浅谈离心泵的选型

浅谈离心泵的选型
作为一种最常用的流体输送设备，离心泵广泛应用于炼油厂各类工艺装置及各种辅助设施中。

据统计，炼厂装置中所用的各类泵中，离心泵约占70%以上。

离心泵的类型很多，规格更是十分广泛，如何从如此繁多的泵中选出合适的泵型以满足不同操作要求呢？本文简单论述了离心泵选型的步骤和所需注意的问题。

1 离心泵的分类
离心泵的类型很多，根据泵轴的位置可分为立式和卧式，其中卧式离心泵在石油化工装置中应用最为普遍。

卧式泵按泵壳的剖分形式有径向剖分和轴向剖分两种，按泵壳的数量有单壳体和双壳体（筒型）两种，按轴承支撑方式有悬臂式和两端支撑式两种，按叶轮级数有单级和多级两种。

下表列出了API-610所规定的各种泵型。

离 心 泵 悬臂式
挠性联轴器
传动
卧式
底脚安装 OH1
中心线支承 OH2
带轴承座的立式管
道泵
OH3 刚性联轴器
传动
立式管道泵 OH4 共轴式
立式管道泵 OH5
与高速齿轮合成一
整体的泵
OH6
两端支
承式
单级和两级
轴向剖分式 BB1
径向剖分式 BB2
多级
轴向剖分式 BB3
径向剖分式
单层壳体 BB4
双层壳体 BB5
立式悬
吊式
单层壳体
导流壳式 VS1
涡壳式 VS2
轴流式 VS3
长轴式 VS4
悬臂式 VS5 双层壳体
导流壳式 VS6
涡壳式 VS7
2 离心泵的工作原理
离心泵的主要工作部件是叶轮，当原动机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶片对流体沿它的运动方向做功，从而使流体的压力势能和动能增加。

与此同时，流体在惯性力的作用下，从中心向叶轮边缘流去，并以很高的速度流出叶轮，进入压出室（导叶或蜗壳），再经扩散管排出。

同时，由于叶轮中心的流体流向边缘，在叶轮中心形成低压区，当它具有足够的真空时，在吸入端压强的作用下，流体经吸入室进入叶轮。

由于叶轮连续地旋转，流体也就连续地排出、吸入，形成离心泵的连续工作。

3 离心泵的基本性能参数和特征参数
3.1 流量
泵的流量是指泵在单位时间内所输送的液体量。

正确的流量选择是首先确定工艺操作下的液体正常、最大及最小流量，选泵时一般以最大流量为基础，并考虑最小流量的要求。

选泵时应考虑最佳效率点最好位于额定流量点和正常流量点之间。

泵的最小连续流量分二种：一种是最小连续稳定流量，另一种是最小连续热流量，两者中取其大者为泵的最小连续流量。

泵的最小连续热流量可估算。

一般以第一种定为最小连续流量，通称最小流量。

根据经验，普通离心泵的最小连续流量值约为泵最佳效率点流量的30％左右。

当工艺所需最小流量小于泵制造厂给出的最小连续稳定流量，则需设置最小流量旁路线，用限流孔板或调节阀控制。

3.2 扬程
3.2.1液体输送系统所需泵的扬程
输送系统中泵的扬程是用来克服：a. 两端容器液面间的位差；b. 两端容器液面上压力作用的压头差；c. 泵进、出口管线、管件、阀件、仪表组件和设备的阻力损失；d. 两端液体出口和进口的速度头差。

上述液体输送系统所需的扬程H，可用下式计算：
g
V V h h H H g P P H s d s d s d s d 222−+++++−=ρ （1） 式中 H －泵输送系统所需的扬程，m；
P s 、P d －吸入侧、排出侧容器液面上的压力，Pa；
H d －排出侧（最高）液面至泵中心几何高度，m；
H s －吸入侧（最低）液面到泵中心几何高度，当液面低于泵中心（吸上）
时，H s 取正值；当液面高于泵中心（灌注）时，H s 取负值，m；
h d 、h s －排出侧、吸入侧管系阻力头，m；
V d 、V s －排出侧、吸入侧管内液体的流速，m/s；
g －重力加速度，g＝9.81，m/s 2；
ρ－输送温度下的液体密度，kg/m 3。

3.3.2管路系统特性曲线
从公式1可以看出，泵输送系统所需的扬程，其中液位差（Hg =d H +s H ）及液面上的压力差⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛−=g p p H s d p ρ，在工艺条件确定后，不因流量Q 而变；阻力头
(h =s d h h +)及速度头差⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛−g V V s d 222则随流量Q 而变，流量增大，所需扬程亦增加；
反之，所需扬程亦减小。

通常为一抛物线关系，称为管路系统特性曲线，如下图所示。

图1 管路系统特性示意图
从图中可以看出，h 曲线的原点在纵坐标轴上，随排出侧和吸入侧液面的压力差和几何高度差(g p H H +)而变化。

曲线的陡度决定管路的特性系数K （包括设备、控制仪表、阀门、管线和管件等综合的阻力系数）。

公式变为：
H 系统＝H 静＋KQ 2
H 静＝s d s d H H g
p p ++−ρ 管路系统特性曲线与泵的Q－H 曲线配合，用以确定一台泵输送系统的工作点，一般尽可能使工作点选在高效率区内，可以节省能量。

3.3 泵的汽蚀余量
3.3.1泵的有效汽蚀余量NPSHa
NPSHa 的大小由吸液管路系统的参数和管路中的流量所决定，而与泵的结构无关。

泵输入系统所提供的NPSHa ，应大于选用泵必需的NPSHr ，才能保证泵安全、稳定的运行。

所以，使用离心泵时一定要计算使用工况时的有效气蚀余量。

泵输入系统提供的有效气蚀余量可按下式计算： f s i s h H g
p p a NPSH −+−=ρ)( 式中：(NPSH)a －装置泵输入系统提供的有效气蚀余量，m；
P S －泵吸入侧的容器中被输送液体的液面上的压力，Pa(绝压)； P i －泵入口处液体的蒸气压力；
H s －吸入侧容器中被输送液体的液面至泵中心线间的液体位差，灌
注时取正值，吸上时取负值，m；
h f －容器与泵入口间吸入管路的各种磨擦阻力头的总和,m；
ρ－输送温度下的液体密度，kg/m 3。

g －重力加速度，g＝9.81，m/s 2；
由上式可知，提高离心泵有效气蚀余量的措施通常采用的方法是增加液位差，例如：抬高吸入侧容器的液面或降低泵的安装高度等。

3.3.2必需汽蚀余量NPSHr
NPSHr 反应了流体进入泵后，在未被叶轮增加能量之前，因流速变化和水力损失而导致的压力能头降低的程度。

影响NPSHr 的主要因素是泵进水室、叶轮进口的几何形状和流速，而与吸液管、液体的性质等因素无关。

3.4 泵的比转速
泵的比转速用Ns 表示，是用来反映相似泵的特征参数，对于几何相似的两台泵在相似运行工况下，起比值43H
Q
n 为定值。

Ns =43H Q
n
式中： n －操作转速，rpm；
Q －泵在最佳效率点的流量，m 3/s；
H －泵在最佳效率点的单级扬程，m；
根据比转速的定义，由工艺条件规定的额定流量、扬程及泵的转速可计算出泵的额定点工作时的比转速，称为泵需要的比转速，而在选泵时，由泵叶轮在最佳效率点的流量、扬程及转速所定义的比转速称为泵配用的比转速。

若泵配用比转速和泵需用的比转速相同，则泵的额定点即为BEP 点，两者差别越大，额定点与BEP 点的偏离也越大，因而泵效率与最佳效率的偏离也越大。

3.5 泵入口比转速
吸入比转速用Nss 表示，是用来评价离心泵净正吸压头值的一个特征参数，广泛用于对离心泵吸入（汽蚀）性能的分析和评价。

它和泵的比转速一样，是泵水力设计中的一项参数，用来表征给定的第一级叶轮的吸入能力和特性。

Nss=43NPSHr Q
n
式中： n －操作转速，rpm；
Q －泵在最佳效率点的流量，m3/s；（对于双吸泵，Q 取入口流量的
1/2）
NPSHr －泵必需汽蚀余量，m。

吸入比转速是由泵在规定转速及规定的叶轮直径下，由最佳效率点的流量和NPSHr 所定义的，较低的NPSHr 值会使Nss 值较高，它意味着有较大的叶轮入口尺寸或大的叶轮入口角。

这种叶轮具有在叶轮入口形成内循环的倾向，当泵的流量偏离BEP 点时，进入叶轮的液体很难和进口叶片角一致，因而进口处的内循环及水
力学汽蚀（由于水力学上的涡流所引起）的产生并将最后导致轴承、密封及叶轮的故障。

这种情况即使在NPSHa足够大的情况下也会发生。

统计数据表明， Nss值为11000 (gal, rpm, ft)是一个分界点，大于该值的泵发生故障的几率将显著增加。

建议在选择炼厂用泵时应控制Nss≤11000 (gal, rpm, ft).
4 离心泵的选用
4.1 离心泵选型条件
4.2.1输送条件下液体的物性数据
输送条件下液体的物性将对泵的流量、扬程、功率、汽蚀余量、结构、材料、使用方面产生影响，是选泵时需要考虑的重要因素。

需要列出的物性数据有：液体名称、密度、粘度、腐蚀性介质名称及其含量、气体或固体（粒度）含量、饱和蒸汽压等。

4.2.2工艺参数
工艺参数是选泵的最重要依据，需要工艺专业提供的操作。

参数包括流量Q（最大、正常、最小）、扬程H、进口压力Ps、出口压力Pd、泵送介质温度T（最高、最低）、有效汽蚀余量NPSHa等。

4.2.3泵的使用环境
根据其所在位置（室内或室外）给出环境温度、相对湿度、海拔高度、沙尘、盐雾情况、防爆区域及防爆等级要求。

对安装在有腐蚀性气体存在的场合的泵，要求采用防大气腐蚀的措施。

4.2 离心泵的选型
4.2.1确定泵壳的剖分型式：
泵壳的剖分型式有两种：轴向剖分（水平剖分）和径向剖分（垂直剖分）。

根据API610的规定，属于以下任何一种使用条件的，应采用径向剖分的泵壳：
¾泵送液体的温度≥200℃
¾在规定的泵送温度下液体相对密度小于0.7的可燃或有毒性的介质
¾泵送可燃或有毒性的液体，其出口压力高于10MPa时。

对使用条件不在上述范围内的，可以采用轴向剖分型泵。

但从运转可靠性考虑，不推荐采用轴向剖分泵。

4.2.2确定泵壳的支撑方式：
卧式泵泵壳的支撑方式通常分为中心线支撑及底脚支撑；立式泵通常为端部支撑或管道式安装。

对于卧式泵，按照API610的规定，泵送介质温度等于或大于177℃，应选用中心线安装。

对于悬臂式泵，API610不推荐使用底脚支撑（OH1）。

4.2.3确定泵的结构形式及操作转速：
离心泵结构形式多样，有单吸泵、双吸泵；有单级泵、多级泵等。

根据API610的规定，所有的卧式悬臂泵均为单吸单级泵，两端支撑泵包括单吸、双吸、单级、多级等类型。

根据工艺参数，按下式初步估算出泵的必需气蚀余量NPSHr。

如果按单吸泵在3000rpm运行所计算出的NPSHr大于装置提供的气蚀余量NPSHa，则考虑
降低操作转速或选用首级叶轮双吸泵，从而使NPSHr 小于NPSHa。

3
464.51⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛××≈Nss Q n NPSHr 式中： NPSHr －必需气蚀余量，m；
n －操作转速，rpm；
Q －泵额定流量，m3/s；（对于双吸泵，Q 取入口流量的1/2） Nss －入口比转速，取11000（gal，rpm，ft ）；
4.2.4估算泵的轴功率及电机功率：
A）泵的轴功率，指单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。

1000
g ×=ηρQH N kW 式中：η－泵的效率，泵的效率与泵的类型和泵的能力大小有关。

泵输送粘稠液体时，效率会有所下降。

泵的效率可从泵厂家样本中的性能曲线上查的，也可从
下图中查出。

B）电机功率Ne
KN e =N
式中：K－离心泵功率余量系数，按下表选取。

电机功率N，KW
K 电动机
汽轮机 ≤22 1.25 1.1
22＜N≤55
1.15 1.1 ＞55 1.10 1.1
此外，电机功率应满足泵在现场以最小流量进行水运时轴功率的要求。

5 选型案例
根据下述工艺参数选择合适的泵型，输送条件下的参数为：Q=2500m 3/h，入口压力Ps=1140kPa(g)，Pd=1750kPa(g)，扬程H=105m，泵送温度T=304℃，泵送温度
下的饱和蒸汽压Pv=1190kPa(a)，泵送温度下的密度ρ=593kg/m 3，NPSHa=7.2m。

选型：
1. 根据泵送温度，选择径向剖分、中心线支撑型泵；
2. 估算NPSHr：
按单吸，操作转速n=2950rpm 计算, NPSHr≈26m，大于NPSHa；
按单吸，操作转速n=1450rpm 计算, NPSHr≈10m，大于NPSHa；
按双吸，操作转速n=1450rpm 计算, NPSHr≈6.3m，小于NPSHa，满足要求，故选用双吸泵（两端支撑），BB2结构，选用四极电机（n=1500rpm）；
3. 估算轴功率N：
根据前面提供的流量-比转速-效率曲线，确定泵的效率：
Ns=43
105360022500
145064.51×××=1345 （gal，rpm，ft）
Q=2500m 3/h =11007gal/min
由图中查得，η≈0.87。

由于图中所对应得效率为理论值，一般较厂家所提供的效率值高3-5点，故确定η≈0.84。

N=0.84
1000105360025008.9593×××
×=505KW 4. 确定电机功率N：
Ne= 1.1505×=555KW，故选用560KW，4P 的电机。

参考文献
1. 姜培正 《过程流体机械》
2. 刘绍叶等 《泵、轴封及原动机选用手册》
3. 中国石油和石化工程研究会 《炼油设备工程师手册》。