离心泵性能曲线对设计选型影响的探讨

张健

（中国成达工程有限公司）

设计与计算

离心泵性能曲线对设计选型影响的探讨

张健*

（中国成达工程有限公司）

性能曲线是离心泵选型的基础。针对工程中离心泵特别是多级离心泵选型中的几个参数，包括最小连续流量、关闭扬程以及并联泵性能曲线匹配对泵运行稳定性和安全性的影响，进行了研究及探讨。

离心泵 性能曲线 流量 关闭扬程 设计压力 并联泵

性能曲线是离心泵选型的基础，是判断设备能否满足运行要求的基础前提，任何对泵能否满足设计要求的审查，均应当首先对性能曲线能否满足工况要求进行考核。泵典型性能曲线一般包括流量-扬程（Q-H）、流量-效率（Q-η）、流量-必需汽蚀余量（Q-NPSHr）和流量-轴功率（Q-P）四条曲线。对于泵选型的工作区间、NPSHr是否满足等问题，API 610-2010《化工及天然气工业用离心泵》标准中均有对应描述，在此不再赘述，以下仅对工程项目设计过程中发现的、对设备稳定运行有关键影响且容易忽略的几个问题进行阐述及探讨。

1 最小连续流量

最小连续流量包括最小连续稳定流量和最小连续热控流量两个概念，其准确数值一般需要通过实际运行测试得出。离心泵的运行流量不允许长时间小于最小连续流量，否则设备会出现振动及发热等情况。通常最小连续热控流量大于最小连续稳定流量，因此若泵输送流量长期小于最小连续流量，向外输送介质无法完全带走泵运行产生的热量，泵内介质温度将会持续升高，最终导致设备损坏[1]。

在制造厂的报价中，一般是按最佳效率点的30%作为其最小连续流量点。此种方法是较为保守的，一般都有一定裕量，但在实际设计中，也遇到过特殊情况。比如在某项目中，某磁力泵制造厂的曲线和数据表中未标识最小连续流量值，设计时按额定流量的30%估算，最后在出厂试验中发现最小连续流量大于估算值。根据对应数据复查发现，有部分泵额定流量已经接近甚至小于实际最小连续流量，这样设备将无法稳定运行。最终在设计中根据实测数值进行了修正，增加设计了回流管线（流量增大后，选型点向高效区偏移，结合电机余量复算，电机满足要求）。根据实际经验，无论在报价阶段还是资料审查阶段，厂商在性能曲线中往往会忽视对最小连续流量的标识。所以，在选型中若遇到实际操作流量接近泵本身最小连续流量的情况，就需要特别核查选型流量与最小连续流量的裕量，确认能否满足设计及操作要求。

当最小连续流量接近正常工作流量时，可采取通过监测流量或功率的方法保护设备。但是一旦实际流量低于设置流量，就会导致设备跳车，进而影响装置运行。在工程稳定性要求较高时，大多数情况下会采取增加回流的方式，以保证设备稳定运行（如图1所示）。由于不同型号（或厂商）的最小连续流量不同，在小流量工况下，在选型时需要根据泵的实际参数进行复核，以确定实际回流流量。

图1 带最小连续流量保护的系统流程图

以新疆某化工项目为例，下游需要额定流量为1 m3/h，泵最小连续流量Qmin为2.5 m3/h，泵额定流量＜最小连续流量，如按额定流量选型，泵将会出现明显的发热及振动现象，严重缩短其使用寿命，对于如磁力泵及屏蔽泵等无密封泵，将直接导致磁性材料高温退磁以及电机过热等破坏性结果。因此，对应设备必须增加回流旁路加大流量才能正常运行。结合下游有流量需求很小的短期操作工况，泵回流阀及管路可按泵最小连续流量设计，正常操作中回流调节阀全开，回流管路设限流孔板，以保证即使出口阀全关，设备仍能正常使用，从而保证设备长期平稳运行。综上所述，最终泵的选型如图2所示，对应的设备选型按下游需要的流量1 m3/h+泵最小连续流量2.5 m3/h，即按流量3.5 m3/h进行选型。如此选型，设备长期运行效果良好。

图2 额定流量小于最小连续流量的性能曲线选型

由上可见，对于离心泵，特别是流量较小以及选型点偏离最佳效率点较远的工况，需要特别注意在性能曲线中标出泵的最小连续流量，并在选型中审查最小连续流量与选型点之间的操作裕量，如两者过于接近，则需要考虑设置回流管线等保护措施，以免设备损坏。

2 关闭扬程

根据API 610-2010要求，泵最好具有稳定的Q-H曲线（即到关闭点为止，扬程曲线呈连续上升状）。如果买方规定泵并联运行，则必须具有稳定的Q-H曲线。如果规定并联运行，则曲线上的扬程上升量至少应当是额定流量所对应扬程的10%。

以上要求包含几个方面：

（1）扬程曲线应当避免有驼峰，否则设备在调节上不具有自平衡性[2]。如图3所示，泵稳定工作在A点，若有小的扰动，通过系统的流量瞬间增大至A1，对应管网阻力B1大于泵扬程A1，由于这个压差阻力的存在，系统的流量有减小的趋势，泵流量将会回到Q点。反之变化类似，这种曲线有回复到稳定工况的趋势。如图4所示，若泵性能曲线为驼峰状，且泵工作点在驼峰左侧，当出现小的扰动流量后，泵扬程增加速度甚至高于管网阻力增加速度，系统流量反而有增加的趋势，即系统无法自行达到平衡稳定状态，为不稳定系统。图4中的Q1、Q2为同一出口压力对应的两个流量（可能值），操作中无法通过压力值来确认设备当前的工作流量，这种操作很不具有便利性。

图3 稳定泵-管网系统

图4 不稳定泵-管网系统

（2）扬程的陡度应当在合理的区间内，即设备的关闭扬程应大于额定流量扬程，且在并联运行时＞110%，同时一般要求陡度≯20%。而在高扬程多级泵中，由于叶轮级数多，可按照串联方式求取多级泵性能曲线[3]，如图5所示。单级泵Q-H曲线为HⅠ，串联后的Q-H曲线HⅢ陡度也对应增大，故工程中多级泵的流量-扬程曲线往往无法满足对应≯20%的要求。在设计选型中，此要求往往会适当放宽。

图5 相同特性曲线串联

由于多级泵的扬程一般较高，而对应的Q-H曲线相对较陡，通过输送介质密度及关闭扬程换算得出的泵最大出口压力往往相对较高（p出口=p入口+ρgH）。因此，在对应的系统设计中，扬程陡度较大的泵特别是多级泵，需要特别注意关闭压力对泵后设备、管路及仪表设计压力的影响，应复算泵后管路、设备及仪表能否满足泵的关闭压力，否则极有可能出现泵后管路及容器设计压力无法满足泵的关闭压力，最终出现对应设备、管路及仪表超压运行，导致泄漏甚至事故的发生。以某制造厂提供的某项目多级离心泵的性能曲线为例，当最大吸入压力为83.4 PaA、操作温度为150℃、输送介质密度为909.2 kg/m3时，其性能曲线如图6所示。

图6 某项目多级离心泵的性能曲线

计算得出的出口压力见表1。根据HG/T 20592—2009《钢制管法兰（PN系列）》法兰标准（见表2），按额定点扬程，泵出口管道选择Class 900（PN150）等级即可满足承压要求。但是考虑可能出现的关闭点，出口管道压力等级应当对应提升一档为Class 1500（PN260）。如仅按额定流量下扬程进行管道设计，Class 900（PN150）的管道运行时将长时间超压，必然存在安全隐患。

表1 额定点参数与关闭点参数对比

3 并联运行泵的性能曲线匹配性

对于并联运行的泵，在泵型不同的情况下，要特别注意考察泵的性能曲线是否匹配。若选用多级泵，多级叶轮串联后，其性能曲线陡度增加，此时性能曲线是否匹配尤其应予以重视。

以新疆某项目为例，项目共3台锅炉给水泵，分别由2台电机和1台汽机驱动。其中设备2开1备，1台电泵为备泵。为保证蒸汽消耗，根据蒸汽消耗量反推汽泵额定流量，确定汽泵选型。对应的电泵和汽泵额定流量有区别，额定扬程相同。某全球知名制造厂的报价方案对应Q-H性能曲线如图7、图8所示。

表2 材料组别为1.1的钢制管法兰用材料最大允许工作压力（表压）

图7 电动泵（14级叶轮）性能曲线

图8 汽动泵（9级叶轮）性能曲线

从图7和图8中可以看出，虽然电动泵和汽动泵额定扬程均为1 480 m，可以满足额定工况的选型要求，但是两泵叶轮级数差别较大，设备性能曲线有较大差异。高级数的电动泵具有更陡峭的性能曲线（关闭扬程/额定扬程=140%）。根据性能曲线，电动泵关闭扬程约为2 100 m，汽动锅炉给水泵关闭扬程约为1 800 m。经计算可知，电动泵的关闭压力为19.96 MPa，汽动泵为16.5 MPa（介质密度为917 kg/m3，入口压力为0.7 MPa），两者压差高达3 MPa。抛开性能曲线过于陡峭不利于控制调节，单从此方案看并联后设备的操作性，若电泵在使用过程中向低负荷方向调节，例如当流量在180 m3/h的情况时，对应扬程约为1 800 m，对应出口压力已经达到16.5 MPa，此时扬程相当于汽动泵的关闭扬程。由于两泵并联，管网需求压力甚至已经大于汽动泵关闭扬程，汽动泵将无法克服对应阻力向外输送介质，工作点由于已经远远小于泵运行的最小连续流量，汽动锅炉给水泵将会发生振动及发热，最终导致设备抱死损坏。而电动泵此时流量为180 m3/h，只相当于额定流量的63%，属于正常的操作区间。这3台多级泵价值近千万人民币，如果最终采用对应方案，在日常操作中将极有可能发生事故，所造成的损失将是巨大的。另外，在泵组出口设机械式最小流量保护阀的情况下，由于流量保护阀并不是两位阀，其旁路和主路可以协调动作，保证泵组最小流量不低于最小连续流量，因此这时对关闭扬程对应匹配性的考核可以改为对两台泵最小连续流量对应扬程的考核。

4 结语

综上所述，离心泵在液体介质输送中占有举足轻重的作用。性能曲线是离心泵选型的基础。在设计过程中，除了应关注包括Q、H、NPSHr等额定点参数本身能否满足设计需求外，还应根据实际工况，有针对性地考核泵的整体特性曲线能否满足设备、装置稳定、正常运行的要求。

[1]陈伟.离心泵工作范围的确定 [J].流体机械，2005，33（7）： 60-62， 85.

[2]刘虎山.泵性能曲线的形状对使用的影响 [J].泵工程师， 2014（10）： 42-48.

[3]关醒凡.现代泵技术手册 [M].北京：中国宇航出版社，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

*张健，男，1984年生，硕士，工程师。成都市，610041。

2017-01-22）