張健

（中國成達工程有限公司）

設計與計算

離心泵性能曲線對設計選型影響的探討

張健*

（中國成達工程有限公司）

性能曲線是離心泵選型的基礎。針對工程中離心泵特別是多級離心泵選型中的幾個參數(shù)，包括最小連續(xù)流量、關閉揚程以及并聯(lián)泵性能曲線匹配對泵運行穩(wěn)定性和安全性的影響，進行了研究及探討。

離心泵 性能曲線 流量 關閉揚程 設計壓力 并聯(lián)泵

性能曲線是離心泵選型的基礎，是判斷設備能否滿足運行要求的基礎前提，任何對泵能否滿足設計要求的審查，均應當首先對性能曲線能否滿足工況要求進行考核。泵典型性能曲線一般包括流量-揚程（Q-H）、流量-效率（Q-η）、流量-必需汽蝕余量（Q-NPSHr）和流量-軸功率（Q-P）四條曲線。對于泵選型的工作區(qū)間、NPSHr是否滿足等問題，API 610-2010《化工及天然氣工業(yè)用離心泵》標準中均有對應描述，在此不再贅述，以下僅對工程項目設計過程中發(fā)現(xiàn)的、對設備穩(wěn)定運行有關鍵影響且容易忽略的幾個問題進行闡述及探討。

1 最小連續(xù)流量

最小連續(xù)流量包括最小連續(xù)穩(wěn)定流量和最小連續(xù)熱控流量兩個概念，其準確數(shù)值一般需要通過實際運行測試得出。離心泵的運行流量不允許長時間小于最小連續(xù)流量，否則設備會出現(xiàn)振動及發(fā)熱等情況。通常最小連續(xù)熱控流量大于最小連續(xù)穩(wěn)定流量，因此若泵輸送流量長期小于最小連續(xù)流量，向外輸送介質(zhì)無法完全帶走泵運行產(chǎn)生的熱量，泵內(nèi)介質(zhì)溫度將會持續(xù)升高，最終導致設備損壞[1]。

在制造廠的報價中，一般是按最佳效率點的30%作為其最小連續(xù)流量點。此種方法是較為保守的，一般都有一定裕量，但在實際設計中，也遇到過特殊情況。比如在某項目中，某磁力泵制造廠的曲線和數(shù)據(jù)表中未標識最小連續(xù)流量值，設計時按額定流量的30%估算，最后在出廠試驗中發(fā)現(xiàn)最小連續(xù)流量大于估算值。根據(jù)對應數(shù)據(jù)復查發(fā)現(xiàn)，有部分泵額定流量已經(jīng)接近甚至小于實際最小連續(xù)流量，這樣設備將無法穩(wěn)定運行。最終在設計中根據(jù)實測數(shù)值進行了修正，增加設計了回流管線（流量增大后，選型點向高效區(qū)偏移，結合電機余量復算，電機滿足要求）。根據(jù)實際經(jīng)驗，無論在報價階段還是資料審查階段，廠商在性能曲線中往往會忽視對最小連續(xù)流量的標識。所以，在選型中若遇到實際操作流量接近泵本身最小連續(xù)流量的情況，就需要特別核查選型流量與最小連續(xù)流量的裕量，確認能否滿足設計及操作要求。

當最小連續(xù)流量接近正常工作流量時，可采取通過監(jiān)測流量或功率的方法保護設備。但是一旦實際流量低于設置流量，就會導致設備跳車，進而影響裝置運行。在工程穩(wěn)定性要求較高時，大多數(shù)情況下會采取增加回流的方式，以保證設備穩(wěn)定運行（如圖1所示）。由于不同型號（或廠商）的最小連續(xù)流量不同，在小流量工況下，在選型時需要根據(jù)泵的實際參數(shù)進行復核，以確定實際回流流量。

圖1 帶最小連續(xù)流量保護的系統(tǒng)流程圖

以新疆某化工項目為例，下游需要額定流量為1 m3/h，泵最小連續(xù)流量Qmin為2.5 m3/h，泵額定流量＜最小連續(xù)流量，如按額定流量選型，泵將會出現(xiàn)明顯的發(fā)熱及振動現(xiàn)象，嚴重縮短其使用壽命，對于如磁力泵及屏蔽泵等無密封泵，將直接導致磁性材料高溫退磁以及電機過熱等破壞性結果。因此，對應設備必須增加回流旁路加大流量才能正常運行。結合下游有流量需求很小的短期操作工況，泵回流閥及管路可按泵最小連續(xù)流量設計，正常操作中回流調(diào)節(jié)閥全開，回流管路設限流孔板，以保證即使出口閥全關，設備仍能正常使用，從而保證設備長期平穩(wěn)運行。綜上所述，最終泵的選型如圖2所示，對應的設備選型按下游需要的流量1 m3/h+泵最小連續(xù)流量2.5 m3/h，即按流量3.5 m3/h進行選型。如此選型，設備長期運行效果良好。

圖2 額定流量小于最小連續(xù)流量的性能曲線選型

由上可見，對于離心泵，特別是流量較小以及選型點偏離最佳效率點較遠的工況，需要特別注意在性能曲線中標出泵的最小連續(xù)流量，并在選型中審查最小連續(xù)流量與選型點之間的操作裕量，如兩者過于接近，則需要考慮設置回流管線等保護措施，以免設備損壞。

2 關閉揚程

根據(jù)API 610-2010要求，泵最好具有穩(wěn)定的Q-H曲線（即到關閉點為止，揚程曲線呈連續(xù)上升狀）。如果買方規(guī)定泵并聯(lián)運行，則必須具有穩(wěn)定的Q-H曲線。如果規(guī)定并聯(lián)運行，則曲線上的揚程上升量至少應當是額定流量所對應揚程的10%。

以上要求包含幾個方面：

（1）揚程曲線應當避免有駝峰，否則設備在調(diào)節(jié)上不具有自平衡性[2]。如圖3所示，泵穩(wěn)定工作在A點，若有小的擾動，通過系統(tǒng)的流量瞬間增大至A1，對應管網(wǎng)阻力B1大于泵揚程A1，由于這個壓差阻力的存在，系統(tǒng)的流量有減小的趨勢，泵流量將會回到Q點。反之變化類似，這種曲線有回復到穩(wěn)定工況的趨勢。如圖4所示，若泵性能曲線為駝峰狀，且泵工作點在駝峰左側，當出現(xiàn)小的擾動流量后，泵揚程增加速度甚至高于管網(wǎng)阻力增加速度，系統(tǒng)流量反而有增加的趨勢，即系統(tǒng)無法自行達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)，為不穩(wěn)定系統(tǒng)。圖4中的Q1、Q2為同一出口壓力對應的兩個流量（可能值），操作中無法通過壓力值來確認設備當前的工作流量，這種操作很不具有便利性。

圖3 穩(wěn)定泵-管網(wǎng)系統(tǒng)

圖4 不穩(wěn)定泵-管網(wǎng)系統(tǒng)

（2）揚程的陡度應當在合理的區(qū)間內(nèi)，即設備的關閉揚程應大于額定流量揚程，且在并聯(lián)運行時＞110%，同時一般要求陡度≯20%。而在高揚程多級泵中，由于葉輪級數(shù)多，可按照串聯(lián)方式求取多級泵性能曲線[3]，如圖5所示。單級泵Q-H曲線為HⅠ，串聯(lián)后的Q-H曲線HⅢ陡度也對應增大，故工程中多級泵的流量-揚程曲線往往無法滿足對應≯20%的要求。在設計選型中，此要求往往會適當放寬。

圖5 相同特性曲線串聯(lián)

由于多級泵的揚程一般較高，而對應的Q-H曲線相對較陡，通過輸送介質(zhì)密度及關閉揚程換算得出的泵最大出口壓力往往相對較高（p出口=p入口+ρgH）。因此，在對應的系統(tǒng)設計中，揚程陡度較大的泵特別是多級泵，需要特別注意關閉壓力對泵后設備、管路及儀表設計壓力的影響，應復算泵后管路、設備及儀表能否滿足泵的關閉壓力，否則極有可能出現(xiàn)泵后管路及容器設計壓力無法滿足泵的關閉壓力，最終出現(xiàn)對應設備、管路及儀表超壓運行，導致泄漏甚至事故的發(fā)生。以某制造廠提供的某項目多級離心泵的性能曲線為例，當最大吸入壓力為83.4 PaA、操作溫度為150℃、輸送介質(zhì)密度為909.2 kg/m3時，其性能曲線如圖6所示。

圖6 某項目多級離心泵的性能曲線

計算得出的出口壓力見表1。根據(jù)HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭（PN系列）》法蘭標準（見表2），按額定點揚程，泵出口管道選擇Class 900（PN150）等級即可滿足承壓要求。但是考慮可能出現(xiàn)的關閉點，出口管道壓力等級應當對應提升一檔為Class 1500（PN260）。如僅按額定流量下?lián)P程進行管道設計，Class 900（PN150）的管道運行時將長時間超壓，必然存在安全隱患。

表1 額定點參數(shù)與關閉點參數(shù)對比

3 并聯(lián)運行泵的性能曲線匹配性

對于并聯(lián)運行的泵，在泵型不同的情況下，要特別注意考察泵的性能曲線是否匹配。若選用多級泵，多級葉輪串聯(lián)后，其性能曲線陡度增加，此時性能曲線是否匹配尤其應予以重視。

以新疆某項目為例，項目共3臺鍋爐給水泵，分別由2臺電機和1臺汽機驅(qū)動。其中設備2開1備，1臺電泵為備泵。為保證蒸汽消耗，根據(jù)蒸汽消耗量反推汽泵額定流量，確定汽泵選型。對應的電泵和汽泵額定流量有區(qū)別，額定揚程相同。某全球知名制造廠的報價方案對應Q-H性能曲線如圖7、圖8所示。

表2 材料組別為1.1的鋼制管法蘭用材料最大允許工作壓力（表壓）

圖7 電動泵（14級葉輪）性能曲線

圖8 汽動泵（9級葉輪）性能曲線

從圖7和圖8中可以看出，雖然電動泵和汽動泵額定揚程均為1 480 m，可以滿足額定工況的選型要求，但是兩泵葉輪級數(shù)差別較大，設備性能曲線有較大差異。高級數(shù)的電動泵具有更陡峭的性能曲線（關閉揚程/額定揚程=140%）。根據(jù)性能曲線，電動泵關閉揚程約為2 100 m，汽動鍋爐給水泵關閉揚程約為1 800 m。經(jīng)計算可知，電動泵的關閉壓力為19.96 MPa，汽動泵為16.5 MPa（介質(zhì)密度為917 kg/m3，入口壓力為0.7 MPa），兩者壓差高達3 MPa。拋開性能曲線過于陡峭不利于控制調(diào)節(jié)，單從此方案看并聯(lián)后設備的操作性，若電泵在使用過程中向低負荷方向調(diào)節(jié)，例如當流量在180 m3/h的情況時，對應揚程約為1 800 m，對應出口壓力已經(jīng)達到16.5 MPa，此時揚程相當于汽動泵的關閉揚程。由于兩泵并聯(lián)，管網(wǎng)需求壓力甚至已經(jīng)大于汽動泵關閉揚程，汽動泵將無法克服對應阻力向外輸送介質(zhì)，工作點由于已經(jīng)遠遠小于泵運行的最小連續(xù)流量，汽動鍋爐給水泵將會發(fā)生振動及發(fā)熱，最終導致設備抱死損壞。而電動泵此時流量為180 m3/h，只相當于額定流量的63%，屬于正常的操作區(qū)間。這3臺多級泵價值近千萬人民幣，如果最終采用對應方案，在日常操作中將極有可能發(fā)生事故，所造成的損失將是巨大的。另外，在泵組出口設機械式最小流量保護閥的情況下，由于流量保護閥并不是兩位閥，其旁路和主路可以協(xié)調(diào)動作，保證泵組最小流量不低于最小連續(xù)流量，因此這時對關閉揚程對應匹配性的考核可以改為對兩臺泵最小連續(xù)流量對應揚程的考核。

4 結語

綜上所述，離心泵在液體介質(zhì)輸送中占有舉足輕重的作用。性能曲線是離心泵選型的基礎。在設計過程中，除了應關注包括Q、H、NPSHr等額定點參數(shù)本身能否滿足設計需求外，還應根據(jù)實際工況，有針對性地考核泵的整體特性曲線能否滿足設備、裝置穩(wěn)定、正常運行的要求。

[1]陳偉.離心泵工作范圍的確定 [J].流體機械，2005，33（7）： 60-62， 85.

[2]劉虎山.泵性能曲線的形狀對使用的影響 [J].泵工程師， 2014（10）： 42-48.

[3]關醒凡.現(xiàn)代泵技術手冊 [M].北京：中國宇航出版社，1995.

Discussion on the Influence of Performance Curve of Centrifugal Pump on Design and Selection

Zhang Jian

Performance curve is the basis of centrifugal pump type selection.The influence of several parameters in the selection of centrifugal pump,especially multistage centrifugal pump,including minimum continuous flow,closing head and parallel pump performance curve matching have been investigated and discussed for the stability and safety of pumps.

Centrifugal pump;Performance curve;Flow;Closing head;Design pressure;Parallel pump

TH 311

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.006

*張健，男，1984年生，碩士，工程師。成都市，610041。

2017-01-22）