作者：罗志、何备荒， 湖南天一奥星泵业有限公司

摘要：指出了当前输送易气化VS6泵存在的两项技术缺陷，按今年6月授权的“输送易气化液高扬程离心泵的设计方法”发明专利，对小、中流量的高扬程VS6泵，采用地下一级VS6泵，与地上一个叶轮的高扬程、高效皮托管泵串联；对中、大流量的高扬程VS6泵，采用地下一级VS6泵，与地上高转速BB3泵串联。针对茂名石化公司15级VS6乙烯产品泵，提出了地下一级VS6泵与地上高速四级BB3泵串联的创新方案，给出了详细的计算步骤。结果表明，创新方案的叶轮总级数减为三分之一，BB3泵转子动平衡后不解体装入泵内，动平衡精度无变化，泵检查和检修方便，泵的总功耗仅增加12.4kW (4.1%)。选用1480rpm的VS6泵，汽蚀比转速C=1080 (5.62，m3/s，rpm，m)，抗汽蚀性能优秀；BB3泵的C=980，兼顾了泵效率和抗汽蚀性能。

关键词：立式筒袋泵；技术缺陷；发明专利；设计方法；BB3泵；汽蚀比转速   

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”，生产的液态乙烯用泵输送到储罐储存，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）是另一个类极易气化的介质，据国家发改委、国家统计局和海关总署发布的数据，2021年我国天然气对外依存度高达44.9%，其中LNG进口量占天然气总进口量的65%，进口的LNG海运到港口的LNG接收站，再转到大型LNG储罐。

立式筒袋泵（VS6）是这两个装置关键的输送泵，因该泵进口法兰处的液态乙烯和LNG已接近气化状态，只能将泵布置到地下，利用液柱的静压增加首级叶轮进口压力，比进液气化压力高，保证液体不会气化，即是增大了防止汽蚀的有效汽蚀余量NPSHa，这是采用立式筒袋泵的优越之处。

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（图1），美国荏原国际公司LNG高压输送泵（图2）。

国内外VS6泵存在两项技术缺陷：

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。

其二，大部分用两极电机，不符合流体机械“升转速、减级数、提效率、降成本的技术发展方向”。

我公司已授权的发明专利《输送易气化液体高扬程离心泵的设计方法》CN 113,094,835 B [1]，避免了国内外液态乙烯和LNG现有立式筒袋泵的上述两项长期存在的技术缺陷。

本发明的权利要求书提出了两种方案：

（一）对小、中流量的高扬程VS6泵，采用地下一级VS6泵，与地上一个叶轮的高扬程、高效皮托管泵串联，两泵相互支持，发挥各自的优势，消除各自的缺陷。既克服了国内外现有的高扬程VS6泵的两大缺陷，又因为有前置VS6泵提高了皮托管泵的进口压力，克服了中、大流量皮托管泵抗汽蚀性能很差的缺陷，发挥皮托管泵的优势：机械密封仅密封泵的进口低压力，即一个叶轮VS6泵的出口低压；皮托管泵的出口高压，是用静止的O形密封圈来密封，可靠性显著提高。

（二）对中、大流量的高扬程VS6泵，采用地下一级VS6泵，与地上的高转速BB3泵串联，BB3泵的泵壳是水平轴向剖分，进出口接管在下泵壳，吊开上泵壳，不拆进出口接管，就可检查检查或检修转子；转子动平衡后不解体就装入下泵壳内，动平衡精度无变化；两段叶轮对称布置，轴向力大部分平衡。

我公司中海油湛江海上平台采油注水泵用BB3泵（水汽化压力0.0594barA、流量100 m3/h、扬程1480m），因为泵壳与流道组成框架结构，刚度高，轴向剖分面精磨的密封可靠压力已超出API 610对出口压力100bar.G的限制。

注水泵中开面采用龙门数控加工中心精铣，平面度≤0.04mm，表面粗糙度Ra≤3.2μm，滚花是径向不通的螺旋状浅汶。密封垫采用低压缩率、高回弹性能的进口压缩纤维垫片（牌号Flexitallic），压缩率~8%，回弹率50~55%，因为有前置泵，进口压力35bar.A，泵的设计不考虑汽蚀，泵的转速3300rpm，首级用单吸叶轮。该泵出口压力179bar.G，已超过API 610标准对BB3泵限制100 bar.G的79%，已成功运行了7年。

我公司针对福斯公司设计制造的茂名石化公司乙烯产品泵，研究的改进方案如下： 

工艺条件：液态乙烯温度-36.3 ℃、气化压力16.3 bar.A、比重0.454，流量143 m3/h、扬程1058m。

泵结构：按图5该泵的安装图。

图5 茂名石化公司15级VS6型乙烯产品泵安装图

泵性能：流量143 m3/h、扬程1058m、转速2980 rpm、泵进口接管中心线处的压力16.34 bar.A、效率64.9%、额定轴功率288.2kW、电机额定功率355kW、首级叶轮进口处的必需汽蚀余量NPSHr=2.5m。

泵结构：叶轮15级，泵外筒体内径711 mm、深度1965 mm、泵加电机总高5883 mm、泵接管法兰：进口8"，300RF, 出口6"，900RF、泵进口接管中心到泵外筒体法兰上表面高度516 mm。

创新方案：地下一级VS6泵与地上高速四级BB3泵串联。

为防止高速 BB3 泵汽蚀，提高进口压力，一级 VS6 选用我公司成熟产品，型号:TTVC100-260-1，转速1480 rpm，叶轮外径 236mm，扬程 16m，NPSHr=2.5m，效率 81%，见图 6 一级 VS6 性能曲线图。

图6  一级VS6（1480rpm）性能曲线图

因为后置泵的进口压力用扬程16m的前置泵增压，选用转速4800rpm的 BB3泵不会汽蚀，泵可以用易检修的BB3型泵，级数只需四级，转速高，能提高泵效率。

为稳妥，转速比苏尔寿公司为孟加拉供货的高压锅炉给水泵(流量 221 m3/h、扬程 1607m、转速 4900 rpm)的转速略低，将首级叶轮由苏尔寿上述泵 用双吸叶轮，改进成单吸叶轮，泵体结构大为简化，降低泵体的铸造成本，用户只需一种叶轮备件。

图7  四级BB3泵剖面图

图中件号的名称：1-联轴器、2-风扇、3-提油环、4-轴承隔离器、5-低压端机封部件、6-低压端节流环、7-泵体密封环、8-中间轴套、9-上泵盖、10-高压端轴套、11-高压端节流环、12-高压端机封部件、13-角接触球轴承、14-轴承隔离器、15-转子部件(泵轴、叶轮等)、16-高压端节流环Ⅱ、17-泵体密封环Ⅱ、18-中间节流环、19-下泵体、20-平衡管、21-圆柱滚子轴承。

图 8 KDY 80-300×4 (BB3) 性能曲线图

1. BB3泵流量=143m3/h，扬程=1058-16=1042m，平均一级的扬程=1042÷4=260.5m； 

2. 将上述参数的工况点，标注在该泵的性能曲线图上，得到叶轮外径280mm、最大叶轮外径305mm、NPSHr= 6.85 m、效率0.62；

3. 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倍设计，筒体外流道的流速按0.15~0.2 m/s设计，因为VS6泵的内外筒体为机加工，壁面较光滑，外流道的水力损失按 0.015 m。筒体内流道的流速是外流道的4倍，按以下公式计算其水力损失。

4. BB3泵转速升至4800 rpm后，NPSHr的计算按下图右侧的分析。

图9  泵转速对NPSHr的影响

5. 对VS6泵和BB3泵性能曲线图上的汽蚀比转速说明：

汽蚀比转速是石化行业离心泵设计和选型的重要指标，汽蚀比转速高表示必须汽蚀余量NPSHr小，但泵的效率将降低，汽蚀比转速超过了有关标准规定的极值，振动超标，运转可靠性降低。

针对茂名石化公司乙烯产品泵提出的创新方案，选用1480rpm的VS6泵，汽蚀比转速C=1080 (5.62，m3/s，rpm，m)，抗汽蚀性能优秀；BB3泵的C=980，兼顾了泵效率和抗汽蚀性能 [3]。笔者强调：必须在汽蚀比转速C的后面加括号，表示出计算汽蚀比转速的公式是按中国的公式，加系数5.62，而美国的公制计算式无系数，并注明流量的单位用m3/s，转速的单位用rpm，NPSHr的单位用m。

(一)、VS6 泵进口接管中心线到叶轮进口的深度 h1 按下式计算:

(二)、用提高 BB3 泵进口压力防止其汽蚀，用公式(2)计算 VS6 泵的扬程 H1。

(三)、计算 BB3 泵的扬程 H2:

(四)、计算两泵的功耗

创新技术方案与茂名石化公司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 0.454、流量 143 m3/h、扬程 1058m、 泵进口压力 16.34 bar.A、出口压力 63.43 bar.A)

参考文献

[1] 何备荒，罗志.输送易气化液体高扬程离心泵的设计方法：中国专利CN 113,094,835 B[P]，2022.6.14.

[2] 好川纪博.化工泵[M].北京, 机械工业出版社, 1978, 111-113.

[3] 关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京,中国宇航出版社，2011，83-84.

[4] 苏尔寿公司.Suler Centrifugal Pump Handbook，Third edition，2010.