液化石油氣泵的選型

摘 要

摘要：對于小型儲配站，因為流量小，可以選用價格上占優(yōu)勢的滑片泵。對于大型儲配站，因為自動化水平較高，附屬設(shè)施多，安全性要求更高，可以選用零泄漏的屏蔽泵或磁力泵。需注意的是.屏
摘要：對于小型儲配站，因為流量小，可以選用價格上占優(yōu)勢的滑片泵。對于大型儲配站，因為自動化水平較高，附屬設(shè)施多，安全性要求更高，可以選用零泄漏的屏蔽泵或磁力泵。需注意的是.屏蔽泵效率較低，不允許長時間在小流量工況下運行，但其價格較低。磁力泵的工藝性能好，但價格稍高。
關(guān)鍵詞：LPG；滑片泵；磁力泵；屏蔽泵
Discussion on the Type Selection of LPG Pump
Beijing Gas and Heating Engineering Design Institute Tan Chunyan，Yang Yonghui，Liu Lu
Abstract：Small scale LPG storage and filling station apt to vane pump，which is cheap and suitable for small flow.Because of the higher automation level，more ancillary facility and higher security requirements，1arge scale LPG storage and filling station need zero leakage pump，such as canned inotor pump and magnetic pump.Canned motor pump have low efficiency，small flow is not permitting，but it is cheaper than magnetic pump.The technology of magnetic pump is most excellent.
Keywords：LPG；vane pmnp；magnetic pump；canned motor pump
1 背景
    據(jù)資料顯示[1]，預(yù)計到2013年底，全球LPG供應(yīng)總量將以每年3.5%的速度遞增，其中蘇伊士運河以東地區(qū)的供應(yīng)量比2009年增長30.7%。到2011年，中東將超過北美，成為世界上最大的LPG產(chǎn)區(qū)。其中，伊朗、卡塔爾和阿聯(lián)酋的LPG產(chǎn)量將明顯增加。2009年，全球LPG需求量為2.35億t，比上年略有下降。但亞洲和中東地區(qū)LPG需求的增長仍相對強(qiáng)勁，其中亞洲地區(qū)消費量達(dá)7380萬t，比上年增長2.07%，占全球LPG總需求的30%以上。未來LPG市場的增長主要依靠居民/商業(yè)和化工這兩大終端市場，車用LPG市場也有很大的增長潛力。隨著全球經(jīng)濟(jì)的逐漸復(fù)蘇，預(yù)計未來LPG的價格會隨原油價格而相對堅挺，但不會超過2008年的最高價位。中國國內(nèi)LPG市場雖然面臨天然氣等替代能源的沖擊，但是，LPG的應(yīng)用領(lǐng)域一直在擴(kuò)展，并且隨著天然氣價格的不斷上調(diào)，LPG的市場競爭力逐漸增強(qiáng)。
    LPG的使用方式基本為瓶裝形式，所以，限制條件少、供應(yīng)靈活、使用方便。城市、街、鎮(zhèn)、鄉(xiāng)、村等地方均可使用LPG，并可廣泛用于民用、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。因此，在LPG的供應(yīng)鏈條中，LPG儲配站在城鎮(zhèn)范圍內(nèi)發(fā)揮著舉足輕重的作用，LPG泵在儲配站中是必不可少的重要設(shè)備，關(guān)乎整個站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文從選型參數(shù)及類型兩個方面論述了LPG泵的選型。
2 LPG泵選型參數(shù)的特點
    (1) 介質(zhì)特性[2]：除具有易燃、易爆等特點，LPG比較清潔，在液相呈非均質(zhì)分布，密度不是常量，且隨壓力、溫度而變化，在設(shè)計選型時可取平均值。
    (2) 操作溫度：以北京為例，一般為-19℃～+50℃。
    (3) 流量[3]：在一個連續(xù)的工作日內(nèi)，泵流量在一定的范圍內(nèi)變化，應(yīng)選擇在最小流量范圍和最大流量范圍內(nèi)能夠高效可靠運行的泵，這一點對于設(shè)計有軸向力自動平衡機(jī)構(gòu)的泵來講尤為重要。
    (4) 揚程：液態(tài)LPG采用管道輸送時，泵的揚程應(yīng)大于式(1)的計算值。
    Hj=△Pz+△Py+△H    (1)
    Hj=泵的計算揚程(MPa)；
    △Pz：管道總阻力損失，可取1.05～1.10倍管道摩擦阻力損失(MPa)；
    △Py：管道終點進(jìn)罐余壓，可取0.2～0.3(MPa)；
    △H：管道終點、起點高程差引起的附加壓力(MPa)；
    注：液態(tài)LPG在管道輸送過程中，沿途任何一點的壓力都必須高于其輸送溫度下的飽和蒸汽壓力。
液態(tài)LPG管道摩擦阻力損失的計算式如下：
 
    △P：管道摩擦阻力損失(MPa)；
    L：管道計算長度(m)；
    u：液態(tài)LPG在管道中的平均流速(m/s)，經(jīng)濟(jì)流速為0.8m/s～1.4m/s，最大不應(yīng)超過3m/s；
    d：管道內(nèi)徑(m)；
    ρ：平均輸送溫度下的LPG密度kg/m3；
    λ：管道的摩擦阻力系數(shù)。
    (5) 泵汽蝕裕量(NPSHr)：泵樣本上給出的汽蝕余量NPSHr是在室溫和清水條件下試驗測得的，在輸送低粘度且不帶氣體的烴類介質(zhì)時，NPSHr(介質(zhì))=NPSHr(水)-△NPSHr，其中△NPSHr值可在美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)1975年版的修正曲線中查找。在API610規(guī)范里建議，在泵輸送液態(tài)烴時，對NPSHr不作修正，把修正值看成額外的安全余量，認(rèn)為泵無論輸送何種介質(zhì)，NPSHr值不變。
    可以通過以下途徑來防止離心泵產(chǎn)生汽蝕：1)降低泵的安裝高度；2)減少吸入管路的阻力，例如：加大管徑，減少吸入管路的附件；3)降低泵送液體溫度，以降低汽化壓力；4)滿足流量和揚程的條件下，降低泵的轉(zhuǎn)速。
3 LPG泵的類型
    用于LPG的泵主要有以下4種：(1)滑片泵，型式為容積式泵，滑片易壞，價格便宜；(2)筒袋泵，型式為離心泵，泵必需汽蝕裕量(NPSHr)小，價格較高；(3)屏蔽泵，型式為離心泵，NPSHr較大，無泄漏，價格適中；(4)磁力泵，型式為離心泵，NPSHr較大，無泄漏，價格稍高。為了安全起見，在選型過程中保證泵無泄漏至關(guān)重要，所以，本文主要討論無泄漏的屏蔽泵和離心泵，以及經(jīng)濟(jì)性好的滑片泵。
3.1 滑片泵
3.1.1工作原理
    單作用式滑片泵的工作原理如圖1所示[4]。主要由泵體1、內(nèi)套2、轉(zhuǎn)子3、軸4、滑片5、側(cè)板6(未示出)等零件組成。內(nèi)套與轉(zhuǎn)子之間有偏心距e，滑片安放在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，可沿槽滑動，當(dāng)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)時，滑片靠自身的離心力緊貼內(nèi)套內(nèi)壁，由內(nèi)套內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面、滑片及兩側(cè)板端面之間形成若干個封閉工作室，當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時針回轉(zhuǎn)時，右邊的滑片逐漸伸出，相鄰兩滑片間容積逐漸增大，形成局部真空，液體由吸入口進(jìn)入工作室，這是泵的吸入過程。左邊的滑片被內(nèi)套逐漸壓入槽內(nèi)，相鄰兩滑片間封閉容積逐漸減小，將液體壓出排除口，這是泵的壓出過程。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，完成一次吸入壓出。在泵的吸入腔和壓出腔之間，有一段封油區(qū)，把吸入腔和壓出腔隔開。泵的排量Q與偏心距e、泵的轉(zhuǎn)速n成正比，因此，可采用改變偏心距和轉(zhuǎn)速的辦法調(diào)節(jié)排量或制成系列產(chǎn)品，滿足不同工況的需要。

3.1.2優(yōu)點
    滑片泵屬于容積式轉(zhuǎn)子泵，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積??；滑片泵具有優(yōu)異的自吸能力，氣蝕余量可達(dá)4m左右，可氣液兩相混合輸送，混輸比高達(dá)50%[5]?；枚ㄞD(zhuǎn)速定流量工作，泵的出口壓力取決于外部使用條件，可以在較大的范圍內(nèi)，隨著管路阻力的變化而變化，提供壓力較為穩(wěn)定，能夠較好地解決管路壓降問題。
3.1.3缺點
    滑片作為滑片泵的特殊構(gòu)件，在很大程度上決定了滑片泵的性能。一方面，由于滑片兩側(cè)高低壓的差別，滑片受力很大，所以，滑片要有足夠的強(qiáng)度，伸出滑槽的距離也不能太長，因此滑片泵的流量普遍比較小，在大型管道輸送過程中應(yīng)用的比較少。另一方面，滑片在徑向力的作用下，滑片頂部與內(nèi)表面直接接觸，根部均與泵的出口液體相通，在吸入口區(qū)域內(nèi)滑片根部的出口高壓液體作用太大，會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滑片頂部與定子之間接觸的承載能力，使得在吸入口所對應(yīng)的定子以及與其銜接的大圓弧內(nèi)表面發(fā)生嚴(yán)重的曲面擠壓磨損，所以，滑片泵在工作時噪聲也比較大。另外，滑片磨損比較嚴(yán)重，對自吸能力和出口壓力都造成了一定的影響；在額定的工作壓力下，其動平衡性能較好，基本不振，但它不適用于高壓，工作壓力越高，轉(zhuǎn)子承受不平衡的徑向力就越大，液體在出口管道內(nèi)產(chǎn)生脈動。軸傳動，有泄漏點。
3.1.4滑片泵操作使用中的常見問題及注意事項
    (1) 滑片泵雖然有較強(qiáng)的自吸能力，但首次啟動前需從注油孔(安全閥尾部的螺孔)向泵內(nèi)注入適量的介質(zhì)油料，起潤滑、密封的作用。泵的流量調(diào)節(jié)可采用回流調(diào)節(jié)，也可采用變速條件，但泵的轉(zhuǎn)速不能高于額定轉(zhuǎn)速。
    (2) 雖然滑片泵有較強(qiáng)的自吸能力，但是也存在氣蝕現(xiàn)象。所以，在使用過程中也要考慮到泵的安裝高度和氣液混輸比的問題。
    (3) 在運行和停泵過程中，應(yīng)將泵排出管路上的所有閥門打開。若關(guān)閉排出口閥門或排出管路堵塞時，由于液體的不可壓縮性，泵的出口壓力將無限上升。泵出口閥門關(guān)閉的情況下長時間運行，易損壞泵內(nèi)的軸承或?qū)㈦妱訖C(jī)燒毀。因此，滑片泵在使用中，應(yīng)在排出口安裝安全閥。
3.2 磁力泵
    磁力泵伴隨著永磁材料與磁力傳動技術(shù)等高新科技的發(fā)展，使得磁力泵的應(yīng)用在歐美眾多企業(yè)中成為主流。從當(dāng)時使用磁力泵的化工廠所反饋的信息來看，使用磁力泵對于公司來說不僅僅是出于對安全和環(huán)境的保護(hù)的考慮，而且可以節(jié)省大量的資金[6]。目前，我國有許多中小企業(yè)都在生產(chǎn)磁力泵，但磁力泵在我國的化工、石油和食品等行業(yè)中并沒有成為主流。
3.2.1工作原理
    磁力泵通常由電動機(jī)、磁力傳動器和泵三部分組成。其關(guān)鍵部件磁力傳動器由外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及不導(dǎo)磁的隔離套件組成[7]。隔離套將內(nèi)磁轉(zhuǎn)子、介質(zhì)和外磁轉(zhuǎn)子隔絕，外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子相互組成了一個完整藕合的磁力系統(tǒng)。當(dāng)電動機(jī)帶動外磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)時，磁場能穿透空氣間隙和非磁性物質(zhì)的隔離套，作用于帶動與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子上，使其同步旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)非接觸的力矩傳遞，從而達(dá)到驅(qū)動泵的目的。由此可見，磁力泵沒有動密封，因此可以達(dá)到完全無泄漏。在石油、化工、制藥、冶煉、電鍍、環(huán)保、食品、影視洗印、水處理及國防等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，是輸送易燃、易爆、揮發(fā)、有毒、稀有貴重液體和各種腐蝕性液體的理想設(shè)備。
 

3.2.2優(yōu)點
    同使用機(jī)械密封或填料密封的離心泵相比較，磁力泵具有以下優(yōu)點：
    泵軸由動密封變成完全封閉式靜密封，徹底避免了介質(zhì)泄漏。由于液體被封閉在靜止的隔離套內(nèi)，沒有動密封，因而完全無泄漏；這是利用了磁力傳動器傳遞動力、以靜密封取代了傳統(tǒng)設(shè)計中的動密封，從而解決了軸封泄漏的問題。
    無需獨立潤滑和冷卻水，降低了能耗。其軸承可以浸漬石墨等自潤滑材料制造，并以被送液體進(jìn)行自潤滑；采用了部分工藝液體自潤滑并冷卻傳動部件的獨特潤滑及冷卻回路，省去了機(jī)械密封泵所需的冷卻、沖洗等繁雜管路系統(tǒng)。
    由聯(lián)軸器或皮帶傳動變成同步旋轉(zhuǎn)，不存在接觸和摩擦，功耗小、效率高，且具有阻尼減振作用，減少了電動機(jī)振動對泵的影響和泵發(fā)生氣蝕振動時對電動機(jī)的影響。
    過載時，內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子相對滑脫，對電機(jī)、泵有保護(hù)作用。
3.2.3磁力泵操作規(guī)程及注意事項
    操作規(guī)程[8]：(1)灌注與排氣在磁力泵啟動前應(yīng)將泵內(nèi)灌滿液體，并開啟泵的出口閥門及針形閥等，將泵體內(nèi)及放氣管內(nèi)氣體放空，要反復(fù)幾次排氣，直至泵中充滿液體為止，待泵內(nèi)灌滿LPG后再關(guān)閉泵出口閥門；(2)啟動完全打開入口管路閥門——關(guān)閉出口管路閥門——啟動電機(jī)——緩慢打開出口管路閥門，調(diào)節(jié)出口閥直至達(dá)到正常工作壓力；(3)停泵關(guān)
閉泵的出口閥門——關(guān)閉電源——關(guān)閉泵進(jìn)口閥門。
    注意事項：(1)停泵后重新啟動程序打開放氣管閥門——放空泵及冷卻管內(nèi)氣體——灌泵使泵體及吸入管內(nèi)充滿液體；(2)冷卻液流量調(diào)節(jié)通過針形閥調(diào)節(jié)冷卻液的質(zhì)量流量；(3)設(shè)置過濾網(wǎng)操作介質(zhì)中含有固體顆粒時，應(yīng)在泵的入口處設(shè)置過濾網(wǎng)，以防隔離套被劃傷或劃穿。
3.3 屏蔽泵
    屏蔽泵問世已有80年歷史，20世紀(jì)50年代后隨著核工業(yè)、國防、化學(xué)工業(yè)等發(fā)展，安全和環(huán)保問題凸現(xiàn)，引起大家關(guān)注，進(jìn)而提出設(shè)備運轉(zhuǎn)無泄漏要求并開始研發(fā)屏蔽泵。到20世紀(jì)80年代已取得較好技術(shù)水平，現(xiàn)已日趨成熟。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展以及人們對環(huán)境，安全意識的提高，對化工用泵的要求也越來越高，在一些場合對某些泵提出了絕對無泄漏要求，這種需求促進(jìn)了屏蔽泵技術(shù)的發(fā)展.屏蔽泵由于沒有轉(zhuǎn)軸密封，可以做到絕對無泄漏，因而，在化工裝置中的使用已愈來愈普遍。
3.3.1屏蔽泵的原理和結(jié)構(gòu)特點
    普通離心泵的驅(qū)動是通過聯(lián)軸器將泵的葉輪軸與電動機(jī)軸相連接，使葉輪與電動機(jī)一起旋轉(zhuǎn)而工作，而屏蔽泵是一種泵和電動機(jī)密封在一個被輸送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，如圖3所示，此壓力容器只有靜密封。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的機(jī)械密封裝置，故能做到完全無泄漏[9]。屏蔽泵把泵和電機(jī)做成一體，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和泵的葉輪固定在同一根軸上，用轉(zhuǎn)子屏蔽套和定子屏蔽套將電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子隔開，轉(zhuǎn)子在被輸送的介質(zhì)中運轉(zhuǎn)。
 

3.3.2屏蔽泵的優(yōu)點
    全封閉。結(jié)構(gòu)上沒有動密封，只有在泵的外殼處有靜密封，因此可以做到完全無泄漏，特別適合輸送易燃、易爆、貴重液體和有毒、腐蝕性及放射性液體。
    結(jié)構(gòu)緊湊體積小。泵與電機(jī)系一整體，拆裝不需找正中心。對底座和基礎(chǔ)要求低，且日常維修工作量少。運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低，不需加潤滑油。
3.3.3屏蔽泵的缺點
    由于屏蔽泵大多采用石墨滑動軸承，用被輸送的介質(zhì)來潤滑和冷卻軸承，介質(zhì)中有固體雜質(zhì)、潤滑性差的介質(zhì)不宜采用屏蔽泵輸送。在建設(shè)新管網(wǎng)階段，過濾器的選型一定要準(zhǔn)確，運行初期清洗濾網(wǎng)的頻率較高。
    屏蔽泵效率較低，長時間在小流量情況下運轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致軸承發(fā)熱、使液體氣化蒸發(fā)，從而造成泵干轉(zhuǎn)，損壞滑動軸承。
3.3.4屏蔽泵維護(hù)操作注意事項
    (1) 運行前首先打開吸入側(cè)閥門、反向回流閥門，打開排氣閥和回流閥進(jìn)行排氣，確認(rèn)氣體全部排除后方可運轉(zhuǎn)，否則容易損壞石墨軸承，發(fā)生事故；(2)啟動后觀察出口壓力表，當(dāng)壓力指示到設(shè)計壓力時，慢慢打開出口閥直到工藝要求的流量；(3)觀察TRG表，指針在黃色或紅色區(qū)域，說明電機(jī)出現(xiàn)故障，請查找原因排除故障后運行；(4)帶冷卻水套的屏蔽電泵，必須先按規(guī)定的冷卻水量接通冷卻水，然后開泵運轉(zhuǎn)；(5)在運轉(zhuǎn)中，如發(fā)現(xiàn)異常聲音或振動等，應(yīng)立即停機(jī)。在沒有查清故障原因且徹底排除之前，不允許繼續(xù)運轉(zhuǎn)；(6)屏蔽泵不得逆向持續(xù)運轉(zhuǎn)；嚴(yán)禁空轉(zhuǎn)，斷流運轉(zhuǎn)不得超過30°。
4 各類LPG泵的對比性分析
4.1 經(jīng)濟(jì)性
    工程總投資經(jīng)常在很大程度上指導(dǎo)著設(shè)備的選型，所以從經(jīng)濟(jì)性方面對比很有必要性。滑片泵適用于小流量，最大的流量一般只能在35m3/h。而大流量的時候應(yīng)該選用合適的屏蔽泵或者磁力泵。根據(jù)個別廠家的報價，對滑片泵、屏蔽泵和磁力泵的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定性的比較。
    從表1可見，滑片泵最便宜，即使滑片泵的流量比屏蔽泵大，價格仍較低。在同樣的工況下，磁力泵比屏蔽泵更貴。
4.2 綜合性能對比
    從結(jié)構(gòu)型式、優(yōu)缺點和適用范圍幾大方面對滑片泵、屏蔽泵和磁力泵進(jìn)行綜合性比對，以便于指導(dǎo)工程實際中的液化氣泵選型。
5 結(jié)論
綜上所述，對于小型儲配站，因為流量小，可以選用價格上占優(yōu)勢的滑片泵。而對于大型儲配站，因為自動化水平高，附屬設(shè)施多，安全性要求更高，可以選用零泄漏的屏蔽泵或磁力泵。需注意的是，屏蔽泵效率較低，不容許長時間在小流量工況下運行，其價格較低。磁力泵的工藝性能好，但價格稍高。
表1 滑片泵、屏蔽泵和磁力泵的經(jīng)濟(jì)性比較
 
流量(m3/h)
揚程(m)
功率(kW)
價格(萬元)
滑片泵
35
20
11
0.87
屏蔽泵
27
20
7.5
1.05
50
50
22
1.65
磁力泵
27
20
7.5
1.2
50
50
22
2.2
表2 滑片泵、屏蔽泵和磁力泵的綜合性能對比
 
類型
優(yōu)點
缺點
適用范圍
滑片泵
容積式
結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積??；優(yōu)異的自吸能力；調(diào)節(jié)范圍廣。
流量小，噪聲大。軸傳動，有泄漏點。
用于自動化程度低，規(guī)模小的儲配站。
屏蔽泵
離心式
全封閉式靜密封；結(jié)構(gòu)緊湊體積小。
要求介質(zhì)的潤滑性好，效率較低。
用于自動化程度高，大中型，且投資控制嚴(yán)格的儲配站。
磁力泵
離心式
全封閉式靜密封；無需獨立潤滑和冷卻水，能耗低；效率高；阻尼減振。
價格貴。
用于自動化程度高，大中型，且預(yù)算寬裕的場站。
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(本文作者：譚春艷 楊永慧 劉璐 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司 100032)