小流量高扬程工况磁力驱动泵选型设计

， (.浙江省天正设计工程有限公司， 浙江 杭州　300； .中国天辰工程有限公司， 天津　300000)

在氟化工和材料行业的泵选型设计中，易燃、易爆、高度危害介质的小流量、高扬程输送工况较为常见。由于输送的物料大多数涉及到易燃、易爆、高度危害介质等，设计中选泵时应首先考虑选用无泄漏输送泵，既可避免双端面机械密封的复杂冲洗方案要求[1]，又可减少运行过程中的维护和维修工作量。此外，还应考虑生产工艺对输送物料的压力稳定和流量连续计量需求[2]。

文中以小流量、高扬程工况下无水氟化氢、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯和苯乙烯等有毒有害介质的输送为例，介绍并比较了单级单吸磁力泵、多级单吸磁力泵、单级单吸磁力旋涡泵、多级单吸磁力旋涡泵等4种选型方案，可为类似泵的选型设计提供借鉴。

1　磁力驱动泵选型基础

1.1　工艺设计条件

某工业项目工艺专业提供的无水氟化氢、四氯化碳、氯乙烯、丁二烯、苯乙烯等工艺原料的物性参数和输送泵的设备位号、汽蚀余量、体积流量、扬程和设备类型等条件见表1。

表1　泵选型工艺参数和条件

有关本项目输送介质的其他物料特性说明，可参见各物料的化学品安全技术说明书MSDS[3]。物料的分类划分是基于HG 20660—2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》[4]和GB Z230—2010 《职业性接触毒物危害程度分级》[5]综合确定的。

1.2　泵选型设计原则

泵的选型设计需满足工艺要求，主要包括流量、扬程、温升限制、汽蚀余量等[6]。表1中，5种输送介质均为危险化学品。无水氟化氢具有极强的腐蚀性，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险性。同时，5种输送工况都具有小流量、高扬程特点，体积流量为1.3～4.0 m3/h，扬程为90～150 m。因此，选择泵时首先必须满足轴封可靠要求或采用无泄漏泵[7]，其次也应考虑泵的最小稳定运行流量要求，尽量避免输送物料的回流要求[8]。

通常情况下，相对于普通化工离心泵的复杂机械密封方案(比如双端面机械密封，冲洗方案PLAN53a等)，磁力驱动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]。磁力驱动泵的磁力耦合器主要包括内磁缸、外磁缸及隔离套等。其中位于内、外磁缸间的隔离套将物料与大气侧完全隔离开，介质封闭在隔离套内。与传统的采用双端面机械密封进行密封的离心泵相比，降低了物料泄漏到环境中的可能性，同时也减少了机械密封的定期维护工作。

对本次选型设计所涉及的小流量、高扬程输送工况(表1)，可选用容积式泵来满足输送要求[10]。但根据以往工艺系统要求输送管路中流体无脉动(主要为方便后续管路上安装的流量计的准确计量)的经验，优先选用输送流体平稳无脉动的磁力驱动离心泵或旋涡泵方案。

2　磁力驱动泵选型方案设计

2.1　工况分析

分析表1可知，当前工艺要求的工况流量已经超出了单级单吸磁力驱动离心泵或旋涡泵叶轮的最佳效率点所对应流量的70%～120%(可接受振动区)，且小于泵稳定运行的最小连续流量要求[11]。因此，在选用单级单吸磁力驱动离心泵或旋涡泵时应考虑在工艺管路上设置回流管路，且回流管路阀门需要一直处于开启状态。若选用多级单吸磁力驱动离心泵或旋涡泵，工艺参数中所需流量基本上大于泵在稳定运行时的最小连续流量，则可不用考虑回流量。

2.2　泵性能曲线分析

文中各磁力驱动泵选型设计参考了制造厂的样本及厂家典型选型方案等资料。研究厂家资料可知，由于每种类型的泵特性基本一样，制造厂样本或选型方案中的泵性能参数仅有微小差别。典型的磁力驱动离心泵和旋涡泵的性能曲线具有两个共同的特点[12]。

离心泵的流量-扬程曲线是一条已经跃过抛物线凸点的平缓下降曲线，流量从小变大的过程中，扬程变化比较平稳，轴功率随着流量变大而变大，在最小流量时，轴功率最低，故一般关闭泵出口阀门启动泵。

旋涡泵的流量-扬程曲线是一条陡直的近似下降直线，轴功率随着流量增大而减小，在关死点轴功率最大，故旋涡泵应开阀启动，采用旁路调节流量方式。由于旋涡泵的流量特性呈直线下降特性，故选型时应考虑工艺工况的稳定性，即当前工艺参数基本上不调整，否则流道变大一点，扬程降低很多，导致无法满足工艺需求。

2.3　选型方案设计

2.3.1单级单吸磁力泵

本项目单级单吸磁力泵选型设计时，泵最小连续流量按照选型时所确定泵型的最佳效率点流量的25%估算[13]。工艺参数所需流量小于泵最小连续流量时，按照泵的最小连续流量选泵，并考虑回流量。参考制造厂的资料，初步选择的单级单吸磁力泵性能参数见表2。

表2　单级单吸磁力泵方案性能参数

依据表2的性能参数选择单级单吸磁力泵可以得到两种组合，①扬程为90～100 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径约250 mm。②扬程为110～150 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径约315 mm。

结合本项目工艺专业设计要求分析表2可知，工艺的流量需求已经处于泵最小连续流量附近，故泵水力效率较低。为了满足工艺工况需求，各位号泵在平常工作时，回流管线一直处于开启状态，从而导致泵的轴功率较高。

除此之外，若待输送的物料对温度变化比较敏感，而且泵吸入口的储罐等设备没有采取必要的冷却措施的话，还会导致入口管线上的物料温度升高，从而影响有效汽蚀余量值，最终可能导致泵产生汽蚀现象[14]。

2.3.2多级单吸磁力泵

参考制造厂的资料，初步选择的多级单吸磁力泵的性能参数见表3。

表3　多级单吸离心泵方案性能参数

依据表3的性能参数选择多级单吸磁力泵可以得到两种组合，①当扬程为90～110 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径约140 mm，总共5级叶轮组合。②当扬程为120～150 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径约140 mm，总共6级叶轮组合。

结合本项目工艺专业设计要求分析表3可知，所选泵型的最小连续流量已经小于工艺提出的流量需求。此时，虽然所选泵型水力效率仍然较低，但已经不用考虑物料回流要求。相较于单级单吸磁力驱动泵方案，泵的轴功率已经明显降低了60%左右，配套电机功率降低了50%左右。

与单级单吸磁力泵相比较，多级单吸磁力泵叶轮直径较小，多个叶轮组合后可达到工艺所需扬程，并能相应降低必需汽蚀余量值和泵的最小连续流量要求。多级单吸离心泵的可调节性好，能在较宽范围内满足工艺需求。

2.3.3单级单吸磁力旋涡泵

参考制造厂的资料，初步选择的单级单吸磁力旋涡泵性能参数见表4。

表4　单级单吸磁力旋涡泵方案性能参数

依据表4中各位号泵性能的参数综合选择的单级单吸磁力旋涡泵扬程为90～150 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径100～170 mm，单级叶轮。表4中，P-001的必需汽蚀余量满足工艺要求，而且对回流有要求；P-002～P-005必需汽蚀余量不满足要求而且对回流有要求。

结合本项目工艺专业设计要求分析表4可知，所选泵型的最小连续流量已经大于工艺的流量需求。为了满足工艺工况需求，各位号泵在平常工作时回流管线需要一直处于开启状态，会导致泵的轴功率较高。相较于单级单吸磁力泵方案，泵的轴功率已经明显降低了60%，配套电机功率降低了50%左右。

但该类型泵的汽蚀余量要求较高，极可能导致大多数泵无法正常工作。从选型角度考虑，若汽蚀余量无法满足工艺要求，则设计时应避免选用此类型的泵。

2.3.4多级单吸磁力旋涡泵

参考制造厂的资料，初步选择的多级单吸磁力旋涡泵的性能参数见表5。

表5　多级单吸磁力旋涡泵方案性能参数

依据表4参数选择的多级单吸磁力旋涡泵可得到3种组合，①扬程为150 m时，泵转速为1 450 r/min，叶轮名义直径约95 mm，8级叶轮。②扬程为90～100 m时，泵转速为2 900 r/min，叶轮名义直径约105 mm，2级叶轮。③扬程为110～120 m时，泵转速为1 450 r/min，叶轮名义直径约105 mm，4级叶轮。

结合工艺要求分析表5可知，所选泵型的最小连续流量已经小于工艺的流量需求，且所选泵型水力效率较高，轴功率低，必需汽蚀余量值也低，可较好地满足当前运行工况。由于旋涡泵的流量-扬程调节特性曲线为陡降直线，即流量增加少许，会导致扬程降低较多，故其可调节性相对较差[15]。

3　结语

对小流量、高扬程输送工况的泵进行选型设计时需要综合考虑多因素并择优选用。一方面要考虑泵的最小连续流量、汽蚀余量和水力效率等因素，另一方面，也要多角度比较各种类型的泵型，从而判断出何种类型泵适合当前工艺工况要求。通过对比适用于小流量、高扬程输送工况4种泵型的实际选型性能参数认为，多级单吸磁力泵或多级单吸磁力旋涡泵可较好地满足表1中的工况需求；多级单吸磁力旋涡泵的陡降直线特性曲线适应范围窄，更适合在稳定工况中运行；多级单吸磁力泵的特性曲线平缓，可在较大波动范围内满足工艺需求。实际选用过程中，还应结合工艺专业的需求情况进行泵的选择。

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