漫谈离心泵关死点压力

前言

本篇部分内容来源于Linkedin网站，由旋转设备设计工程师Amir Khodabandeh所写的Centrigugal Pumps - Shutoff Pressure（但该作者对API标准的理解存在错误，因此原文中的计算示例比较混乱、错误），《泵沙龙》翻译、修改整理和补充。仅供参考。

在离心泵中，通过叶片不断地向液体输送动力。与往复泵相反，动力不会直接转化为压力，而是先将动力转化为液体流速。然后降低流速，根据伯努里定律，流速降低压力会增加。

图1：基于API的典型离心泵曲线

典型的离心泵曲线如图1所示。在继续进行关死（关断）概念之前，请查看泵制造商随曲线提供的数据。这些信息包括额定流量和扬程、额定点的NPSHA和NPSHR。还应包括泵的服务。

关死的定义

如图1所示，通过降低流量，扬程会增加。流量为0时将达到最大扬程。流量为0是什么意思？这意味着无论如何，管道中的流体流动都会突然停止。当泵下游的阀门（在相对较短的时间内）关闭时，考虑到泵在正常或额定工况下工作，压力波将传回泵。这种现象称为水锤现象。

波浪在管道中衰减后，压力将增加至无流量条件下泵扬程的当量。该压力称为“关死点压力”。

图2：关闭阀门后，压力波将通过管道传播。如果关闭时间短，就会形成水锤。

关死点压力的计算

最大吐出压力应为最大吸入压力加上泵（在配备的叶轮以额定转速和规定的正常相对密度运行时能够产生）的最大压差。

该压力等于：

P= Ruh×g×h+P（suc.Max）

式中：

Ruh = 密度；

g = 重力加速度，9.81 m/s²；

h = 关死点扬程；

P(suc.Max) = 最大吸入压力。该值取决于泵的上游情况，并应提供给泵制造商。

如果所有单位都是SI，那么压力P将以帕斯卡（Pa）为单位。

图3：可接受的试验允差

根据图3（API 610第11版的表16），泵制造商在测试过程中被允许具有比他们在曲线上给定的更高的关死点扬程。在这种情况下，要么在计算关死点压力时考虑这些公差，要么泵制造商应确认他们的泵没有正公差。例如，对于并联运行且额定（非关死点）扬程不超过75 m的泵，P（关死点）应乘以1.1。

关死点压力的估算

在工厂投资初期（项目立项初步预算）时，无法获得较准确的泵曲线。如果要估算受关死点压力影响的管道或其它设备的成本，则必须较准确地估算出关死点压力。

幸运的是，这并不是一项艰巨的任务。

1）P(suc.Max)是清晰的，因为泵的上游是清晰的。

2）泵的额定扬程也清晰可见。工厂设计师知道泵的额定扬程。

根据API 610第11版条款6.1.11的规定，从额定点到关死点扬程上升量至少为10 %。因此，关死点扬程至少为额定点扬程的1.1倍。现在根据泵定额扬程考虑试验允差，来计算最终最大和最小关死点扬程。

泵沙龙注1：扬程上升量至少为10 %是针对并联运行的泵的要求。对于API泵，关死点扬程通常为额定扬程的1.1至1.2倍；而高能泵通常可能达到1.3倍左右。

示例

某台泵已知参数：

最大吸入压力 = 43 barg；

介质密度 = 1000 kg/m³；

额定扬程 = 149 m。

关死点压力的估算：

首先，我们估算最大扬程。根据上述泵沙龙注1，通过普通离心泵，最大关死点扬程等于149×1.2 = 178.8（m）；如果考虑到测试允差（8 %，见API标准表16），则带最大正公差的最大关死点扬程为178.8×1.08 = 193.1（m）。

现将此扬程换算成压力 = 193.1（带最大正公差的最大关死点扬程）×9.81（重力加速度）×1000（水的密度）/100000（单位转换成bar）= 18.94（bar）

则最大关死点压力为18.94 + 43 = 61.94（bar）

同样的方法，我们可以估算出最低扬程。带最大负公差的最小关死点扬程为149×1.1×（1-0.08）= 150.8（m）

换算成压力 = 150.8×9.81×1000/100000 = 14.79（bar）

则最小关死点压力为14.79 + 43 = 57.79（bar）

泵沙龙注2：然而，在实际工程应用中，对于一些高能泵，从额定点到关死点的扬程上升量通常会达到甚至超过30 %。为此，在估算实际关死点压力时，应向泵制造商咨询。或者，出于对下游管道及设备的安全考虑，《泵沙龙》建议在估算的最小关死点压力基础上乘以1.3/最大关死点压力基础上乘以1.2的安全系数。

考虑《泵沙龙》推荐的安全系数，实际工程应用中，最大关死点压力可取：61.94×1.2 ≈75（bar）。

关死点扬程在什么情况下很重要？

通常，关死点扬程仅在某些情况下才重要。如果泵在回路中工作而不会发生堵塞，则关死点压力并不重要。例如，在图4中，有一只阀门（红色圆圈内）可能会突然关闭（产生水锤）。因此，在这种情况下，考虑关死点压力很重要。

图4：带出口阀的泵

在图5中，图形底部的两台泵将液体泵送至换热器，换热器出口处有一只阀门。如果阀门突然关闭，压力将首先通过换热器，然后返回到泵。因此，在换热器的设计中，还应考虑泵关死点压力。

图5：换热器后带有出口阀的双泵，关死点压力将影响换热器（图中的E-3005）

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关死点压力造成的损坏

如图6所示，关死压力造成的损坏可能非常严重。损坏不是因为压力增加，而是因为压力波、水锤。为了避免水锤，使用了一种称为自动再循环阀或ARC阀的特殊阀门（泵沙龙注：这里主要用于泄压）。

在发生出口阀突然关闭的情况下，通常不会损坏泵，但损坏会集中在管道、接头或薄壁设备（如换热器的内管）上。

图6：压力波造成的损坏

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