Chapter 1
第1章 绪论
1.1 背景
流程离心泵广泛应用于石油化工、煤化工等行业，是国民经济必不可少的重要流体输送设备。在石油化工领域，一套180万t的甲醇装置需要120台离心泵，一套12万t的MTBE（甲基叔丁基醚）装置需要60台离心泵，一套300万t的加氢重整装置需要70台离心泵，一套210万t的延迟焦化装置需要50台离心泵。其中加氢重整装置输送高压注水的离心泵，流量8m3/h，扬程1400m，转速22000r/min，电动机功率185kW，是目前炼油生产中转速最高的高速离心泵；延迟焦化装置中输送高压除焦水的离心泵，流量320m3/h，扬程3350m，转速4100r/min，电动机功率4700kW，是目前石油化工领域采用电动机驱动功率最大的流程离心泵。从上述可以看出，高压（高速或多级）和大功率密度（大型化）是流程离心泵的发展趋势，向大功率发展就要求流程离心泵必须具有很好的工作可靠性。
在当前及今后流程工业安全生产紧迫性和重要性日趋重视的情况下，开展流程离心泵尤其是大功率石化流程离心泵的流体动力、转子动力及运行监控方面的研究非常迫切。在此基础上凝练基于实际运行工况的大功率石化流程离心泵水力设计和结构设计方法，不仅提升流程离心泵和整个液体输送系统的技术水平，而且对保证生产装置连续化安全和可靠运行至关重要。由于对流程离心泵融合设计关键技术研究不够而导致的生产故障甚至安全事故的教训非常深刻。如镇海炼化加氢重整装置中输送碳4介质的高速离心泵，由于流体动力设计方面的原因，其扬程流量特性线存在正斜率上升段，小流量工况会出现剧烈的出口压力脉动；而在系统运行中又未能及时监测到突变的压力脉动，导致装置运行故障。中海石油宁波大榭石化低温甲醇洗装置中输送贫甲醇的大功率流程离心泵，在转子动力设计过程中，由于对系统受力计算不准确，在特定工况下轴向串量和振动均超标；而在泵运行过程中由于未能及时监测，导致推力瓦烧毁和口环摩擦副碰磨，影响了连续化生产。陕西延长石油（集团）柴油加氢项目中制氢装置的锅炉给水泵，由于流体动力及转子动力设计方面的原因，产生了在小流量工况下诱导轮进口处强烈的回流流动和诱导轮叶片受力不均匀，曾两次发生诱导轮进口叶片断裂的情况，而在运行期间并未监测到诱导轮的故障，影响了装置的正常运行。
近年来，在石油化工、核电、南水北调、西气东输、大型火电以及国防等国家重大工程的有力推动下，我国大功率流程离心泵在研制和设计制造方面取得了较大的进展。百千万超超临界锅炉给水泵、长输管线输油泵和高速高压化工流程泵等已经基本实现了国产化，核电用离心泵国产化率已达到75%。尽管如此，我国流程工业一些关键装置的大功率流程离心泵仍然主要依赖进口，国产大功率石化流程离心泵的工作可靠性和产品性能与国外的相比仍有差距，国内用户对国产大功率石化流程离心泵的认可度也略显不足。镇海炼化仅进口一台4700kW高压除焦水泵就需要2000万元，进口各类流程泵超过3.5亿元；神华集团进口一台超临界锅炉给水泵需要3000万元；如考虑已建装置进口设备的维护费用，我国石油化工领域每年需要花费500亿元进口各类流程泵产品及其服务。
总体来看，我国流程离心泵尤其是大功率石化流程离心泵基本处于国际液体输送系统设备产业的中低端，流程离心泵的先进设计制造理念及其与运行调控的互联互通还没有引起高度的重视，较为完善的融合设计方法尚未形成。其存在的主要问题：一是在个性化设计方面，目前大都是选用现有的离心泵产品去适应现场使用工况，专门针对具体实际工况而开展的大功率石化流程离心泵个性化设计明显不足；二是在流体动力设计方面，现有设计方法仅仅基于速度系数法或相似换算法设计流程泵，较少采用流体动力学方法对大功率石化流程离心泵进行针对性的设计；三是在机械动力学方面，高速、高压、超大功率的发展趋势导致流体对大功率流程离心泵转子系统的作用愈加明显，而在离心泵转子系统设计时较少考虑到流场与转子系统的耦合作用；四是在实时动态的状态监测与安全诊断关键技术方面，目前大功率高速流程离心泵振动衡量指标以国际及国内行业标准（如API610、GB/T 3215、JB/T 8097）为依据，但这些标准对振动衡量指标的设定未考虑到运行工况及流场结构引起的流体激励力等因素的影响。目前国内外对上述问题研究得还不够充分，未能有效支撑建立基于流体动力学、转子动力学、在线监测和实际工况的大功率石化流程离心泵机组的融合设计方法。
存在上述主要问题的原因在于对流程离心泵尤其是大功率流程离心泵的关键科学问题研究得不够充分。大功率流程离心泵的真实运行环境和结构参数复杂，流场中很容易出现分离、漩涡、二次流等，同时存在不同尺度的轴向、径向和周向涡系。因此，流程离心泵内部非定常流动及其造成的转子非线性动力特性严重影响了泵的连续可靠运行。
石油化工工业的转型升级对大功率流程离心泵设备存在较大的需求。然而在设备设计和实际运行过程中，由于流程系统运行数据监测不足，以及实际生产中可能出现的特殊状况、产能扩大和工艺需求波动等原因，使得精确掌握流程离心泵的运行特性及其与管网系统的匹配存在很大难题。与普通离心泵相比，大功率石化流程离心泵的结构更为复杂，过流部件的结构形式更为多样。泵内部流体非定常激励及其造成的转子振动问题将严重影响大功率流程离心泵的安全稳定运行。因此，特定工况下的流程离心泵个性化设计以及流程离心泵运行过程中的状态监测和风险评估就显得尤为重要。从长周期运行和高效运行的理念出发，研究大功率石化流程离心泵机组的融合设计方法及其运行监控系统，对提升流程离心泵的产品档次、保障流程泵的安全可靠运行有着极大的意义。
为提升大功率石化流程离心泵的产品竞争力和安全运行水平，本书作者在国家自然科学基金重点项目的支持下，针对大功率石化流程离心泵开展了流动特性、转子动力及在线监测等相关方面的研究。本书创建了理论分析、数值模拟和流动测试相结合的大功率石化流程离心泵机组融合设计方法和在线监控平台，攻克了复杂流动环境下大功率石化流程离心泵机组的流动预测、转子系统动力预测及运行状态安全预估等关键核心技术，形成了适用于广泛应用条件下的大功率石化流程离心泵机组设计的新方法、新技术及新产品。
本书通过对大功率石化流程离心泵在流动特性、转子动力及在线监测等相关关键科学问题的研究，构建了用带螺旋度约束的动态亚格子应力模式精确求解泵内弱可压流动，提出了基于流体激励力考虑的转子动力特性计算分析方法，建立了基于流场计算、转子动力、结构设计和在线监控相结合的大功率流程离心泵机组的融合设计方法，开发出了基于实际工况的大功率石化流程离心泵机组系列产品，并在石化领域得到了广泛的应用。本书的总体结构如下：
1）以三元流动理论和经验公式作为初步设计基础，以效率和振动响应作为优化目标，以试车时的实测数据为判定准则，针对实际介质进行针对性的结构设计，提出了基于流体动力、转子动力、在线监测和实际工况的大功率石化流程离心泵机组的融合设计方法。
2）针对大功率石化流程离心泵内部流动非线性、流体介质弱可压和结构尺寸跨尺度的特点，形成了基于螺旋度约束动态亚格子大涡模拟的泵内全流场数值计算方法，并将其应用于流程离心泵内部的流动解析和水力性能预测。
3）基于试验和全流场数值计算结果，构建了考虑全流场激励力影响的转子动力预测技术和轴系设计方法，有效地分析了非最优工况下泵机组的转子动力特性，从力学机制上合理解释了主流场激励力和间隙流场激励力对转子动力特性的影响机理。
4）基于流场分析和转子动力特性计算辅以试验数据、在线监测数据和历史数据构建样本数据，建立大功率石化流程离心泵机组运行故障监测模型，开发故障监测系统云平台，指导在役流程离心泵机组的运行风险预测、故障预防与维护，实现泵机组设计、运行、检修等阶段的实时监测与风险评估。
5）开展产学研深度合作，提出了基于现场运行状况和实际流体介质的个性化结构设计技术，经独特的结构设计和积木化设计，设计开发了大功率加氢进料离心泵机组、大功率高压除焦水泵机组、大功率液力透平与加氢进料泵机组、大功率加氢反应进料高压注水泵机组、汽轮机驱动冷凝水泵机组、大功率单级高速原料油进料泵机组、高速串联加氢注水离心泵机组、大功率高温油浆泵机组、大功率低温高速液氧泵机组、大功率低温潜液离心泵机组等产品，这些开发产品均领先于同行业的产品性能，达到了国际先进水平。
为保证大功率流程离心泵具有很好的现场适应性，本书提出了基于流体动力、转子动力、在线监测和实际工况的大功率石化流程离心泵机组的融合设计方法，如图1-1所示。该方法是以三元流动理论和经验公式作为初步设计基础，以效率、汽蚀余量和振动响应作为优化目标，以优化设计方法进行计算求解，获得初步设计结果。采用带螺旋度约束的动态亚格子模式的大涡模拟对泵内全流场（主流场和间隙流场）进行计算；根据全流场计算结果再计算出相应的流体激励力并加载到转子系统运动方程里，从而来计算转子动力特性（模态振型、临界转速以及振动响应等）。通过泵内全流场和转子动力特性进行计算分析，预测出泵的性能指标（扬程、效率、功率、汽蚀余量等），并判断和校对初步设计是否满足要求，根据判断结果对初步设计中确定的全流场过流部件（诱导轮、离心叶轮、导叶、蜗壳以及口环、平衡鼓等间隙）和转子系统结构（诱导轮结构、叶轮结构、转轴结构、等效支承系统等）参数进行修正设计，直到计算结果满意为止。性能预期满足后，再特别针对实际介质进行针对性的结构设计，完成样机试制并配上专用在线监控系统进行试运行，根据试车时的实测在线监测数据判定样机性能是否满足要求，并再次根据监测数据对离心泵结构进行优化设计，直到满足设计要求为止。大功率流程离心泵整体结构设计除了过流部件外，还包括离心泵的转子系统设计、密封结构设计、支承系统、润滑系统以及控制系统等部分。
图1-1 大功率石化流程离心泵机组的融合设计方法