离心泵安全运行

泵的能力和特性参数不仅是流体在输送时考虑的设计依据，而且是许多流体泄漏事故、冒顶事故、错流或错配事故技术分析和鉴定的依据。

　　离心泵是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力对液体做功的流体输送机械。由于它具有结构简单，操作方便、性能适应范围广、体积小、流量均匀、故障少、寿命长等优点，在化工生产中应用十分广泛。在化工生产中使用的泵大约有80％为离心泵。

　　一、 离心泵工作原理分析

　　(一) 基本结构

　　离心泵的结构如图6—1所示，在蜗牛形泵壳内，装有一具叶轮，叶轮与泵轴连在一起，可以与轴一起旋转，泵壳上有两个接口，一个在轴向，接吸人管，一个在切向，接排出管。通常，在吸人管口装有一个单向底阀，在排出管口装有一调节阀，用来调节流量。

 

　　(二)、 工作原理

　　在离心泵工作前，先灌满被输送液体。当离心泵启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，受叶轮上叶片的约束，泵内流体与叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心向叶轮外缘运动，叶轮中心(吸入口)处因液体空出而呈负压状态，这样，在吸人管的两端就形成了一定的压差，即吸人液面压力与泵吸人口压力之差，只要这一压差足够大，液体就会被吸人泵体内，这就是离心泵的吸液原理。另一方面，被叶轮甩出的液体，在从中心向外缘运动的过程中，动能与静压能均增加了，流体进入泵壳后，由于泵壳内蜗形通道的面积是逐渐增大的，液体的动能将减少，静压能将增加，到达泵出口处时压力达到最大，于是液体被压出离心泵，这就是离心泵的排液原理。

　　如果在启动离心泵前，泵体内没有充满液体，由于气体密度比液体的密度小得多，产生的离心力很小，从而不能在吸入口形成必要的真空度，在吸入管两端不能形成足够大的压差，于是就不能完成离心泵的吸液。这种因为泵体内充满气体(通常为空气)而造成离心泵不能吸液(空转)的现象称为气缚现象。因此，离心泵是一种没有自吸能力的泵，在启动离心泵前必须灌泵。

　　(三)、 主要构件

　　离心泵的主要构件有叶轮、泵壳和轴封，有些还有导轮。

　　(1)叶轮 叶轮是离心泵的核心构件，是在一圆盘上设置4—12个叶片构成的，其主要功能是将原动机械的机械能传给液体，使液体的动能与静压能均有所增加。

　　根据叶轮是否有盖板可以将叶轮分为3种形式，即开式、半开(闭)式和闭式，如图6—2所示，其中图6—2(a)为闭式叶轮，图6—2(b)为半开式叶轮，图6—2(c)为开式叶轮。通常，闭式叶轮的效率要比开式高，而半开式叶轮的效率介于两者之间，因此应尽量选用闭式叶轮，但由于闭式叶轮在输送含有固体杂质的液体时，容易发生堵塞，故在输送含有固体的液体时，多使用开式或半开式叶轮。对于闭式叶轮与半闭式叶轮，在输送液体时，由于叶轮的吸人口一侧是负压，而在另一侧则是高压，因此在叶轮两侧存在着压力差，从而存在对叶轮的轴向推力，将叶轮沿轴向吸人窜动，造成叶轮与泵壳的接触磨损，严重时还会造成泵的振动，为了避免这种现象，常常在叶轮的盖板上开若干个小孔，即平衡孔。但平衡孔的存在降低了泵的效率。其他消除轴向推力的方法是安装止推轴承或将单吸改为双吸。

 

　　根据叶轮的吸液方式可以将叶轮分为两种，即单吸叶轮与双吸叶轮，如图6—3所示。显然，双吸叶轮完全消除了轴向推力，而且具有相对较大的吸液能力。

　　叶轮上的叶片是多种多样的，有前弯叶片，径向叶片和后弯叶片3种，但工业生产中主要为后弯叶片，因为后弯叶片相对于另外两种叶片的效率高，更有利于动能向静压能的转换。由于两叶片间的流动通道是逐渐扩大的，因此能使液体的部分动能转化为静压能，叶片是一种转能装置。

　　(2)泵壳 由于泵壳的形状像蜗牛，因此又称为蜗壳。这种特殊的结构，使叶轮与泵壳之间的流动通道沿着叶轮旋转的方向逐渐增大并将液体导向排出管。

 

　　因此，泵壳的作用就是汇集被叶轮甩出的液体，并在将液体导向排出口的过程中实现部分动能向静压能的转换。泵壳是一种转能装置，为了减少液体离开叶轮时直接冲击泵壳造成的能量损失。常常在叶轮与泵壳之间安装一个固定不动的导轮，如图6—4所示。导轮带有前弯叶片，叶片间逐渐扩大的通道使进入泵壳的液体的流动方向逐渐改变，从而减少了能量损失，使动能向静压能的转换更加有效。导轮也是一个转能装置。通常，多级离心泵均安装导轮。

 

　　(3)轴封装置 由于泵壳固定而泵轴是转动的，因此在泵轴与泵壳之间存在一定的空隙，为了防止泵内液体沿空隙漏出泵外或空气沿相反方向进人泵内，需要对空隙进行密封处理。用来实现泵轴与泵壳间密封的装置称为轴封装置。常用的密封方式有两种，即填料函密封与机械密封。

　　填料函密封是用浸没或涂有石墨的石棉绳(或其他软填料)填入泵轴与泵壳间的空隙，来实现密封目的；机械密封是通过一个安装在泵轴上的动环与另一个安装在泵壳上的静环来实现密封目的的，工作时借助弹力使两环密切接触达到密封。两种方式相比较，前者结构简单，价格低，但密封效果差；后者结构复杂，精密，造价高，但密封效果好。因此，机械密封主要用在一些密封要求较高的场合，如输送酸、碱、易燃、易爆、有毒、有害等液体。

　　近年来，随着防磁防漏技术的日益成熟，借助加在泵内的磁性液体来达到密封与润滑作用的技术正越来越引起人们的关注。

　　二、 离心泵的主要性能

　　(一) 主要性能参数

　　(1)送液能力 指单位时间内从泵内排出的液体体积，用Qv表示，单位m3／s，也称生产能力或流量。离心泵的流量与离心泵的结构、尺寸和转速有关，在操作中可以变化，其大小可以由实验测定。离心泵铭牌上的流量是离心泵在最高效率下的流量，称为设计流量或额定流量。

　　(2)扬程 是离心泵对lN流体所做的功。它是1N流体在通过离心泵时所获得的能量，用H表示，单位m，也叫压头，离心泵的扬程与离心泵的结构、尺寸、转速和流量有关。通常，流量越大，扬程越小，两者的关系由实验测定。离心泵铭牌上的扬程是离心泵在额定流量下的扬程。

　　(3)功率 离心泵在单位时间内对流体所做的功称为离心泵的有效功率，用Pe表示，单位W，有效功率由下式计算，即户e＝HQρg 。

　　离心泵从原动机械那里所获得的能量称为离心泵的轴功率，用户表示，单位W，由实验测定，是选取电动机的依据。离心泵铭牌上的轴功率是离心泵在额定状态下的轴功率。

　　(4)效率 是反映离心泵利用能量情况的参数，由于机械摩擦、流体阻力和泄漏等原因，离心泵的轴功率总是大于其有效功率的，两者的差别用效率来表示，用，η表示，其定义式为

 

　　离心泵效率的高低与泵的类型、尺寸及加工精度有关，又与流量及流体的性质有关，一般地，小型泵的效率为50％～70％，大型泵的效率要高些，有的可达90％。

　　(二) 性能曲线

　　实验表明，离心泵的扬程、功率及效率等主要性能均与流量有关，把它们与流量之间的关系用图表示出来，就构成了离心泵的特性曲线，如图6—5所示。

　　不同型号的离心泵的特性曲线虽然各不相同，但其总体规律是相似的。

　　(1)扬程—流量曲线 扬程随流量的增加而减少，但其总体规律是相似的。

　　(2)轴功率—流量曲线 轴功率随流量的增加而增加，也就是说当离心泵处在零流量时水泵的功率小。因此，离心泵开车和停车时，都要关闭出口阀，以达到降低功率，保护电机的目的。

　　(3)效率—流量曲线 离心泵在流量为零时，效率为零，随着流量的增加，效率也增加，当流量增加到某一数值后，再增加，效率反而下降。通常，把最高效率点称为泵的设计点或额定状态，对应的性能参数称为最佳工况参数。铭牌上标出的参数就是最佳工况参数。显然，泵在最高效率下运行最为经济，但在实际操作中不太可能，应尽量维护在高效区(效率不低于最高效率的92％的区域)工作。性能曲线上常用破折号将高效区域标出，如图6—5所示。

 

　　离心泵在指定转速下的特性曲线由泵的生产厂家提供，标在铭牌或产品手册上。需要指出的是，性能曲线是293K和98．1Pa下以清水作为介质测定的，因此，当被输送液体的性质与水相差很大时，必须校正。

　　三 离心泵的气蚀与安装高度

　　离心泵的扬程可以达到几百甚至千米以上，但离心泵的安装高度却受到一定的限制，如果安装过高，就会发生气蚀现象。轻则导致流量、压头迅速下降，重则导致不能吸液或叶轮伤害。

　　(一) 汽蚀现象

　　如前所述，离心泵的吸液是靠吸液面与吸人口间的压差完成的。当吸人液面压力一定时，泵的安装高度越大，则吸人口处的压力将越小，当吸人口压力小于操作条件下被输送液体的饱和蒸汽压时，液体将会汽化产生气泡，含有气泡的液体进入泵体后，在离心力的作用下，进入高压区，气泡在高压的作用下，又液化为液体。由于原气泡位置的空出造成局部真空，周围液体在高压的作用下，迅速填补原气泡所占空间。这种高速冲击频率很高，可以达到每秒几千次，冲击压强可以达到数百个大气压甚至更高。这种高速冲击频率很高，轻的叶轮疲劳，重的则可以将叶轮与泵壳破坏。甚至能把叶轮打成蜂窝状。这种因为被输送液体在泵内气化再液化的现象叫离心泵的汽蚀现象。

　　汽蚀现象发生时，会产生噪声和引起振动，流量、扬程及效率均会迅速下降。严重时，不能吸液。工程上当扬程下降3％时就认为进入了汽蚀状态。

　　避免汽蚀现象的方法是限制泵的安装高度。避免离心泵气蚀现象的最大安装高度，称为离心泵的允许安装高度，也叫允许吸上高度。

　　(二) 允许安装(吸上)高度

　　离心泵的允许安装高度可以通过在图6—6中的0—0截面和l—1截面间列柏努利方程求得。即：

 

式中 Hg——允许安装高度，m；

　　P0——吸人液面压力，Pa；

　　p1——吸入口允许的最低压力，Pa；

　　u1——吸人口处的流速，m／s；

　　ρ—液体的密度，kg／m3；

　　∑Hf，0—1——流体流经吸人管的阻力，m。

　　从式(6—2)可以看出，允许安装高度与吸人液面上方的压力P0，吸入口最低压力户，、液体密度P、吸人管内的动能及阻力有关。因此，增加吸人液面的压力，减小液体的密度、降低液体温度(通过降低液体的饱和蒸汽压来降低p1)，增加吸人管直径(从而使流速降低)和减少吸入管内流体阻力均有利于允许安装高度的提高，在其他条件都确定的情况下，如果流量增加，将造成动能及阻力的增加，安装高度会减少，汽蚀的可能性增加。

　　离心泵的允许安装高度可以由允许吸上真空高度法或允许汽蚀余量法计算。近年来，前者已经很少使用，故只介绍后一种方法。

 

　　离心泵的抗汽蚀性能参数可用允许气蚀余量来表示，其定义为泵吸人口处动能与静压能之和比被输送液体的饱和蒸汽压头高出的最低数值。即

 

　　式中AA——允许汽蚀余量，m；

　　Ps——操作温度下液体的饱和蒸汽压，Pa；其他符号同前。

　　同样，泵的生产厂家提供的允许汽蚀余量是98．1kPa和293K下以水为介质测得的，当输送条件不同时，应该对其校正。

　　四、离心泵安全运行分析

　　(一) 离心泵的工作点

　　如前所述，离心泵的流量与压头之间存在一定的关系，这由特性曲线决定，而对于给定的管路其输送任务(流量)与完成任务所需要的压头之间也存在一定的关系，这可由柏努利方程决定，这种关系也称为管路特性。显然，当泵安装在指定管路时，流量与压头之间的关系既要满足这两个方程，在性能曲线图上，应为泵的特性曲线和管路特性曲线的交点。这个交点称为离心泵在指定管路上的工作点，显然，交点只有一个，也就是说，泵只能在工作点下工作。

　　(二) 离心泵的安全调节

　　当工作点的流量及压头与输送任务的要求不一致时，或生产任务改变时，必须进行适当的调节，调节的实质就是改变离心泵的工作点。主要方法有以下几点。

　　(1)改变阀门开度 主要是改变泵出口阀门的开度。因为即使吸入管路上有阀门，也不能进行调节，在工作中，吸人管路上的阀门应保持全开，否则易引起汽蚀现象。

　　由于用阀门调节简单方便，因此工业生产中主要采用此方法。

　　(2)改变转速 通过前面对离心泵性能的分析可知，当转速改变时，离心泵的性能也会跟着改变，工作点也随之改变。

　　由于改变转速需要变速装置，使设备投入增加，故生产中很少采用。

　　(3)改变叶轮直径 通过车削的办法改变叶轮的直径，来改变泵的性能，从而达到改变工作点的目的。

　　由于车削叶轮不方便，需要车床，而且一旦车削便不能复原，因此工业上很少采用。

　　五 其他类型的泵

　　(一) 往复泵

　　往复泵是一种容积式泵，是一种通过容积的改变来对液体做功的机械。。是通过活塞或柱塞的往复运动来对液体做功的机械的总称，包括活塞、柱塞泵、隔膜泵、计量泵等。

　　结构与工作原理：往复泵的主要构件有泵缸、活塞(或柱塞)、活塞杆及若干个单向阀等。如图6—所示，泵缸、活塞及阀门间的空间称为工作室。当活塞从左向右移动时，工作室容积增加，而压力下降，吸入阀在内外压差的作用下打开，液体吸人泵内，而排出阀则因内外压力的作用而紧紧关闭，当活塞从右向左移动时，工作室容积减小而压力增加，排出阀在内外压差的作用下打开，液体被排到泵外，而吸人阀则因内外压力的作用而紧紧关闭，如此周而复始，实现泵的吸液与排液。

 

　　活塞在泵内左右移动的端点叫“死点”，两“死点”间的距离为活塞从左向右运动的最大距离，称为冲程。在活塞往复运动的一个周期里，如果泵只吸液一次，排液一次，称为单动往复泵，如果各两次，称为双动往复泵，人们还设计了三联泵，三联泵的实质是三台单动泵的组合，只是排液周期相差了三分之一。

　　(二) 旋涡泵

　　旋涡泵也是依靠离心力对液体做功的泵，但其壳体是圆形而不是蜗牛形，因此易于加工，叶片很多，而且是径向的，吸人口与排出口在同侧并由陋舌隔开，如图6—8所示。工作时，液体在叶片间反复运动，多次接受原动机械的能量，因此能形成比离心泵更大的压头。不但流量小，而且由于在叶片间的反复运动，造成大量能量损失，效率低，约在15％一40％。因此，旋涡泵适用于输送流量小而压头高的液体，例如送精镏塔顶的回流液。其性能曲线除功率—流量线与离心泵相反外，其他与离心泵相似，所以旋涡泵也采用旁路调节。

 

　　(三) 旋转泵

　　旋转泵是依靠转子转动造成工作室容积改变来对液体做功的机械。具有正位移特性。其特点是流量不随扬程而变，有自吸力，不需灌泵，采用旁路调节器，流量小，比往复泵均匀，扬程高，但受转动部件严密性限制，扬程不如往复泵，常用的旋转泵有齿轮泵和螺杆泵两种。见图6—9和图6—10。

　　齿轮泵通过两个相互啮合的齿轮的转动对液体做功的，一个为主动轮，一个为从动轮。齿轮将泵壳与齿轮间的空隙分为两个工作室，其中一个因为齿轮的打开而呈负压与吸入管相连，完成吸液，另一个则因为齿轮啮合而呈正压与排出口相连，完成排液。近年来，内啮合形式正逐渐替代外啮合形式。因为其工作更平稳，但制造复杂。

 

　　齿轮泵的流量小，扬程高，流量比往复泵均匀。适用于输送高黏度及膏状液体。例如润滑油，但不宜输送含有固体杂质的悬浮液。

　　螺杆泵是由一根或多根螺杆构成的。以双螺杆为例，是通过两个相互啮合的螺杆来对液体做功，其原理、性能均与齿轮泵相似。具有流量小、扬程高、效率高、运转平稳、噪音低等特点。流量均匀。适用于高黏度液体的输送，在合成纤维、合成橡胶工业中应用较多。

　　六 往复式压缩机

　　气体压缩与输送机械广泛应用在化工生产中，如前所述，按工作原理分也可以分为4类。而且各类的工作原理也与相应类型的泵相似。但是，由于气体的明显可压缩性，使气体的压送机械更具有自身的特点。通常，按终压或压缩比(出口压力与进口压力之比)可以将气体压送机械分为4类，见表6—2。

 

　　目前，工业生产中气体的压送机械有往复式压缩机与真空泵；离心式通风机、鼓风机与压缩机；液环式真空泵；旋片式真空泵、喷射式真空泵、罗茨风机；轴流式风机等多种形式，其中以往复式与离心式应用最广。值得一提的是，过去主要靠往复式压缩机实现高压，但由于离心式压缩技术的成熟，离心式压缩机应用已越来越广泛，而且，由于离心式在操作上的优势，离心式大有取代往复式的趋势。离心式压缩机在合成氨厂的推广就是很好的证明。