皮托管泵在小流量超高扬程领域的应用及前景

1、皮托管泵在小流量超高扬程领域的应用及前景第46卷第3期2009年6月化工设备与管道processequipment&pipingvo1.46no.3jun.2009?机械与密封?皮托管泵在小流量超高扬程领域的应用及前景魏宗胜(中国成达工程公司,成都610041)摘要:介绍了皮托管泵的起源,发展简况,结构,工作原理,性能参数及特点.用工程实例,给出了皮托管泵与高速泵和多级泵的技术经济评价表.工程实践表明,在流量250m/h,扬程4001600m范围内,流量越小,扬程越高,皮托管泵的技术优势就越明显.关键词:小流量;超高扬程;皮托管泵;应用;技术经济评价中图分类号:tq051.2文献标识码

2、:a文章编号:1009-3281(2009)03-0024-06applicationofpitotpumpinlowflowandultra-highheadsituationweizong?sheng(chengdaengineeringcorporationofchina,chengdu610041,china)abstract:inthisarticle,theorigination,developmentprocess,structure,workingmechanismandcharacteristicsofpitotpumpwereintroduced.withengineeri

3、nginstance.theengineering-economyevaluationtableforpitotpump.highvelocitypumpandmultistagepumpwaspresented.ithasbeenshownthatwithinthescopeof250ms/hinflowand4ool6oominpressurehead.thelowerflowandthehigherhead,themoreevidentthetechnicaladvantageofpitotpumphas.keywords:lowflow;superhighpressurehead:pi

4、totpump;application;engineering?economyevaluation早在1938年,因二战急需火箭燃料泵,德国和英国开始对小流量超高扬程泵进行研制.因多级离心泵的级数太多,可靠性差;而往复泵高压下压力脉动强烈,且易损件又多,均被否认.研制人员当时提出了两种全新构思的离心泵:barske博士首先提出了高速,开式叶轮,部分流型离心泵方案,避免了以前只是简单将常规离心泵高速化出现的种种故障(高轴向推力,口环磨损的性能下降等);另一全新构思是将叶轮与泵壳联为一体同步回转,当时称为旋转壳体泵的单级离心泵.众所周知,离心泵的基本原理是叶轮回转获得动能,再将动能转化为压力能.小

5、流量超高扬程离心泵的效率之所以低,关键是叶轮的圆盘摩擦损失太大,此项损失与叶轮直径的五次方成正比,与转速的三次方成正比,如果让叶轮与泵壳同步回转,液体在获得动能的过程中圆盘摩擦损失就几乎为零.如何再将动能转化为压力能,当时采用皮托管来完成此能量的转化.但研制成功的这种全新概念离心泵的流量小于5gpm(1.1m/h),且效率低于高速部分流泵,因此未被军方接受.二十多年后,由于理论研究和制造技术有了突破,旋转壳体泵又死灰复燃,并改称为皮托管泵(pi.totpump).近年来,在泵的询价,评标中己发现,对某些小流量,高扬程,皮托管泵的技术性能和价格明显优于高速泵.至今,在我国大学教科书上还未查到皮托

6、管泵的介绍,在我国工业上的应用也还很少,国产的一些低档旋喷泵产品又影响了这种新型泵的正确应用,对该泵的特点,结构,适用范围,使用限制有较深了解的人还不多.本文简要介绍了国内外皮托管泵的起源,发展简况,工作原理,性能参数及特点,并用近两年的三个工程实例,对皮托管泵与高速泵和多级泵的技术经济性进行对比,以期在小流量超高扬程泵选型时,增加一种性价比可能更高的品种.1国内外皮托管泵的发展简况1960年美国kobe公司开始研制皮托管泵,经过十年的开发研究,皮托管泵的理论研究和皮托管收稿日期:2009-01-05;修回日期:2009-01-20作者简介:魏宗胜(1941一),男,四川成都人,教授级高工.主

7、要从事机泵专业的工程设计.2009年6月魏宗胜.皮托管泵在小流量超高扬程领域的应用及前景?25?的制造技术有了突破,取得了35项专利,并于1970年将产品正式投入生产.el前该新型泵的专利权属于美国enviro公司.德国sterling公司和荷兰begemannpompenb.v.公司制造的皮托管泵为enviro公司所转让的早期两种型号:cwhb(相当于r11),cwha(相当于ro).其结构和外形尺寸几乎一样,但效率比enviro公司对应规格要低几个百分点.enviro公司更先进的rd11,2100,2200等泵型未见向其他公司转让.我国甘肃工业大学从1994年开始,最早进行了旋喷泵(即皮托

8、管泵)的理论和试验研究j.清华大学,华中科技大学,上海理工大学,西华大学,上海大学,浙江电子科技大学等也相继对这种新概念泵的关键部件皮托管和叶轮进行了深入研究和试验.最早推向市场的是北京化工机械厂,该厂20世纪90年代研制的旋喷泵用于天津炭黑厂,并设计了流量为320m/h,扬程为280340m,xpb系列旋喷泵j,后来因用在炭黑厂介质的可靠性不高等原因,现已停止制造.较早且小批量推向市场的是四川省机械研究设计院,该院2000年研制的第一台旋喷泵开始用于四川化工总厂,按该院的旋喷泵业绩表,最高扬程达到585m,应用的输送物料品种也较多,但因受制造条件的限制,该院旋喷泵的效率与美国皮托管泵的差距还

9、很大.2002年山东长志泵业有限公司开始研制lg-2/130型管道式旋喷泵,用于输送激冷水,历时两年多取得成功,但扬程仅130m,效率较低引.中国农业机械化科学研究院研制的r系列旋喷泵,样本上的最高扬程850m,最大流量100m/h,但已用于生产中的业绩少.2006年12月笔者参加了中石化对江苏海狮泵业公司旋壳泵(即皮托管泵)的鉴定会,获知虽然该公司研制皮托管泵起步晚,2005年第一台旋喷泵才用于淮安清江石化公司,但起点较高,制造装备较先进,主要件均用数控机床加工,关键的皮托管用特殊铸造工艺铸造.从我公司几项工程项目国内外几家皮托管泵厂报价数据来看,海狮泵业公司的皮托管泵的效率在国内属最高,配

10、套电机功率最小,与美国皮托管泵的效率差距已缩小,目前已经工业应用的输送物料有:锅炉给水,氨水,醋酸,甲醇,尿素,环已醇,醇酮,nmp溶剂,石脑油,异丁烷,二甲苯,汽油,丙酮,多异丙苯,凝缩油,二乙醇胺,液化石油气,碳铵液,液氨等.但海狮泵业公司已用于工业生产的旋壳泵最高扬程目前仅达到920m,与美国皮托管泵的最高扬程1581m相比,还有不小的差距.2结构,工作原理与性能范围2.1结构皮托管泵由转子部件,皮托管,轴承座部件,外壳体和进出液管等部分组成,如图1所示.轴承座部件与常规的离心泵相同.过流件叶轮和转鼓(相当于离心泵的泵壳)联成一体,用螺栓固定在主轴上构成转子部件.转鼓的外围有外壳体起保护

11、罩作用,用螺栓固定在轴承座上,因不接触输送介质,用铸铁或铸钢材料制造.外壳体的右端盖上固定机械密封,进液管和出液管.核心件皮托管固定在出液管上,从轴线伸到接近转鼓的圆筒内壁处.该泵仅在叶轮人口与进液管之间设有机械密封,用于密封泵的进口低压力,泵出口的高压用皮托管右端外侧的o形圈密封,因皮托管是静止的,此高压静密封很容易解决.主轴转鼓皮托管叶轮图1皮托管泵剖面2.2工作原理要加压的液体从进液管进入叶轮,因叶轮高速回转而获得动能,液体从叶轮外围沿轴向进入转鼓的外围,高速液体从位于转鼓最外围处的皮托管的入口进入.因皮托管的横截面积逐步扩大,液体流速逐步降低,从而将液体的动能转化为压力能.最后从出液管

12、排除高压液体.由于叶轮与转鼓是联为一体同步回转,因此液体在获得动能的过程中,无圆盘摩擦损失,这是该新型泵比相同超低比转数的高速泵和多级离心泵效率高得多的根源所在.皮托管内流道设计以及尺寸精度和光洁度是决定动能转化为压力能效率高低的关键因素.皮托管的外部形状为翼型断面,以使绕流阻力最小.?26?化工设备与管道第46卷第3期2.3性能范围美国enviro公司的皮托管泵,仅五种泵型的单级泵就能覆盖很广的工作范围(流量2160m/h,扬程不大于1600m).只要改变皮托管入口直径,皮托管根数和泵转速,就能满足不同流量和扬程的要求,并使泵在高效区运行.美国enviro公司皮托管泵性能参数见表1.表1美国

13、enviro公司皮托管泵性能参数3皮托管泵的特点该新型泵以其独特的泵理论为基础和特殊的加工手段,使之具有如下特点:(1)效率高,运行费用低.泵效率比相同流量和扬程的高速泵高,泵的比转数越低,效率提高的幅度越大,因此,泵的运行费用降低.泵的最小连续流量很小,对重要工序泵,设置最小流量回流保护措施时,可减少回流功率损失,减少回流管线和阀门的费用.(2)可靠性高,维修费用低.第11届国际泵技术会议的一篇论文指出:化工泵故障大约90%是由于机械密封和轴承失效所致.该新型泵解决了化工泵的这一薄弱环节:机封寿命长.决定机封寿命长短的重要因素是pv值.虽然皮托管泵的排出压力很高,但机封只需密封压力低的泵进口

14、压力,泵转速又比相同参数的高速泵低得多,因此,机封的pv值也比高速泵低得多.轴承寿命长.转子的径向力和轴向力较小,且与流量的关系很小(与常规离心泵的显着区别).泵运行平稳,轴承载荷稳定.取消了常规离心泵转子与轴承座之间的轴封,机封泄漏不会污染轴承.维修容易.机封在泵端部,拆装容易.泵易损件较少,核心的皮托管用高强度,高硬度不锈钢制造,寿命长.皮托管泵为单级,远比零件多,结构复杂,要两处机封的多级泵易维修.(3)初次投资费用较低.从笔者所在公司几项工程泵的询价情况看,相同参数和材质,进口皮托管泵的报价比进口高速泵或多级泵低得较多.(4)调节流量方便.扬程.流量性能曲线的形状与常规离心泵相近,扬程

15、曲线平坦,即在较宽流量范围内,扬程变化小,因此调节泵出口阀门开度容易改变泵的流量.通常低比转数离心泵的扬程流量性能曲线的驼峰现象可以消除,避免泵运行时的不稳定工况.(5)液体输出无脉动.克服了大流量计量泵和往复泵的脉动现象,而价格相当.(6)备件费用低,交货期短.enviro公司皮托管泵系列产品零部件的通用性和互换性很高,只需改变皮托管直径,根数和转速就能大幅度改变泵的参数,因此一家用户如使用多种规格的皮托管泵,其备件的种类和数量远比常规离心泵少得多,降低了备件库存费用.整泵及备件的交货期短(整泵1416周,备件4周).4技术经济对比以及工业应用实例以国内某研究所的小流量和大流量两种规格高速泵

16、与相当参数的皮托管泵进行性能对比,详见表2.从表2可见,皮托管泵的效率比高速泵高得多,在小流量和超低比转数时,差距巨大,达到相同参数,皮托管泵的转速低得多,皮托管泵不加诱导轮就能达到较低必需汽蚀余量.此外,皮托管泵的最小连续流量很小,可减少泵最小流量保护的回流功率损失.但在大流量和扬程不高时,皮托管泵的效率优势减弱.2009年6月魏宗胜.皮托管泵在小流量超高扬程领域的应用及前景?27?下面用近两年的三个工程实例,对皮托管泵与高速泵和多级泵的技术经济性进行对比.其中的数据来源于投标文件和开标价.(1)某1500t/d合成氨装置co汽提塔回流泵,流量27.4m/h,扬程411m,介质相对密度0.9

17、92,材料316ss.美国皮托管泵与sundyne高速泵技术经济评价(2007年报价数据),见表3.(2)某醋酸装置ncrbrd泵,流量4.1m/h,扬程460m,介质相对密度1.皮托管泵与高速泵技术经济对比见表4.皮托管泵与多级泵技术经济对比见表5.(3)某炼油装置航空煤油泵,流量8m/h,扬程750m,介质航空煤油(相对密度0.8).国产旋壳泵与国产高速泵技术经济对比见表6.表3美国皮托管泵与sundyne高速泵技术经济评价注:按电费0.48(kw-h),年运行8000h,皮托管泵年节电费为(61.347.6)x8ooox0.48=5.3万元.开标价为cif上海港,已含开车备件费,两年备件

18、费,关税10%,增值税17%.表4皮托管泵与高速泵技术经济对比注:皮托管泵年节电费为(26.211.9)80000.48:5.5万元?28化工设备与管道第46卷第3期效率/%轴功率/kw泵结构机械密封泵备件43.2l1.91个叶轮,1个转鼓机封在泵进口端部,密封泵的进口压力泵零件少,备件少,皮托管寿命>15年22额定23.311个叶轮,l1个导叶,22套密封环,1个平衡盘泵两端有机封,平衡盘磨损后,泵出口的密封压力升高泵备件太多皮托管泵的效率高8l1.5个百分点,运行费低皮托管泵年节电费4.4万元多级泵级数太多,同型号轴径相同,级数太多,轴挠度大,故障率增高,维修麻烦换机封:多级泵麻烦,

19、皮托管泵容易.皮托管泵机封泄漏,不污染轴承多级离心泵备件费用高注:皮托管泵年节电费为(23.3一l1.9)80000.48=g.4万元.表6国产旋壳泵与国产高速泵技术经济对比注:皮托管泵年节电费为(50.336.5)80000.48=5.3万元.5皮托管泵选型和使用中的注意事项根据近几年在工程设计中对皮托管泵的选型和实际运行中的体会,提出以下注意事项:(1)介质含固量的限制.大于1%不宜采用,因皮托管人口处速度很高,磨损后入口直径变大,泵性能将发生变化(流量加大,扬程降低不多,轴功率上升),因此,介质含固量大于1%时不应采用.(2)皮托管泵无自吸能力.泵应布置成倒灌方式,否则需用真空泵引液.皮

20、托管的人口应位于转鼓的顶部,泵启动前应排尽气体,保证泵体内充满液体.(3)皮托管泵的汽蚀性能.与离心泵不同,皮托管泵的npshr与转速的关系很小,美国enviro公司皮托管泵的性能曲线图上,各种转速的npshr曲线仅一条,仅随流量的增大而加大;流量小于20m/h时,npshr为1.53m;大流量时皮托管泵的npshr较高,甚至很高.这是皮托管泵大流量时的缺陷,如加大npsha办不到,又拟选用时,可在泵人口串联一台同流量的低扬程泵.(4)皮托管泵的轴功率限制.皮托管泵的轴功率.流量特性曲线与离心泵相似,轴功率随流量的增大而加大,应从性能曲线图上查出最大流量的轴功率乘介质相对密度后,既不可超过电机

21、额定功率,也不可超过所选型号泵规定的最大轴功率.(5)皮托管泵的转向单一性.转向反了扬程很低,不能使用.(6)变频电机驱动皮托管泵的节能和节资优势.近年来国内外有变频电机驱动皮托管泵的产品,取消了增速箱,使泵小型化.既然用了变频电机,如原设计在泵的出口侧设置了调节阀,就可取消,原送至调节阀的420ma信号,改送至变频器即可.按国内外工程公司通用的设计手册或调节阀手册,分配到调节阀上的压降应占系统压降(包括调节阀)的25%一50%,其值大于70kpa,方能保证调节阀可靠运行,而且有良好的调节质量.如取消了调节阀,则应将系统专业计算泵的压差时所取的调节阀压降扣除,从而降低泵的扬程.另一好处是避免了

22、低相对密度介质用泵,电机功率过大的普遍现象.因为现场是用水试车做机械运行检验,因此对普通电机,大多按相对密度为1选电机.但对变频电机,可降低频率降转速进行清水试车,可不按相对密度为1选电机.6结束语在流量250m/h,扬程4001600m的小流量超高扬程领域,由于皮托管泵将叶轮与转子腔联为一体同步回转,因此液体在获得动能的过程中,无(下转第44页)?44?化工设备与管道第46卷第3期位移在节点lo处设置了导向架,其他节点处的弹簧设置就不再赘述.节点200,250,310处设置了补偿器.节点200处的补偿器所在的立管高5ill,补偿器与下端弯头直接焊接.管道热运行时,受补偿器推力作用立管会沿着+

23、方向有很大的热位移,还会使偶然应力超标.如果在补偿器上方尽量近的地方(节点190处)设置限位架,能非常合理地解决问题.+70440/一/-鲁/.f笔,图9三个旋转式补偿器成组的布置7结束语旋转式补偿器非常适用于蒸汽和热水管道,其优点是:(i)密封性非常好,安全可靠.(2)补偿量非常大,可达1.2in.(3)容易布置,安装方便.(5)占据空间小,美观.(6)长期运行不需维护.(7)不产生盲板力,特别适用于大口径管道.(8)具有自密封结构的旋转式补偿器,特别适用于高温高压的蒸汽管道.(9)供货周期短.(i0)管道压降小,运行成本低.(ii)节约工程投资,经济效益显着.参考文献i施振球.动力管道设计手册m.北京:机械工业出版社,20o6.2dut5054-1996,火力发电厂汽水管道设计技术规定s.(上接第28页)圆盘摩擦损失.这是该新型泵比相同超低比转数的高速泵和多级离心泵效率高得多的根源所在.另一核心技术是皮托管的设计方法和制造技术,这是决定动能转化为压力能效率高低的关键,这也是国内不同厂皮托管泵产品性能差异大的主因.与高速泵和多级泵相比,在小流量和超高扬程时,皮托管泵的技术优势较明显,价格也低些.在小流量超高扬程泵选型时,应增加这种性价比可能更高的品种,进行多种泵型的技术经济评价.但流量超过1001