旋喷泵在化工装置中的应用研究报告

Research Report on the Application of Rotary Jet Pumps in Chemical Installations

Abstract: This study introduces the structural features and technical advantages of rotary jet pumps. Through case analysis and comparisons with high-speed pumps and multistage pumps under identical operating conditions, the technical superiority and economic benefits of rotary jet pumps in low-flow high-head operating scenarios are validated.

Keywords: Rotary jet pump; Mechanical seal; Chemical installation; Energy conservation and emission reduction

旋喷泵在化工装置应用研究报告

摘要：本文主要介绍了旋转喷射泵的结构特点、技术优势，通过案例分析与相同工况下的高速泵、多级泵做对比，验证其在小流量高扬程工况下的技术优势与经济效益。

关键词：旋喷泵；机械密封；化工装置；节能减排

中图分类号：文献标识码：文章编号：

1引言

早在1938年因二战急需火箭燃料泵德国和英国开始对小流量超高扬程泵进行研制。因多级离心泵的级数太多可靠性差；而往复泵高压下压力脉动强烈且易损件又多均被否认。研制人员当时提出了两种全新构思的离心泵^［1］：Barske博士首先提出了高速、开式叶轮、部分流型离心泵方案避免了以前只是简单将常规离心泵高速化出现的种种故障（高轴向推力、口环磨损的性能下降等）；另一全新构思是将叶轮与泵壳联为一体同步回转当时称为旋转壳体泵的单级离心泵。众所周知离心泵的基本原理是叶轮回转获得动能再将动能转化为压力能。小流量超高扬程离心泵的效率之所以低关键是叶轮的圆盘摩擦损失太大此项损失与叶轮直径的五次方成正比与转速的三次方成正比。如果让叶轮与泵壳同步回转液体在获得动能的过程中圆盘摩擦损失就几乎为零，再将动能转化为压力能采用集流管来完成此能量的转化。^[2]

图1旋喷泵剖视图

在石油化工装置中，泵作为流体输送的核心设备，其性能直接关系到生产系统的稳定性与经济性。旋喷泵作为一种新型特种泵，凭借独特的工作原理和结构优势，逐渐在高压、小流量工况下展现出替代传统高速泵与多级离心泵的潜力。本文通过对比旋喷泵与后高速泵、多级泵的技术特性及工业应用表现，揭示其在特定场景下的综合优势，为石化行业设备选型提供理论依据。

2旋喷泵的结构

2.1 叶轮

相较于多级泵和离心泵而言，旋喷泵的叶轮具有两大特点：

1、加工工艺：旋喷泵叶轮采用锻件精加工，高精度数控机床在工件上铣出流道，表面粗糙度可达R3.2，降低了圆盘摩擦损失。

2、结构特征：多级离心泵与高速泵均采用常规叶片式叶轮，而旋喷泵多采用流道式叶轮^[3]。流道式叶轮具有宽大、通畅的流道结构，在复杂流体输送工况下优势明显^[4]。该类叶轮通过减少叶片数量、优化流道形态，显著提升了抗堵塞能力，可稳定输送含纤维、固体颗粒及高粘度介质^[5]；同时，其流场分布更均匀，能有效削弱局部低压区强度，抑制气蚀的发生与发展，有利于延长设备使用寿命^[4,6]。

图2叶轮

2.2 转子腔

锻件精加工，在高精度机床加工下，表面粗糙度可达R3.2，减少介质与转子腔的摩擦。常用材料高强度碳钢、奥氏体不锈钢、双相钢等。

图3转子腔

2.3 机械密封

机械密封安装在泵的入口，泵入口压力相对较低密封更容易实现，同时自带一个Plan03冲洗系统，延长机械密封的使用寿命。机械密封更换方便，维修人员只需将进出水体水平退出便可将机械密封拆除，大大节省维护时间以及降低对维护人员的素质要求。

图4机械密封

2.4 泵轴承

根据入口压力选择不同的轴承类型，每台设备一共两套轴承，采用甩油环自润滑，提高轴承的润滑效果，增加使用寿命。

图5四点角接触轴承

3旋喷泵的技术优势

3.1无圆盘摩擦损失

由于旋喷泵的叶轮和转子腔为锻件精加工表面粗糙度极低，同时介质与转子腔同步回转没有相对运动，从而没有圆盘摩擦损失，数据显示，普通多级泵的圆盘摩擦损失可达泵扬程总损失的30%。

3.2机械密封在泵的入口

传统多级泵与高速泵的机械密封多布置于高压端，在介质压力与高转速的叠加作用下，密封易出现失效。旋喷泵将机械密封设置在低压入口端，密封条件更易保证，并通过静止集流管实现高压输出隔离，大幅延长机械密封使用寿命。同时，整泵仅配备一套机械密封，有效减少故障点，降低备件成本。

3.3几乎没有轴向力

由于液体与转子腔产生的力是内力，可以相互抵消，唯一产生轴向力的地方在泵入口的机封轴套与集流管之间形成的环形流道处产生的力，由于入口压力小，产生的轴向力也小，因此可以通过选用轴承抵消轴向力。

3.4自润滑

旋喷泵采用双甩油环，由主轴的旋转带动甩油环转动从而将润滑油带到轴承上，润滑轴承以及带走轴承产生的热量，不需要像高速泵额外增加强制润滑。

3.5介质不与泵轴接触

旋喷泵的泵轴不与介质相接触，在选材的时候可以选择刚性更好的材料而不用考虑其腐蚀性，增加轴的可靠性和使用寿命。

3.6从零流量在任意流量点稳定运行

理论上满足旋喷泵运转所需的最小热控流量，旋喷泵就可以在最小热控流量点到设计流量点之间任意一点稳定运行，普通离心泵只能在很小的区间范围内运行。

4旋喷泵的能耗对比

某醋酸装置，流量4.1m³/h，扬程460m，介质相对密度1：

Table 1旋喷泵与高速泵对比

旋喷泵年节约电费：（26.2-11.9)*8000*1元=114,400元

Table 2旋喷泵与多级泵对比

旋喷泵年节约电费：（23.3-11.9)*8000*1元=91,200元

数据显示，工况下，旋喷泵的效率约高20%，每年节约电费数额巨大，同时旋喷泵结构简单、备件少、维护方便、运行稳定等优点非常适合替换小流量高扬程场合的高速泵和离心泵，响应国家绿色发展战略，符合企业降本增效目的。

5结语

流量0～80m³/h，扬程 100～1200m的小流量、高扬程领域由于旋喷泵将叶轮与转子腔联为一体同步回转,因此液体在获得动能的过程中无圆盘摩擦损失。这是该新型泵比相同超低比转数的高速泵和多级离心泵效率高得多的根源所在。另一核心技术是集流管的设计方法和制造技术这是决定动能转化为压力能效率高低的关键这也是国内不同厂旋喷泵产品性能差异大的主因。与高速泵和多级泵相比在小流量和超高扬程时旋喷泵的技术优势较明显。在小流量超高扬程泵选型时应增加这种性价比更高的品种进行多种泵型的技术经济评价。

参考文献：

[1] Barske U M．Development of Some Unconventional Centrifugal Pumps[R].Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers 1960 174-177.

[2] 魏宗胜，皮托管泵在小流量高扬程领域的应用及前景[J].化工设备与管道，2009

[3] 程云章，施卫东，陆伟刚。旋喷泵内部流动与能量损失分析研究 [J]. 水动力学研究与进展 (A 辑), 2004, 19 (4): 486-491.          [4] 关醒凡。现代泵理论与设计 [M]. 北京：国防工业出版社，2011.          [5] 刘厚林。旋喷泵水力设计与内部流动研究 [D]. 镇江：江苏大学，2006.         [6] 中国机械工程学会。泵与原动机选用手册 [M]. 北京：机械工业出版社，2009.

特别鸣谢中密控股股份有限公司旋喷泵团队提供的数据支撑！

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