大港油田第六采油厂
摘要：本文通过论述离心泵的工作原理、主要参数、相关计算公式、泵特性曲线，管路特性曲线，泵特性曲线和管路特性曲线之间的关系，流量调节方法，影响离心泵系统效率的因素及对策，现场实例的运用，从而给出离心泵经济运行的操作方式和方法，以达到正确使用的目的。
关键词：离心泵；特性曲线；效率；节能
引言
在油田开发生产中，常常需要将流体从低处输送到高处，或从低压送至高压，或沿管道送至较远的地方。为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。为流体提供能量的机械称为流体输送机械。流体输送机械根据工作原理的不同通常分为四类，即离心式、往复式、旋转式及流体动力作用式。流体中，气体与液体不同，气体具有可压缩性，因此，气体输送机械与液体输送机械不尽相同。用于输送液体的机械称为泵，用于输送气体的机械称为风机或压缩机。对于输送液体而言，在油田应用较多的是离心式和往复式泵，离心式泵与往复式泵相比，液体是连续流动的，能量连续地由叶片传给液体，所以离心泵的排量均匀，压力平稳；离心泵的结构简单，叶轮高速转动，可用高速电动机直接驱动，因此离心泵机组尺寸小，重量轻；离心泵的易损件少，无往复运动件，因此维修工作量相对较少；另外离心泵的排量可用阀门调节，比往复式泵调排量要方便得多。正是这些优点，所以离心泵在油田开发生产中得到广泛应用。
1 正文
1.1离心泵的工作原理
离心泵其工作原理是在蜗壳形泵壳内，有一固定在泵轴上的工作叶轮，叶轮上有稍微向后弯曲的叶片，叶片之间形成了使液体通过的通道，泵壳中央有一个液体吸入口与吸入管连接，液体经吸入管进入泵内，泵壳上的液体压出口与压出管连接，泵轴用电机或其它动力装置带动。启动前，先将泵壳内灌满被输送的液体，启动，泵轴带动叶轮旋转，叶片之间的液体随叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体沿着叶片间的通道从叶轮中心进口处被甩到叶轮外围，以很高的速度流入泵壳，液体流到蜗形通道后，由于截面逐渐扩大，大部分动能转变为静压能。于是液体以较高的压力，从压出口进入压出管，输送到所需的场所。
当叶轮中心的液体被甩出后，泵壳的吸入口就形成了一定的真空，外面的大气压力迫使液体经吸入管进入泵内，填补了液体排出后的空间，这样，只要叶轮旋转不停，液体就源源不断地被吸入与排出。
离心泵若在启动前未充满液体，则泵壳内存在空气。由于空气密度很小，所产生的离心力也很小，此时，在吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，此现象称为“气缚”，为防止气缚，在启动前必须对泵进行放空。
1.2离心泵的主要性能参数
为了正确选择和使用离心泵，必须要了解离心泵的性能。离心泵的主要性能参数有流量、扬程、功率、效率。
1.2.1 流量
泵的流量（又称泵的排量）是指单位时间内泵所输送的液体体积。用符号Q表示，单位为Ｌ/ｓ或m3/ｈ。
1.2.2 扬程
泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量，用符号Ｈ表示，单位为（m）米液柱。离心泵压头的大小，取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。
1.2.3 效率
液体在泵内流动过程中，由于泵内有各种能量损失，泵轴从电机得到的轴功率，没有全部为液体所获得。泵的效率就是反映这种能量的损失。泵内部损失主要有三种，即容积损失、水力损失和机械损失，现将其产生原因分述如下：
1.2.4容积损失
容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。因此，从泵排出的实际流量要比理论排出流量低，其比值称为容积效率η1。
1.2.5水力损失
由于流体流过叶轮、泵壳时，流速大小和方向的改变，而发生阻碍、冲击产生的能量损失。所以泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头低，其比值称为水力效率η2。
1.2.6机械损失
机械损失是指叶轮盖板两侧面与液体之间的摩擦损失（也叫圆盘损失），以及在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械摩擦而消耗部分能量，故泵的轴功率大于泵的理论功率（即理论压头与理论流量所对应的功率）。理论功率与轴功率之比称为机械效率η3。机械损失中圆盘损失是主要的，特别是在输送粘性液体时，由于圆盘损失显著增加，机械效率会大大降低。
泵的总效率η（又称效率）等于上述三种效率的乘积，即
η＝η1×η2×η3 式①
离心泵的总效率是通过试验测定的，并且在出厂前标注在泵的铭牌中。泵的效率一般为0.6—0.85左右，大型泵可达0.90。
1.2.7功率
1.2.7.1泵功率
离心泵的功率通常是指泵的轴功率，也就是电动机输入到泵轴的功率，用N表示，其单位一般为KW。
单位时间内流过离心泵的液体从泵得到的能量称作有效功率，用Ne表示，则有：
Ne＝QHρg 式②
式中 Ne—泵的有效功率，W；
Q—泵的流量，m3/s；
H—泵的压头，m；
ρ—液体的密度，kg/m3；
g—重力加速度，m/s2。
已知g=9.81m/s2；1kW=1000W，则可用kW单位表示，即
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式③
一般地，泵的排量计量单位习惯称为m3/h，所以则有：
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式④
1.2.7.2泵效率
液体在泵内流动的过程中，由于泵内有容积损失、水力损失与机械损失，泵轴从电机得到的轴功率，没有全部为液体所获得，泵的效率就是反映这种能量的损失，效率公式为：
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式⑤
1.2.7.3电机功率
由于电动机在运行过程中存在定子线圈发热、漏磁、电机前后轴承磨阻等能量损耗，所以电机功率要比泵轴功率大。
P=kN k=（1.05～1.15） 式⑥
1.2.7.4泵机组单耗
单位时间内电机消耗的电能与泵机组泵出液体的液量之比为泵机组单耗，即：
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式⑦
此公式是判断投入运行的泵在泵和管路系统中是否经济、高效的主要评判依据。
1.3离心泵的理论基础
1.3.1离心泵的特性曲线
扬程、流量、功率和效率是离心泵的主要性能参数，只有真正了解泵参数之间的关系，才能经济合理运行。
Q-H曲线是表示泵的流量Q和扬程H的关系，离心泵的扬程在较大流量范围内是随流量增大而减小的。Q-N曲线是表示泵的流量Q和轴功率N的关系，N随Q的增大而增大。Q-η曲线表示泵的流量Q和效率η的关系，开始η随Q的增大而增大，达到最大值后，又随Q的增大而下降，该曲线最大值相当于泵运行时的效率最高点，泵在该点所对应的压头和流量下运行，其效率最高。（一般地，在泵铭牌上所标明的参数是最高效率下的扬程和流量）
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1.3.2 管路特性曲线
当离心泵安装在一定的管路系统中工作时，其扬程和流量不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于管路的工作特性。在特定管路中输送液体时，所需压头Ｈ随液体流量Q的平方而变化，即：Ｈ＝Ａ＋BQ2（式中A值的大小主要取决于泵的供液罐与接收罐之间的位差，B值的大小主要取决于管路系统中的管径、长度和局部阻力），而将此关系描绘在座标图上，即得Ｈ－Q曲线，称为管路特性曲线。它表示在特定的管路中，压头随流量的变化关系，此线的形状与管路布置及操作条件有关，而与泵的性能无关。
在特定管路中输送液体时，所输送的液体是靠泵和管路相互配合完成的。离心泵安装在一定的管路系统中工作时，包括阀门开度也一定时，就有一定的流量与压头，此流量与压头是离心泵特性曲线与管路特性曲线交点处的流量与压头，此点称为泵的工作点，如图Ｐ点所示。显然，该点所表示的流量Q与压头Ｈ，既是管路系统所要求，又是离心泵必须提供的，若该点所对应效率是在泵的高效率区，则该工作点是经济的。
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1.3.3 离心泵相似问题
根据水力学的水动力相似理论，两台泵相似必须满足几何相似、运动相似和动力相似三个条件。几何相似：两台泵流道部分的结构尺寸应成比例，相应的结构角应相等；运动相似：两台泵流道中对应点的流速方向一致，大小成比例；动力相似：要求流道对应点上液体的重力、压力、粘性力等等都应符合相似关系。当两台泵符合相似条件时，两台泵的有效扬程H、有效排量Q、轴功率N、泵转速n、泵叶轮外径D近似有如下关系：
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，
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，
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式⑧
1.3.3.1离心泵的转数对特性曲线的影响
离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的。当转速由n1改变为n2时，其流量、压头及功率的近似关系为
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，
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，
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式⑨
上式称为比例定律，当转速变化小于20%时，可认为效率不变，用上式进行计算误差不大。
1.3.3.2叶轮直径对特性曲线的影响
当叶轮直径变化不大，转速不变时，叶轮直径、流量、压头及功率之间的近似关系为
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式⑩
上式称为切割定律。
1.3.4 液体物理性质的影响
泵生产厂家所提供的特性曲线一般是用清水作实验求得的。当所输送的液体性质与水相差较大时，要考虑粘度、密度等对特性曲线的影响。
1.3.4.1粘度的影响
所输送的液体粘度愈大，泵体内能量损失愈多。结果泵的扬程、流量都要减小，效率下降，而轴功率则要增大，所以特性曲线改变。
1.3.4.2密度的影响
泵的轴功率随液体密度而改变，密度越大，所需轴功率越大。但离心泵的扬程与密度无关，这可以从概念上加以说明。液体在一定转速下，所受的离心力与液体的密度成正比。但液体由于离心力的作用而取得的压头，相当于由离心力除以叶轮出口截面积所形成的压力，再除以液体密度和重力加速度的乘积。这样密度对压头的影响就消除了。
1.3.4.3溶质的影响
如果输送的液体是水溶液，浓度的改变必然影响液体的粘度和密度。如果输送液体中含有悬浮物等固体物质，则泵特性曲线除受浓度的影响外，还受到固体物质的种类，以及粒度分布的影响。
1.3.4.4 汽蚀的影响
当流道中局部地方液体的压力低于输送温度下液体的汽化压力时，液体中就会出汽（气）泡，汽泡被液流带到压力较高的区域时迅速凝结，在凝结过程中，汽泡周围的液体以高速向汽泡中心运动，从而产生严重的水击现象。这种水击产生的局部瞬时压力可高达103MPa，如果汽泡紧贴流道表面，流道表面就会受到损伤。也有专家认为流道表面的破坏首先是由于电-化学作用对材料的腐蚀，汽泡在溃灭时可产生200—300℃的局部温升，形成热电偶，造成电解作用，析出具有强烈化学腐蚀性的初生氧，使材料因电解腐蚀而损坏。目前一般认为材料的破坏是机械冲击和电化学腐蚀的综合过程。上述的液体气化、凝结、水击和腐蚀的综合就称为汽蚀现象。
当流道内产生汽蚀时，泵内会产生特殊的噪声和振动，泵的扬程、排量和效率突然降低，严重时会中断吸入。汽蚀严重时将危害离心泵的零件及性能，因此不允许在汽蚀条件下工作。
汽蚀破坏的区域一般在离心泵叶轮入口附近，损伤的表面有鱼鳞状、海绵状、沟槽状等，严重时可以将叶片蚀透。脆性的铸铁不耐汽蚀，致密而有韧性的材料如铝、不锈钢、青铜等抗汽蚀性较好。
1.4流量调节
泵在实际操作过程中经常需要调节流量。从泵的工作点可知，调节流量实质上就是改变离心泵的特性曲线或管路特性曲线，从而改变泵的工作点的问题。所以，离心泵的流量调节，不外从三方面考虑，其一是在排出管线上装适当的调节阀，以改变管路特性曲线；其二是改变离心泵的转速、改变叶轮外径和多级泵的增减级数，以改变泵的特性曲线，其三是在不改变泵的特性曲线和管路特性曲线而通过增开或停运并联泵的方式改变泵的工作点，以调节流量。
1.4.1 改变阀门的开度
改变阀门开度以调节流量，实质是用开大或关小阀门的方法来改变管路特性曲线。当阀门关小时，管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，流量减小，离心泵单耗增大。当阀门开大时，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，流量增大，离心泵单耗减小。
1.4.2 改变泵的转数
改变离心泵的转数以调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线。由比例定律可知，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，但需要变频装置来控制电动机。
1.4.3 车削叶轮的外径
车削叶轮的外径是离心泵调节流量的一种独特方法。在车床上将泵叶轮的外径车小，这时叶轮直径、流量、压头和功率之间关系，可按切割定律进行计算。虽减小叶轮直径可改变泵的特性曲线，但已使泵的结构发生改变，且可调节流量范围不大，直径减小不当还会加剧离心泵的容积损失而降低泵的效率。
1.4.4 改变多级泵的级数
改变多级泵的级数以调节流量，实质上是维持管路特性曲线不变，而改变泵的特性曲线。此方法对流量的调节是有限的，且这已使泵的结构改变，但通过减级，降低泵的排量，节能效果是显著的。
1.4.5 改变并联运转泵的台数
在不改变泵的特性曲线和管路特性曲线而通过增开或停运并联泵的方式可以调节流量。但是这种调节方法不适于较小流量调节，而是适于大排量调节。
1.4.6 节流阀与转速调节流量方法的比较
采用什么方法来调节流量，关系到能耗问题。当转速不变采用阀门来调节流量，这种方法简便，并在生产现场广泛采用。但关小阀门会使阻力加大，因而需要多消耗一部分能量以克服附加的阻力，这是不经济的。
当采用改变转速调节流量时，可使管路特性曲线保持不变，根据离心泵比例定律，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降低到90％时，流量减少到90%，而轴功率却下降到额定功率的（90％）3≈73％，在不考虑电损的情况下节电率达27%；若流量需减少到80％，则转速相应减少到80％，此时轴功率下降到额定功率的（80%）3≈51％，在不考虑电损的情况下节电率达49%。由此可见，采用改变转速调节流量节能效果是显著的，但需要价格较贵的变频装置来控制电动机。
鉴于上述的论述结果，在输送流体的泵和管路系统中，在泵压与管压相差较大的生产运行系统中应考虑使用变频调速的方法来控制流量的调节，在泵压与管压相差较小的生产运行系统中可用阀门来调节流量。
1.5影响离心泵系统效率的因素及对策
通过上述五节的论述，可以得出影响离心泵系统效率因素主要体现在三方面，即：离心泵效率的影响、液体物理性质的影响和与离心泵相连接的管路特性的影响。
1.5.1 影响离心泵效率的因素与对策
1.5.1.1机械损失
机械损失是由于机械摩擦需消耗部分能量而造成的，因此在日常的工作中应注重离心泵的维护保养，最大限度地减少机械磨擦损失。
（1）定时对润滑油（或润滑脂）进行检测，按质定期加注或更换润滑油（或润滑脂）保证轴承润滑质量。
（2）定期检查和调整盘根压盖或机械密封装置松紧程度。
（3）定期对离心泵的前后轴承振动进行状态监测，防止泵轴承滚珠（或滚柱）间隙过大或轴承跑内外圆而磨损加剧。
1.5.1.2容积损失和水力损失
容积损失主要是平衡盘处的漏失和叶轮与泵壳之间的间隙漏失。而水力损失主要包括阻力损失和冲击损失，阻力损失指流道部分的沿程和局部损失，它与流道的光洁度、流道的形状、液体的粘度以及排量等有关。冲击损失包括叶轮进口处、导轮进口处和壳体隔舌处的冲击损失。要减少水力损失和容积损失，一是减小离心泵的转速，二是车削叶轮的外径，三是减少多级泵的级数或换单级泵。
1.5.2 液体物理性质对泵的影响及对策
液体物理性质对离心泵效率的影响主要体现在粘度上，降低粘度的方法主要有二种，其一是对液体加温，因为液体的粘度随温度的升高，粘度急剧下降。其二是在液体中添加降粘剂来减小液体的粘度，即所谓的冷输。
1.5.3 与离心泵相连结的管路特性的影响与对策
根据管路中所需压头Ｈ随液体流量Q的平方而变化，即：Ｈ＝Ａ＋BQ2，式中A值的大小主要取决于泵的供液罐与排出罐之间的位差，B值的大小主要取决于管路系统中的管径、长度和局部阻力。要减小管路特性对系统效率的影响，一是改变阀门调节流量控制为变频控制调节流量来减小局部阻力，二是加大管径或部分管径来减小沿程摩擦阻力或局部阻力。
1.6提高离心泵系统效率的现场运用
在油田开发生产初期，由于前期设备的选型充分考虑到油田开发中后期设备的实用性，所以设备的排量和扬程大部分远高于实际生产的需求，且流量调节一般都是通过阀门的开度来控制；而与泵相连的管路系统，随着油田不断开发，产出液量增加，造成管路阻力逐渐增大等，从而影响离心泵系统效率。根据前面的论述和分析，结合采油厂实际，近几年来，通过调整、改造和更新，离心泵系统效率大幅提升，节能效果显著。
1.6.1 流量调节由阀门控制改为变频控制，实现节能
1.6.1.1孔大站外输泵
孔大站外输泵，主要担负三厂来油转输任务，管线全长20.5Km，管径为325mm，设有多级离心式输油泵（DY150-50*6，配用功率200Kw）四台。单泵工频运行时，泵压3MPa，管压1.1MPa；双泵工频运行时，泵压3.2MPa，管压2.4MPa；通过运行控制方式的改变（即：由原来的工频控制调整为变频控制），削除了泵出口阀门节流的局部阻力，使孔大站输油单耗由原来的1.44kw.h/吨，下降到1.15kw.h/吨，节电率达20%，年节电47.3万度/年。
1.6.1.2孔大站脱水泵
孔大站脱水泵，主要担负孔大站原油脱水任务，装有单级离心式输油泵二台，额定排量80方，扬程94米，配用功率45Kw。工频控制运行时泵压0.9MPa，管压0.3MPa；变频控制运行时泵压0.3MPa，管压0.3MPa，频率40Hz。通过实际能耗对比，变频控制运行后节电率达21%，年节电13万度/年。
变频控制器的现场应用，在实现节能降耗的同时，因设备转速的减慢，降低了设备的摩损，同时减少设备维护费用的投入。
1.6.2 改变离心泵的特性，提升泵系统效率
1.6.2.1更新孔掺水泵
孔掺水泵型号为DG25—50×7，排量25m3/h，扬程350m，配用电机功率为55KW，运行方式为一用一备，控制方式为变频手动控制运行。经现场落实，采油三队日掺水量300m3，泵压3MPa，掺水井最高掺水压力1.1MPa，掺水单耗m1=2.61，根据泵机组单耗计算公式，
即：
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掺水密度ρ取1000kg/m3，k取1.1，扬程H取150m，泵效η取0.48，将上述参数代入上式，则有
掺水泵机组单耗 m=0.94
泵机组实际单耗与理论相差 Δm=m-m1=-1.67
根据上述计算与对比分析，可得出结论，孔掺水泵扬程高，配用电机功率大和单井掺水阀门截流，是导致孔污水站掺水泵机组单耗较高的原因。从设备运行高效方面考虑，孔掺水泵应从新选型更新。通过对孔掺水泵选型更新（新泵排量：25m3/h，扬程：180 m，电机功率为：22KW）和掺水阀门控制下调后，节电率达60%，年节电15.3万度。
1.6.2.2更新羊15站外输泵
羊15站外输泵，主要担负本站所有油井生产的原油和污水的外输任务，装有多级离心式输油泵（电机功率90KW）二台，日输液1500方，泵变频控制运行时泵压2.8MPa，管压0.65MPa，频率49Hz。由于该泵为六级泵，且排量与实际输液量基本持平，导致泵转速高，因而泵内水力损失和容积损失较大，泵效较低，泵变频控制意义不大。根据前面影响离心泵的效率分析，要提高泵效只有换大排量、较低扬程的泵才是最有力提升泵效的办法。通过换泵工作的实施，即该泵更换为排量80m3/h，扬程为97米，配用电机功率为45Kw后，泵变频控制运行时泵压0.65MPa，管压0.65MPa，频率40Hz，经换泵前后能耗对比，节电率达49.1%，年节电25万度。
1.6.2.3更新扣三站热循环泵
原泵（扬程：70米，功率：7.5KW）为立式泵，泵轴和轴套材质为45号钢，密封为橡胶密封。由于泵输送水质硬度大、温度高，导致该泵维修频繁。通过选型更新为ISR卧式泵（扬程：20米，功率：１.5KW），采用不锈钢泵轴和轴套材质，动静环合金密封。该项目实施后大大延长了设备维护保养周期，为扣三站原油脱水长期平稳运行奠定了坚实基础，同时年节电3.6万度。
1.6.2.4扣三站液下泵技术改造
扣三站液下泵型号为YDB25-25*4，即扬程为100米，经测算，实际压头损失不超过30米，通过对该站两台液下泵减级技改后，节电率达40%，见到了良好的节能效果。
1.6.3 改善管路特性的局部阻力，提升泵系统效率
羊中心站老污水外输泵，主要担负羊三木油田污水外输至污水处理站的任务。设有单级离心式水泵三台，额定排量200m3/H，扬程50米，配用功率45Kw，自1993年投产到2002年以来一直双泵运行，自02年下半以后，随着羊三木油田的不断开发，来液量增加，原来运行方式已不能满足生产的需要，因而扩建新污水外输泵，即增设单级离心式水泵三台，额定排量200m3/H，扬程80米，配用功率75KW，双泵运行。2004年底重新调查、分析羊中心站老污水外输泵问题，得出主要原因是三台泵出口管线到汇管（出口管线直径100mm，长6米）的直径小，因而增加局部阻力而影响外输泵排量达不到生产要求的结论。通过对三台泵出口管线的更换（直径159mm），老污水外输泵完全能满足生产的要求。通过新、老污水外输泵能耗对比，年节电37万度。
2 结论
2.1合理选型
提高离心泵运行效率的关键是选择合理的工作参数，因此在工艺设计或工艺改造中，必须谨慎选择离心泵的扬程余量及排量余量，保证离心泵在工艺运行参数范围内的合理工作效率。
2.2 离心泵的节能改造
流体介质性质、工作方式都影响到离心泵的运行效率，提高离心泵工作效率的相关改造工程要结合工艺改造进行，选择合理的改造方式是节能的前提。在离心泵扬程参数变化较大，尤其是单双泵运行的管输流程中，使用变频器是最佳选择。而受介质粘度，设备自身结构影响较大的情况下，选择合适的泵型进行更新是最佳选择。
参考文献：
[1]陶景明，杨敏嘉主编《采油机械》