中缅原油管道输油泵的国产化研制

1中缅原油管道输油泵的国产化研制上海凯泉泵业（集团）有限公司肖功槐赵永伟杨怀武【摘要】针对中缅原油管道瑞丽泵站给油泵的技术要求，自主设计研发了新型水力模型，该模型具有比转速低、效率高、汽蚀余量小的特点。介绍了提高离心泵效率和汽蚀性能相关的方法措施。经过试验，验证了这些方法措施的有效性，给油泵设计开发取得成功。【关键词】离心泵水力模型低比转速试验验证一、前言中缅原油管道是我国“十一五”期间规划的重大原油管道项目之一，与同期建设的中缅天然气管道共同构成我国油气进口的西南战略通道，管道起自缅甸西海岸马德岛，从云南瑞丽市进入中国境内，原油管道设计输量为2300×104t/a，分两期建设。根据供货合同与技术协议，上海凯泉泵业（集团）有限公司为中缅原油管道工程国内段首站瑞丽泵站提供给油泵机组设备。给油泵是管线输油主泵不可或缺的前置泵，是原油管道输送的重要设备，具有以下突出特点：（1）泵连续运行，为节约能源，要求泵效率高；（2）作为前置泵，要求汽蚀余量要小；（3）泵站处于偏远山区，维护困难，而且涉及跨国原油输送，影响重大，要求泵机组运行要绝对可靠。上海凯泉泵业（集团）有限公司针对给油泵的上述特点，结合技术协议的要求进行研发，经过试验验证，各项指标均优于技术协议的要求，达到国际同类产品的先进水平，该泵的研发取得圆满成功。二、给油泵的参数指标及结构型式按照技术协议及API610标准的要求，给油泵参数指标为：流量（m3/h）1080扬程（m）120密度（g／cm3）0.8565~0.8711粘度（mm2/s）3.199~28.4温度（℃）10~80NPSHr（m）4.0效率（原油）（%）≥76振动（mm/s）≤3.0噪声（dB）85轴承温升（℃）≤39根据上述参数，泵的结构型式为BB1型单级双吸水平中开离心泵。（1）输送原油时修正系数按照美国水力学会标准，查得输送原油时流量换算系数CQ=1.0，扬程换算系数CH=1.0（1.0×QNW），效率换算系数Cη=0.96。因此给油泵的水效率≥79.2%，而流量、扬程等其他参数指标不变。（2）选择泵转速选择泵转速时主要考虑汽蚀需要，见下表：转速Ns兼顾效率汽蚀的汽蚀比转速C=900时的NPSHr按GB/T13006的NPSHr148057.75.484.7298038.53.192.52由于1480r/min时满足不了汽蚀余量要求，故选择n=980r/min，此时泵的比转速2Ns=38.5。按GB/T13007A线效率为71.5%，要达到水效79.2%的目标必须重新开发先进高效的水力模型。三、给油泵水力设计水力设计紧紧围绕提高效率和降低NPSHr两个目标进行。先按传统方法进行初步设计，然后对吸入室、叶轮、压水室水体进行三维建模，采用CFD计算分析预测泵的性能，并对初步设计方案进行修改完善。（1）吸入室设计液体进入叶轮的流动情况与吸入室直接相关，吸入室对泵的汽蚀性能有直接影响。给油泵采用半螺旋形吸入室，当轴穿过吸入室时，能够使液流绕过轴后不产生旋涡，液流进入叶轮均匀。从吸入口到吸入涡室Ⅸ-Ⅹ断面面积应均匀变化，Ⅷ断面流速一般取为叶轮进口流速的0.85~0.9，本例实取值0.83。应对半螺旋形吸入室的轴面投影及沿其中心线的展开图予以足够重视，设计不良可导致过大的噪声或振动。（2）叶轮水力设计叶轮及压水室的水力设计是研发给油泵水力模型的核心。离心泵追求高的效率和低的汽蚀余量，本身是相互矛盾的，设计时必须平衡选择叶轮的有关参数。a）叶轮进口部分叶轮进口部分的尺寸和形状直接决定了泵汽蚀性能的好坏，对泵的效率也有至关重要的影响。合理设计叶轮轴面投影形状，进口位置前、后盖板转弯处均采用大半径过渡。叶轮进口面积适当加大，系数K0兼顾效率和汽蚀，取K0=4.6。叶片进口向叶轮吸入口延伸，并减薄。由于低比转速叶轮轮盘大，为了保证有足够的强度，叶片厚度应适当增加，取11mm，自距叶片头部80mm处开始减薄，直至叶片头部用R3倒圆角。叶片进口采用较大的扭曲，使之符合液体的流动状态，冲击损失减小。各流线进口均采用正冲角，前盖板流线进口冲角3º，后盖板6.2º。采用正冲角能提高抗汽蚀性能，并且对效率影响不大。b）叶轮出口部分叶轮出口部分参数直接决定泵流量、扬程的高低，合理选择叶轮外径D2、出口宽度b2及叶片出口角β2十分关键。根据泵的面积比原理，叶轮出口叶片间的过渡面积FⅡ和泵体喉部面积Fthr是控制泵性能的重要因素。对低比转速叶轮，叶轮外径D2一般较大，圆盘摩擦损失一般较大。为了降低圆盘摩擦损失，可将D2适当减小，为了保证泵的性能不变，应增大b2和/或β2进行补偿，保证叶片间的过渡面积FⅡ保持不变。3thrFbDY222sin95.0以基本方程式为基础，对D2、β2进行了精确计算，确定D2=Ф852，β2=27.9º。由于叶轮外径D2较大，为了使两叶片间有适当的重叠度，叶片包角取为175º。（3）压水室设计压水室采用双涡壳形式，设计中最重要的是确定喉部面积。双涡室两个内流道应当完全对称，两处喉部面积应大致相等，双涡室两流道出口交汇处两断面面积也应大致相等。除此之外，各断面形状之间的过渡应当平滑、自然，不能有突变。在确定喉部面积时，要按面积比原理进行校验。除此之外，还可进行叶轮和压水室的匹配性计算，估算出泵最高效率点的流量和扬程，供设计中参考，同时为性能改进提供依据。本例经过计算，最高效率点流量和扬程分别为：1148.9m3/h和113.3m，流量误差6.38%，扬程误差5.56%。产生误差的原因主要是估算容积效率、水力效率及滑移系数等造成的。（4）CFD计算分析求解器为ANSYS-CFX11.0，定常求解，选用Standard-epsilon湍流模型，收敛精度为1.0e-4。物理模型整体流线图速度矢量图叶轮压力图4叶轮速度矢量图CFD分析计算预测的性能：在流量1080m3/h时，估算扬程122.5m，估算效率79.5%。四、试验验证给油泵首台试制成功后，在工厂进行了常温清水性能试验和机械运转试验，见下表。性能试验数据性能参数流量/m3/h扬程/mNPSHr/m效率/%要求指标10801204.079.2试验数据1083.6120.82.980.5机械运转试验数据试验参数振动/mm/s噪声/dB温升/℃要求指标3.085≤39试验数据1.8858给油泵性能曲线五、结论根据试验结果，可以得出：（1）给油泵在额定点效率为80.5%，比要求指标（水效）高1.3%，比GB/T13007-2011《离心泵效率》A线水平高出9%，比GB19762-2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》的节能评价值高出8%；额定点汽蚀余量为2.9m，比要求指标低1.1m。（2）给油泵在设计工况点连续运转4小时，泵驱动端油池温度稳定在39.5℃，非驱动端油池温度稳定在36.7℃，测试环境温度31.5℃，温升8℃，大大低于API610标准关5于油池温升小于39℃的要求（3）在机械运转期间连续监测给油泵驱动端和非驱动端水平、垂直及轴向三个方向的振动，测得的最大值为1.8mm/s，远低于API610标准≤3.0mm/s的要求。综上所述，上海凯泉泵业为中缅原油管道工程研制的给油泵具有效率高、汽蚀余量低、振动小、轴承温升低、运行稳定等突出特点，其水力性能指标及机械性能指标均达到了国际同类产品的先进水平。参考文献[1]沈阳水泵研究所.叶片泵设计手册北京：机械工业出版社，1983[2]关醒凡.现代泵技术手册北京：中国宇航出版社，1995[3]美国石油学会.API610-2004第十版石油、重化学和天然气工业用离心泵沈阳水泵研究所、全国泵标准化技术委员会编译，2004