CN113094835B - 一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，属于离心泵领域。为解决输送易汽化液体高扬程离心泵的技术缺陷：转子检修难度很大、机封要密封泵出口高压，技术方案是：一个叶轮的立式筒袋泵在地下，叶轮进口在地下的深度应满足抗汽蚀要求，该泵出口与地面上一个叶轮的皮托管泵进口连接，设计方法：步骤一，立式筒袋泵进口接管中心线到叶轮进口的深度h1用公式1计算；步骤二，提高皮托管泵进口压力防止汽蚀，用公式2计算立式筒袋泵的扬程H1；步骤三，计算皮托管泵的扬程H2，筒体外流道的横截面积是内流道横截面积的4～4.5倍。本设计方法，还适用于地下一级立式筒袋泵与大流量、高转速、NPSHr大、易检修的轴向剖分式多级离心泵串联的机组。

Description

一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法
技术领域
本发明属于离心泵的设计方法，具体涉及到乙烯装置和LNG装置输送易汽化液体的高扬程离心泵的设计方法。
背景技术
乙烯是石化工业最重要的基础原料之一，乙烯装置是石化工业的“龙头”，生产出来的液态乙烯输送到储罐储存，因为储罐容积数万立方米，只能安放在地面上。液化天然气(LNG)海运到港口的LNG接收站，再转到大型LNG储罐。立式筒袋泵(以下简称VS6泵)是这两个装置关键的输送泵，因输送泵进口法兰处的液态乙烯和LNG已接近汽化状态，只能将输送泵的首级叶轮降到地下，利用液柱的静压增加首级叶轮进口压力，比进液汽化压力高，保证液体不会汽化，即是增大了防止汽蚀的有效汽蚀余量NPSHa。
我国的VS6泵大量从国外进口，典型的是苏尔寿公司TTMC系列立式筒袋泵，如本说明书附图1所示，美国荏原公司和J.C Carter公司LNG高压输送泵，如本说明书附图2所示。国内外VS6泵有两大技术缺陷：
其一，转子检修难度很大。因为各级叶轮与各级导叶体和各级泵壳交错布置，转子动平衡前必须全部解体，再将各级叶轮装在轴上进行动平衡；合格后又要全部解体，各级叶轮才能与各级导叶体和泵壳交错装成芯包；再将芯包吊进地下的外筒体内。可见如此复杂的转子检修和动平衡程序，对装配技术水平要求非常高，泵的检修必须将将泵运到原制造厂进行，才能保证转子动平衡精度和同心度不降低。CN101,303,027A一种立式多级筒袋泵，首级叶轮采用双吸叶轮，并在叶轮的两个入口装诱导轮，提高泵的抗汽蚀性能。CN103,603,812A低温立式多级高压潜液泵是针对LNG装置用泵。CN101,225,833A立式筒袋式凝结水泵等发明专利都是采用常规设计方法，未抛弃立式筒袋泵的叶轮级数很多的传统结 构，转子检修难度很大的难题均未解决。
从百度网站搜索到《极易汽化介质立式筒袋泵的工程实例》一文，新疆神华P-202A/B乙烯输送泵，美国ITT公司为提高泵效率用28级叶轮。在泵底座的下表面处NPSHa＝1.45m，泵底座的下表面至首级叶轮的进口的高差为3.2m，泵外筒与泵壳之间环形通道的压力降Δh＝0.1m，首级叶轮的进口标高处的NPSHa增大为NPSHa＝1.45+3.2-0.1＝4.55m。该泵的必需汽蚀余量 NPSH3为1.72m，将NPSHa和NPSH3统一到同一基准面(首级叶轮进口)后，防汽蚀的富裕量 (NPSHa-NPSH3)＝4.55-1.72＝2.83m。轴细长，转子检修困难。该泵28级叶轮，上部球轴承、中部两处滑动轴承和下部滑动轴承支撑。
其二，机械密封要密封泵出口高压。2011年化工出版社”工业泵选用手册(第二版)“第318 页，LNG接收站用的高压输送泵，早期用配装机封的传统VS6泵，目前的主流泵型是将电机和整个泵安装在泵罐内，电机和泵共轴，无动密封，避免因机封失效带来的诸多问题。本说明书附图2，美国J.C Carter公司LNG高压输送泵的剖面图，与CN103,603,812A低温立式多级高压潜液泵的结构相似。从图可见，电机和泵是一根轴，电机转子和泵转子需一起动平衡，泵的检修必须送国外原制造厂，要保证转子动平衡精度不降低，并非易事。
申请人认为，既然输送易汽化液体的高扬程VS6泵必须将泵的首级叶轮降到地下，以便解决泵的汽蚀问题，为解决上述两大难题，可将地下的VS6泵只设计为一个叶轮，再串联地面上的成熟可靠的离心泵。经检索发现，美国威尔特种泵公司的T.L.Angle发明的用开关磁阻调速电机驱动的皮托管泵发明专利US 6,817,845于2004.11.16授权，题为“A newunique high pressure pump system(一种新颖独特的高压泵系统)”论文，发表在“Proceedings of the 22th International pump users symposium.2005”上。该论文图3，D 600型皮托管泵性能曲线图，转速5443rpm时，高效区效率66％的流量99.9～113.6m3/h、扬程1094～991m、NPSHr＝18.3～19.8m。抗汽蚀性能很差是突出的缺陷。该公司RO-D850型皮托管泵，流量150m3/h时的NPSHr高达26m，输送易汽化液体的皮托管泵，仅仅在小流量工况上已成功应用，限制了制造成本低、高扬程、高效皮托管泵的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于，将高扬程VS6泵的叶轮从十多级减为一级，再与放在地面上的仅一个叶轮的高扬程、高效皮托管泵进行组合，两种泵彼此相互支持，发挥各自的优势，消除各自的缺陷。克服了本说明书附图1和附图2揭示出的高扬程VS6泵的两大缺陷(叶轮级数多，转子检修难度很大；机械密封要密封泵的出口压力)，又克服了中、大流量皮托管泵抗汽蚀性能很差的缺陷，发挥皮托管泵机械密封仅密封泵的进口低压力(本说明书附图4皮托管泵剖面图的件号 4-机械密封)，即一个叶轮的VS6泵出口低压；本说明书附图4，出口高压用两件静止的件号 3-集流管水平段的外径与件号1-联接头内径之间的件号2-O形密封圈来密封，可靠性显著提高。经本发明人长时间大量搜索，这种均为一个叶轮的VS6泵与皮托管泵组合，用于输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，在国内外尚未发现，新颖性、创造性突出，由于是利用成熟、可靠、先进的两种类型泵的组合，能产生积极效果，有利于本专利推广，符合专利法对实用性的规定。为便于充分理解，先对本发明申请的设计方法说明如下。
美国国家标准/水力学会标准ANSI/HI 9.6.1-2012“离心泵NPSH裕度指南”的规定，应在整个允许工作范围内的NPSH裕度满足要求，不同泵型式的要求相同，本申请两种离心泵的 NPSH裕度均按至少1m。为减小VS6泵的地下深度，外筒直径一定时，按筒体外流道的横截面积是内流道横截面积的4～4.5倍设计，筒体外流道的流速按0.15～0.2m/s设计，因为VS6泵的内外筒体为机加工，壁面较光滑，外流道的水力损失0.01～0.02m。按API 610标准对有效汽蚀余量NPSHa的定义，在所选基准面上，泵进口绝压减去液体汽化压力之差，用扬程(m)表示。
本发明的设计方法如下：
一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，其特征是：一个叶轮的立式筒袋泵布置在地下，叶轮进口在地下的深度应满足抗汽蚀的要求，该泵出口与地面上的仅一个叶轮的皮托管泵进口连接，具体设计方法按如下四个步骤进行：
步骤一，计算VS6泵进口接管中心线到叶轮进口的深度h1：
h1＝NPSHr1-(Ps1-Pv)×102÷γ+ΔH1+1 公式(1)
式中：NPSHr1一叶轮进口处的必需汽蚀余量，m；
Ps1-泵进口接管中心线处的压力，MPa.A；
Pv-液体的汽化压力，MPa.A；
γ-液体的比重，无因次；
ΔH1-VS6泵内外筒体之间外流道的水力损失，按0.01～0.02m设计。
步骤二，用提高皮托管泵进口压力防止其汽蚀，用公式(2)计算VS6泵的扬程H1：
H1＝[NPSHr2-(Ps1-Pv)×102÷γ]+ΔH1+ΔH2+1 公式(2)
式中：NPSHr2-皮托管泵叶轮进口处的必需汽蚀余量，m；
ΔH1-VS6泵内外筒体之间外流道的水力损失，按0.01～0.02m设计；
ΔH2-VS6泵内筒与轴之间内流道的水力损失，m，
ΔH2＝[0.3164{(3.54×10-4Q÷(D3+D4))×ρ÷μ}-0.25]×h2× [3.54×10-4Q÷(D3 2-D4 2)]2÷(D3-D4)÷2g 公式(3)
式中：Q-流量，m3/h；
ρ-液体的密度，kg/m3；
D3-VS6泵内筒的内径，m；
D4-VS6泵轴的外径，m；
μ-液体的动力粘度，kg/m.s；
h2-VS6泵进口接管中心线到叶轮外径上沿的深度，m；
g-重力加速度，m/s2；
其中：VS6内筒体与轴之间环形流道的雷诺数范围为2320＜Re＜105，Re＝C.DH.ρ/μ，其中C为流速，m/s；DH为环形横截面流道的水力直径＝流道的横截面积除以浸润周边的4倍，m；ρ为密度，kg/m3；μ为动力粘度，kg/m.s。
步骤三，计算皮托管泵的扬程H2：
H2＝H-H1+ΔH1+ΔH2 公式(4)
式中：H-泵的总扬程，m；
步骤四，计算两泵的功耗
轴功率Ps(kW)＝比重×流量(m3/h)×扬程(m)÷3.6÷102÷效率 公式(5)
本发明的设计方法，筒体外流道的横截面积是内流道横截面积的4～4.5倍，筒体外流道的流速按0.1～0.25m/s设计，外流道水力损失0.01～0.02m。
本申请专利的设计方法，皮托管泵采用双集流管，用开关磁阻调速电机驱动。
本申请专利的设计方法，也适用于布置在地下的一个叶轮的立式筒袋泵，与大流量、高转速、NPSHr大、易检修的轴向剖分式多级离心泵串联的机组。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1.将国内外现有输送易汽化液体的高扬程VS6泵的叶轮级数从10多级减为1级，避免了因为各级叶轮与各级导叶体和泵壳交错布置，转子动平衡前必须全部解体，动平衡合格后又要解体，各级叶轮才能与各级导叶体和泵壳交错装成芯包，检修难度很大。
2.将现有VS6泵的机械密封要密封泵的出口高压，改为后置皮托管泵机封仅密封该泵的进口压力，即一个叶轮的VS6泵的出口低压，而出口高压用两件静止件之间的O形密封圈密封，可靠性提高。
3.克服了现有中、大流量皮托管泵抗汽蚀性能很差的突出缺陷，扩大了低成本、高效率皮托管泵的使用范围。
4.将地下一级的VS6泵与地面上的仅一个叶轮的高扬程、高效皮托管泵串联，总功耗略为增加，但制造成本大降，检修方便、可靠性提高。
5.皮托管泵采用双集流管，既能满足大流量工况的需求，又克服了单集流管所受径向力不平衡的缺陷。皮托管泵采用开关磁阻调速电机驱动，有利于与VS6泵扬程分配的优化和用户对泵流量和扬程的调节，因为电机转子无绕组成本低、不存在高速旋转绕组变形，转子转动惯量小，适合高速运转。
6.本专利申请的设计方法，也适用于地下一级的VS6泵与大流量、高转速、NPSHr大、易检修的轴向剖分式多级离心泵(BB3型)串联的机组。此型泵的泵体口环也是轴向剖分式，进出口接管在下泵体上，避免VS6泵各级叶轮与导叶体和泵壳交错布置的缺陷，吊开上泵壳就可检修转子，转子动平衡后不需解体，即可装入下泵壳内，动平衡精度无变化。因为有一级的VS6 泵提高了BB3泵的进口压力，避免了此泵NPSHr大、易汽蚀的危险。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。本申请的附图共5页：
附图1.瑞士苏尔寿公司TTMC型VS6泵剖面图(现有技术)。
图1标记：1-下部滑动轴承、2-第1级叶轮、3-第1级导叶体和泵壳、4-泵轴、5-外筒体、6-中部滑动轴承、7-第12级叶轮、8-第12级导叶体和泵壳、9-上部滑动轴承、10- 轴向力平衡鼓、11-角接触球轴承。
附图2.美国J.C Carter公司LNG高压输送泵剖面图(现有技术)。
图2标记：1-下部滑动轴承、2-第1级叶轮、3-第1级导叶体和泵壳、4-第2级叶轮、5-第2级导叶体和泵壳、6-泵内筒体、7-泵轴、8-第16级叶轮、9-第16级导叶体和泵壳、 10-第17级叶轮、11-电机轴、12-电机转子绕组、13-电机定子绕组、14-电机外壳体、15- 电机上部滑动轴承、16-泵出口接管、17-泵顶盖、18-泵进口接管、19-泵外筒体。
附图3.VS6泵剖面图。
图3标记：1-放液管、2-下部滑动轴承、3-液体下进口、4-叶轮和泵体密封环、5-1级叶轮、6-空间导叶体、7-泵内筒体、8-泵外筒体、9-泵轴、10-机械密封、11-角接触球轴承、12-电机座、13-电机。
附图4.皮托管泵剖面图。
图4标记：1-联接头、2-O形圈、3-集流管水平段、4-机封部件、5-机封座套、6- 保护盖、7-叶轮、8-双集流管、9-转鼓、10-保护壳、11-键、12-连接轴套、13-开关磁阻调速电机。
附图5.VS6泵与皮托管泵串联的总装图。
图5标记：1-VS6泵、2-皮托管泵、3-螺栓螺母和垫圈、4-公用底座、5-螺栓螺母和垫圈。
具体实施方式
下面针对百度网站搜索到的“极易汽化介质立式筒袋泵的工程实例”一文中的一项工程实例和本说明书附图3，对本发明的设计方法作详细说明，以利于公众充分理解和实现本发明的设计方法。
中石化某公司乙烯项目，乙烯液体输送泵。液态乙烯的物性：温度-35℃、比重0.449、汽化压力1.69MPa.A、粘度0.077cP。泵参数：流量100m3/h、扬程977m、转速2980RPM，、泵进口接管中心线处的压力1.694MPa.A、此处乙烯的压力仅比汽化压力高0.004MPa，乙烯临近汽化状态有汽蚀危险，必须将首级叶轮降到地面以下。泵型号TTMC 80-230(B)×13、叶轮13 级、效率68％、轴功率(额定175kW，最大224kW)、电机额定功率250kW、首级叶轮进口处的必需汽蚀余量NPSHr＝2.5m、叶轮外径228m、外筒体内径0.5m。
以下用本申请专利的设计方法，对上述泵的改进作详细说明，以利于理解此设计方法。
步骤一：VS6泵进口接管中心线到叶轮进口的深度h1按公式(1)计算：
h1＝NPSHr1-(Ps1-Pv)×102÷γ+ΔH1+1m 公式(1)
式中：NPSHr1-叶轮进口处的必需汽蚀余量，2.5m；
Ps1-泵进口接管中心线处的压力，1.694MPa.A；
Pv-液态乙烯的汽化压力，1.69MPa.A；
γ-液态乙烯的比重，0.449；
ΔH1-内外筒体之间外流道的水力损失按0.01m设计。
将上述数据代入公式(1)，计算出h1＝2.601m。
步骤二：用提高皮托管泵进口压力防止其汽蚀，用公式(2)计算VS6泵的扬程H1：
根据第22届国际泵用户研讨会论文的图3，选择到最合适可靠的D 600型皮托管泵，按该泵的性能曲线图，流量100m3/h时的必需汽蚀余量NPSHr2＝16.8m，计算应为皮托管泵提供的有效汽蚀余量NPSHa2。按离心泵额定点(NPSHa2-NPSHr2)的裕度为1m。
H1＝[NPSHr2-(Ps1-Pv)×102÷γ]+ΔH1+ΔΔH2+1 公式(2)
式中：NPSHr2-皮托管泵叶轮进口处的必需汽蚀余量，m；
ΔH2-VS6泵内筒与轴之间内流道的水力损失，m，用公式(3)计算：
ΔH2＝[0.3164{(3.54×10-4Q÷(D3+D4))×ρ÷μ)}-0.25]×h2×[3.54×10-4Q÷(D3 2-D4 2)]2÷(D3-D4)÷2g 公式(3)
式中：Q-流量，100m3/h；
ρ-液态乙烯的密度，449kg/m3；
D3-立式筒袋泵内筒的内径，0.21m；
D4-VS6泵轴的外径，0.04m；
μ-液态乙烯的动力粘度，0.077cP＝0.077×10-3kg/m.s
h2-VS6泵进口中心线到叶轮外径上沿的深度，本实施例h2＝2.5m；
g-重力加速度，9.81m/s2。
将上述数据代入公式(2)和公式(3)，计算出H1＝17.29m，为安全取为18m。
步骤三，计算皮托管泵的扬程H2：
H2＝H-H1+ΔH1+ΔH2 公式(4)
式中：H-泵的总扬程，977m。
H2＝959.21m，
步骤四，计算两泵的功耗：
轴功率Ps(kW)＝比重×流量(m3/h)×扬程(m)÷3.6÷102÷效率 公式(5)
VS6泵：流量100m3/h、扬程18m、转速2900RPM、比转数较高属于混流泵，附图3.VS6泵剖面图已表示，用混流式叶轮配三元扭曲叶片的空间导叶体，泵效率68％，轴功率Ps1＝3.24 kW。
皮托管泵：按第22届国际泵用户研讨会论文的图3皮托管泵的性能曲线图，流量100m3/h、扬程959.21m时的效率66％，泵的轴功率Ps2＝177.7kW。
两泵的总轴功率＝180.95kW。本方案增加5.95kW，增加3.4％
本发明技术方案与某公司乙烯液体输送泵的比较表 (相同设计条件：液态乙烯比重0.449、流量100m3/h、扬程977m)
Figure GDA0003588873710000061

Claims (4)

1.一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，其特征是：一个叶轮的立式筒袋泵布置在地下，叶轮进口在地下的深度应满足抗汽蚀的要求，立式筒袋泵出口与地面上的仅一个叶轮的皮托管泵进口连接，具体设计方法按如下四个步骤进行：
步骤一，计算VS6泵进口接管中心线到叶轮进口的深度h1；
h1=NPSHr1-(Ps1-Pv )×102÷γ +△H1+1 公式(1)
式中：NPSHr1—叶轮进口处的必需汽蚀余量，m；
Ps1—泵进口接管中心线处的压力，MPa.A；
Pv—液体的汽化压力，MPa.A；
γ—液体的比重，无因次；
△H1—VS6泵内外筒体之间外流道的水力损失，按0.01~0.02 m设计；
步骤二，用提高皮托管泵进口压力防止其汽蚀，用公式(2)计算VS6泵的扬程H1；
H1 =[NPSHr2-(Ps1 - Pv)×102÷γ ]+△H1+△H2 +1 公式(2)
式中：NPSHr2—皮托管泵叶轮进口处的必需汽蚀余量，m；
△H1—VS6泵内外筒体之间外流道的水力损失，按0.01~0.02 m设计；
△H2—VS6泵内筒与轴之间内流道的水力损失，m，
△H2=[0.3164{(3.54×10-4 Q÷(D3+D4))×ρ÷μ}-0.25] ×h2×
[3.54×10-4Q÷(D3 2-D4 2)]2÷(D3-D4)÷2g 公式(3)
式中：Q—流量，m3/h ；
ρ—液体的密度，kg/m3；
D3—VS6泵内筒的内径，m；
D4—VS6泵轴的外径，m；
μ—液体的动力粘度，kg/m.s；
h2—VS6泵进口接管中心线到叶轮外径上沿的深度，m；
g—重力加速度，m/s2；
其中：VS6内筒体与轴之间环形流道的雷诺数范围为2320＜Re＜105，Re=C·DH·ρ/μ，其中C为流速，m/s；DH为环形横截面流道的水力直径=流道的横截面积除以浸润周边的4倍，m；ρ为密度，kg/m3；μ为动力粘度，kg/m.s；
步骤三，计算皮托管泵的扬程H2；
H2 = H-H1+△H1+△H2公式(4)
式中：H—泵的总扬程，m；
步骤四，计算两泵的功耗：
轴功率Ps =比重×流量×扬程÷3.6÷102÷效率公式(5)
其中，轴功率Ps单位kW，流量单位m3/h，扬程单位m。
2.根据权利要求1所述的一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，其特征是：筒体外流道的横截面积是内流道横截面积的4~4.5倍，筒体外流道的流速按0.1~0.25 m/s设计，外流道水力损失0.01~0.02 m。
3.根据权利要求1所述的一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，其特征是：皮托管泵采用双集流管，用开关磁阻调速电机驱动。
4.根据权利要求1所述的一种输送易汽化液体高扬程离心泵的设计方法，其特征是：也适用于布置在地下的一个叶轮的立式筒袋泵，与大流量、高转速、NPSHr大、易检修的轴向剖分式多级离心泵串联的机组。
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