大流量高扬程管线输油泵的研制

蔡志刚 刘 毅

（郑州电力机械厂，河南 郑州 450004）

大流量高扬程管线输油泵的研制

蔡志刚 刘 毅

（郑州电力机械厂，河南 郑州 450004）

本介绍了大流量高扬程输油泵的应用领域、模型选取、结构特点，并从叶轮参数与结构、泵盖、泵壳流道、轴承及轴封，泄漏量的控制等方面因素提高输油泵的效率和运行稳定性。

输油泵；双吸叶轮；蜗壳；泄漏量

1　背景及应用领域

目前，随着我国输油泵机组的新建和改造，未来输油泵市场前景广阔，尤其是功率大于1000kW以上的输油泵，在使用和新投入使用的大多为进口产品，进口输油泵也有其明显的优势，技术含量高、运行稳定、效率高等，但其价格高、供货周期长、后期维护成本高，产品的技术、安装维修及售后服务等受制于人。相比于进口产品，国产泵与进口泵还有不小的差距，输油泵机组普遍存在运行参数变化大，运行效率低、机械密封泄露量大等问题［1］，增加了运行成本，给运行带来极大的不便。

为打破国外输油泵在大流量机组上的垄断局面，加快输油管线上高端装备的国产化进程，企业开展了大流量高扬程管线输油泵的研究与开发。企业研制的ZDM（D）轴向剖分型多级离心输油泵，可用于原油输送、成品油输送、油田注水、炼油厂、锅炉给水、矿井排水等领域。

2　模型的选取与设计

ZDM（D）管道输油泵参数满足国家《“十二五”重大技术装备研制和重大产业技术开发专项规划》中规定的参数。流量为2200m3/h，扬程为1000m，转速2985rpm，目前来说基本上是国内最大的输油泵。泵的比转速与泵流量、扬程、转速相关的一个有因次数，是表征泵运转性能和叶轮几何特征的综合性能参数，是泵相似换算的依据。根据比转速的不同可把泵分为离心泵、混流泵和轴流泵，离心泵是液体经过叶片的作用，其出流方向与轴向垂直，输油泵的叶轮结构形式属于离心泵范畴，比转速小于300，离心泵又可分为低比转速（10＜ns＜80）离心泵，中比转速（80＜ns＜150）离心泵和高比转速（150＜ns＜300）离心泵。研制的ZDM（D）管道输油泵属于中比转速的离心泵。

水力模型的好坏直接决定了输油泵的水力效率，多级离心泵的效率由水力效率、机械效率、容积效率组成，所以模型的好坏直接影响泵的运行效率。目前多级离心泵水力设计基本上仍采用速度系数法和相似换算法［2］，为了经济和性能有把握，企业采用相似模型法进行泵的水力模型设计，采用相似模型法应遵循的准则：①模型泵的比转速必须与所设计泵的比转速相等或接近；②模型泵的效率要高、高效区要宽；③模型泵的抗汽蚀性能要好，汽蚀比转速要符合规定要求；④模型泵的性能曲线没有驼峰；⑤设计泵与模型泵的雷诺数之比在1～15之间。该大流量输油泵的水力部件包括双吸的首级叶轮、次级叶轮、泵盖和泵体组成的蜗壳等，叶轮采用精密铸造工艺，一方面保证图纸到零件的严格转化，另一方面又降低铸件表面的粗糙度，降低泵中摩擦损失。

3　结构特点及性能保证

ZDM（D）管道输油泵为水平中分的多级离心泵，结构形式符合API610标准BB3，吸入口及吐出口均在泵轴心线下方，检修时只需打开泵盖抬出转子即可进行维修，整体转子也可作为备件快速更换，无需移动管路及电机。

3.1叶轮形式及结构

ZDM（D）管道输油泵首级采用双吸叶轮，能够提高泵的抗汽蚀性能；由于设计的输油泵流量比较大，解决泵的汽蚀是设计过程中很关键的问题之一，为提高泵的抗汽蚀性能，首级叶轮采用双吸形式，这样进入叶轮的流量被一分为二，在相同过流面积的情况下，流速减少了一半，泵的汽蚀余量与进口流速的平方成正比，这样泵的汽蚀余量大大减少，降低了对装置的较高要求，实现泵的经济性要求。同时增加叶轮的进口直径，增加叶轮进口面积，相同流量下减少了叶轮进口流速，也能提高泵的抗汽蚀性能。其他三级叶轮为单吸形式，采用背靠背的安装方式，大部分轴向力由叶轮自平衡，降低了平衡装置的负荷。

3.2泵体、泵盖蜗壳

ZDM（D）管道输油泵的泵体和泵盖组合成泵的压水室，流道采用双涡壳结构，即由两个单蜗室对称布置组成，该结构使得径向力在任何工况下都保持平衡，消除或减少作用转子上的交变应力，延长泵的运转寿命。泵的吸水室为半螺旋形，配合双吸叶轮，能有效提高泵的抗汽蚀性能，泵的进水流道增加了分流板，以改善进口流动条件，使泵适应不同工况下泵的性能要求。

3.3轴承及润滑

由于环境无水源、泵站位置偏僻等因素，轴承需设计成大功率带自润滑系统，运行场地没有冷却水源，轴承自身的温度上升及润滑油的热量都需靠轴承体自身散热。根据载荷情况ZDM（D）管道输油泵径向轴承采用四油楔滑动轴承，轴瓦内径和轴的间隙经过精确计算，提高轴承变工况运行下的稳定度，甩油环润滑为辅助润滑，以便起动或停车时保证轴瓦的润滑量，残余轴向力由滚动推力轴承承受。系统配备轴承温度监测、振动监测统一接至接线盒。通过数据采集与监视控制系统远程监控泵机组运行，对现场运行的泵进行监视和控制，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

3.4轴端密封

ZDM（D）管道输油泵轴端密封采用集装式机械密封，此型机械密封由生产厂家预先组装完好，泵组时把机械密封整体装入后松开限位片即可。机械密封中的弹簧保证动、静环的良好接触和预紧，即使有小量磨损也能自动补偿，适合较大轴径、高速运行场合。机械密封上装有漏点监测传感器，实现泄漏的远程监测功能。

4　设计中充分考虑提高泵性能的因素

泵中流动的复杂性，很难量化某个参数对泵性能的具体影响，影响泵性能的因素很多，并且各因素之间互相制约，有时，改变几何参数，改善了性能中某一指标，而同时使另一性能指标下降，因此设计中应充分考虑多因素的相互影响，下面从叶轮几何参数、叶轮与出水室的匹配、泵中的间隙等因素，改善泵的性能。

4.1叶轮采用先进水力设计软件，改善内部流场的流动

图1　叶轮过流面积的检查

ZDM（D）管道输油泵的叶轮设计过程中通过改变叶轮前盖板的角度、前、后盖板的圆弧大小，检查叶轮流道内的过流面积的变化，如图1，使过流面积从叶轮进口均匀变化到出口，减少流动中的损失，提高泵的效率。

输油泵设计时，为提高泵的抗汽蚀性能，首级叶轮设计成双吸叶轮，同时在设计叶轮叶片时，叶片进口采用正冲角，增加叶片的进口角，减少叶片的弯曲，从而增加叶片进口过流面积，减少叶片的排挤，进而减少叶片进口的速度；在设计流量下采用正冲角，液体在叶片进口背面产生脱流，因为背面是叶道的低压侧，在这里形成的旋涡不易向高压侧扩散，所有旋涡是稳定的、局部的，对汽蚀的影响较小。反之，采用负冲角时，液体在叶片进口的工作面产生脱流，该处是叶道的高压侧，旋涡易于向低压侧扩散，因而旋涡是不稳定的，对汽蚀的影响较大。叶片向吸入口前伸并减薄，使液体提早受到叶片作用，可以减少叶轮外径，从而减少圆盘摩擦损失；增加叶片的重叠程度，增加叶片对流体的作用长度，减少相对速度扩散；减少叶片进口的相对速度，从而减少进口撞击损失，这些对提高汽蚀性能和减少特性曲线的驼峰是有利的。增加叶轮出口宽度，减少叶轮出口绝对速度，从而减少压水室中的水力损失，对提高泵的效率是有益的。

4.2泵中泄漏量的控制，提高泵的效率

输油泵中泄漏主要存在于叶轮口环与密封环处、级与级之间及平衡盘处。泵中的泄漏，是不可避免的，液体总会从高压区向低压区流动，泵中的液体通过叶轮做功，叶轮出口压力高压进口压力，高压液体通过叶轮盖板和蜗壳之间的空腔经密封环处向叶轮进口回流，下一级叶轮与上一级叶轮之间也会有泄漏，泵中的泄漏如图2所示：液体自第一级双吸叶轮后流出，经过内流道进入第二级叶轮，然后经过外流道进入布置在轴的另一端的第三级叶轮，再经过内流道进入第4级叶轮。在每一级叶轮的密封环处，均有泄漏量q1，这台泵中，没有不流经叶轮的泄漏量q2，在第3、第2级叶轮间和第2、第1级叶轮间，有流经一级叶轮的级间泄漏量q3；而在第3和第4级叶轮之间，则有级间泄漏量q4，这些都增加了泵的容积损失，造成泵效率的下降。

图2　蜗壳多级泵的泄漏

为提高泵的运行效率，设计时减少叶轮口环与密封环的间隙，直径间隙设计为0.4mm，密封环上开设环形节流槽，增加有限空间内的节流长度。泄漏量的减少，泵的容积损失降低，提高泵的效率。当然，运行间隙的减小为泵的可靠运行带来了不少风险，由于泵间隙的减少，运行中转子部件和静止部件碰磨的概率上升，为保证泄漏量尽量少的情况下，又能保障泵的安全运行，为此研制出来高速泵动、静摩擦副抗咬合材料，即使转动件和静止件间有碰磨，两种材料也不会咬合在一起，提高泵运行的稳定性。所以在设计中，有些因素是互相制约的，需要综合考虑，并有相应的解决措施，才能保障产品的优良性。

4.3叶轮与蜗壳的匹配，改善泵内部的流动

泵的特性是叶轮和压水室共同决定的，单方面研究叶轮和压水室不可能定量地确定泵的特性，叶轮和蜗壳的最佳匹配问题是研究泵特性的重点，良好的叶轮和蜗壳的匹配，可以减少泵内损失，降低振动，改变泵的性能曲线等，根据API610《石油、重化学和天然气工业用离心泵》标准［3］，多级泵的单级扬程超过200m或单级功率超过225KW的泵可能需要特殊措施来减小叶轮叶片通过频率振动或小流量时的低频振动。为降低上述的影响，ZDM（D）管道输油泵设计时叶轮出口与蜗壳进口间的半径间隙选为叶轮最大直径的4%，减少两者之间过渡时流体对叶片的冲击。另一方面，增加压水室喉部面积与叶轮出口面积比，使流动不受阻塞，常常有助于改善泵的性能，设计时，面积比在设计手册相应的经验系数的基础上进行了修正，修正系数为1.1～1.12。

4.4变频调试运行和阀门应用

由于泵运行中上下游流量的波动比较大，直接影响泵的运行工况是否在高效区内运行，大大影响泵组的运行效率，所以ZDM（D）管道输油泵根据使用场合可选择采用变频电机来改变泵的转速，这是降低运行成本的比较有效的方式，当然前期投资成本会有所增加。如果运行中流量波动时间较短，也可采用关小节流阀，使泵的流量降低、出口压力增高，调节到所需的流量点。输油泵的轴功率P和扬程H成正比。因此，在泵组管路中，应降低使用阀门的可能性，取消不必要的阀门；用作截断的阀门，在运行中应处于全开状态，以减少节流。尤其是变速泵，在国内变速调节流量的系统中，往往还设有流量调节阀，并保持0.5～1.5Mpa的压差，这个节流差压将大大降低变速调节带来的节能效果。因此，在变速调节的管路中，在动态适应能力足够的情况下，尽可能不设流量调节阀。对已设有调节阀的，应尽力让其全开，以提高节能效果。

5　结论

我国石化行业的发展过程中会需要很多高端装备，而这些装备必然会经过从依赖进口到逐步国产化的过程，不断发展中国的高端装备制造业。企业研制的ZDM（D）管道输油泵采用中开式多级离心泵，总体结构合理，使用于长输管道输油泵的单独或并联使用。设计中充分考虑影响泵效率的诸多因素，提高泵的效率，实现产品的节能效果。

［1］刘国豪，等.国产输油泵现场试应用性能测试与分析投产与运行［J］.2014，33（7）：45-48.

［2］关醒凡.现代泵技术手册［M］.北京：宇航出版社，1998.

［3］ANSI/API610.石油、重化学和天然气工业用离心泵［S］.

Research and Development of Large-flow and High-lift PipelineOil Pump

Cai Zhigang Liu Yi
（Zhengzhou Electric Power Machinery Factory，Zhengzhou Henan 450004）

This paper introduces the application fields，model selection，and structure characteristics of large-flow and high-lift oil pump，and improves the oil pump efficiency and the operation stability，from the impeller parameters and structure，pump cover，pump volute，bearing and shaft seal，leakage control and other factors.

oil pump；double suction impeller；volute；leakage；

TH38

A

1003-5168（2015）12-0045-3

2015-11-8

蔡志刚（1965.12-），硕士，高级工程师，研究方向：泵类技术研发；刘毅（1987.4-），助理工程师，研究方向：泵类产品研发。