時，按照泵的最小連續(xù)流量選泵，并考慮回流量。參考制造廠的資料，初步選擇的單級單吸磁力泵性能參數(shù)見表2。

表2　單級單吸磁力泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表2的性能參數(shù)選擇單級單吸磁力泵可以得到兩種組合，①揚程為90～100 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約250 mm。②揚程為110～150 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約315 mm。

結(jié)合本項目工藝專業(yè)設(shè)計要求分析表2可知，工藝的流量需求已經(jīng)處于泵最小連續(xù)流量附近，故泵水力效率較低。為了滿足工藝工況需求，各位號泵在平常工作時，回流管線一直處于開啟狀態(tài)，從而導(dǎo)致泵的軸功率較高。

除此之外，若待輸送的物料對溫度變化比較敏感，而且泵吸入口的儲罐等設(shè)備沒有采取必要的冷卻措施的話，還會導(dǎo)致入口管線上的物料溫度升高，從而影響有效汽蝕余量值，最終可能導(dǎo)致泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象[14]。

2.3.2多級單吸磁力泵

參考制造廠的資料，初步選擇的多級單吸磁力泵的性能參數(shù)見表3。

表3　多級單吸離心泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表3的性能參數(shù)選擇多級單吸磁力泵可以得到兩種組合，①當(dāng)揚程為90～110 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約140 mm，總共5級葉輪組合。②當(dāng)揚程為120～150 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約140 mm，總共6級葉輪組合。

結(jié)合本項目工藝專業(yè)設(shè)計要求分析表3可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)小于工藝提出的流量需求。此時，雖然所選泵型水力效率仍然較低，但已經(jīng)不用考慮物料回流要求。相較于單級單吸磁力驅(qū)動泵方案，泵的軸功率已經(jīng)明顯降低了60%左右，配套電機功率降低了50%左右。

與單級單吸磁力泵相比較，多級單吸磁力泵葉輪直徑較小，多個葉輪組合后可達到工藝所需揚程，并能相應(yīng)降低必需汽蝕余量值和泵的最小連續(xù)流量要求。多級單吸離心泵的可調(diào)節(jié)性好，能在較寬范圍內(nèi)滿足工藝需求。

2.3.3單級單吸磁力旋渦泵

參考制造廠的資料，初步選擇的單級單吸磁力旋渦泵性能參數(shù)見表4。

表4　單級單吸磁力旋渦泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表4中各位號泵性能的參數(shù)綜合選擇的單級單吸磁力旋渦泵揚程為90～150 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑100～170 mm，單級葉輪。表4中，P-001的必需汽蝕余量滿足工藝要求，而且對回流有要求；P-002～P-005必需汽蝕余量不滿足要求而且對回流有要求。

結(jié)合本項目工藝專業(yè)設(shè)計要求分析表4可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)大于工藝的流量需求。為了滿足工藝工況需求，各位號泵在平常工作時回流管線需要一直處于開啟狀態(tài)，會導(dǎo)致泵的軸功率較高。相較于單級單吸磁力泵方案，泵的軸功率已經(jīng)明顯降低了60%，配套電機功率降低了50%左右。

但該類型泵的汽蝕余量要求較高，極可能導(dǎo)致大多數(shù)泵無法正常工作。從選型角度考慮，若汽蝕余量無法滿足工藝要求，則設(shè)計時應(yīng)避免選用此類型的泵。

2.3.4多級單吸磁力旋渦泵

參考制造廠的資料，初步選擇的多級單吸磁力旋渦泵的性能參數(shù)見表5。

表5　多級單吸磁力旋渦泵方案性能參數(shù)

依據(jù)表4參數(shù)選擇的多級單吸磁力旋渦泵可得到3種組合，①揚程為150 m時，泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪名義直徑約95 mm，8級葉輪。②揚程為90～100 m時，泵轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，葉輪名義直徑約105 mm，2級葉輪。③揚程為110～120 m時，泵轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉輪名義直徑約105 mm，4級葉輪。

結(jié)合工藝要求分析表5可知，所選泵型的最小連續(xù)流量已經(jīng)小于工藝的流量需求，且所選泵型水力效率較高，軸功率低，必需汽蝕余量值也低，可較好地滿足當(dāng)前運行工況。由于旋渦泵的流量-揚程調(diào)節(jié)特性曲線為陡降直線，即流量增加少許，會導(dǎo)致?lián)P程降低較多，故其可調(diào)節(jié)性相對較差[15]。

3　結(jié)語

對小流量、高揚程輸送工況的泵進行選型設(shè)計時需要綜合考慮多因素并擇優(yōu)選用。一方面要考慮泵的最小連續(xù)流量、汽蝕余量和水力效率等因素，另一方面，也要多角度比較各種類型的泵型，從而判斷出何種類型泵適合當(dāng)前工藝工況要求。通過對比適用于小流量、高揚程輸送工況4種泵型的實際選型性能參數(shù)認(rèn)為，多級單吸磁力泵或多級單吸磁力旋渦泵可較好地滿足表1中的工況需求；多級單吸磁力旋渦泵的陡降直線特性曲線適應(yīng)范圍窄，更適合在穩(wěn)定工況中運行；多級單吸磁力泵的特性曲線平緩，可在較大波動范圍內(nèi)滿足工藝需求。實際選用過程中，還應(yīng)結(jié)合工藝專業(yè)的需求情況進行泵的選擇。

參考文獻：

[1]石油化工離心泵和轉(zhuǎn)子泵用軸封系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)定：SH/T 3156—2009 [S].

Engineering specification of pumps-shaft sealing systems of centrifugal and rotary pumps for petrochemical industry： SH/T 3156—2009[S].

[2]用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流量：GB/T 2624—2006[S].

Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full： GB/T 2624—2006 [S].

[3]化學(xué)品安全技術(shù)說明書 內(nèi)容和項目順序：GB/T 16483—2008[S].

Safety data sheet for chemical products—Content and order of sections ：GB/T 16483—2008 [S].

[4]壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類標(biāo)準(zhǔn)：HG 20660—2000[S].

Classification standards for toxicity and explosion risk of chemical medium in pressure vessels：HG 20660—2000 [S].

[5]職業(yè)性接觸毒物危害程度分級：GBZ 230—2010 [S].

Classification for hazards of occupational exposure to toxicant ：GBZ 230—2010 [S].

[6]石油化工用機泵工程設(shè)計規(guī)范：GB/T 51007—2008 [S].

Design code for rotary machines of petrochemical industries：GB/T 51007—2008 [S].

[7]陳玨.無泄漏磁力驅(qū)動多級離心泵的研制[J].化工設(shè)備與防腐蝕，2003，6(1)：15-16.

CHEN Y. Development of a multistage centrifugal pump driven by magnetic force without leakage [J]. Chemical equipment & anticorrosion，2003，6(1)：15-16.

[8]Igor J Karassik, Joseph P Messina, Paul Cooper，et al. Pump handbook [M]. New York：McGraw Hill，2001.

[9]黃穎，趙斌義. IGCC裝置中泵用機械密封沖洗方案選擇[J]. 大氮肥，2007，30(5)：306-309.

HUANG Y，ZHAO B Y. The selection of pump mechanical sealing flushing schemes in IGCC plant [J]. Large scale nitrogenous fertilizer industry，2007，30(5)：306-309.

[10] 陳偉, 曹文輝. 轉(zhuǎn)子泵的選用(上)[J].化工設(shè)備與管道，2000，37(4)：44-49.

CHEN W，CAO W H. Selection of rotary pump(part 1)[J].Process equipment & piping，2000，37(4)：44-49.

[11] Paresh Girdhar，Octo Moniz. Practical centrifugal pumps design, operation and maintenance [M]. Netherlands: Elsevier，2005.

[12] 陳偉. 工業(yè)泵選用手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：159-162.

CHEN W. Industrial pump selection[M].Beijing：Chemical Industry Press，2010：159-162.

[13] 吳德榮. 化工工藝設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：940-942.

WU D R. Chemical process design handbook[M].Beijing：Chemical Industry Press，2009：940-942.

[14] 劉紅云, 盧捍衛(wèi). 離心泵振動原因分析和解決方案[J]. 煉油技術(shù)與工程，2009，39(6)：20-24.

LIU H Y，LU H W. Analysis of centrifugal pump vibration and solutions [J]. Petroleum refinery engineering，2009，39(6)：20-24.

[15] 朱祖超. 小流量高揚程泵的特點與應(yīng)用[J]. 水泵技術(shù)，1998(5)：10-12.

ZHU Z C. Characteristics and application of small flowrate and high delivery-head pump [J]. Pump technology，1998(5)：10-12.