王凯
中石化南京工程有限公司 江苏 南京 210049
摘要：由于双螺杆泵自身结构特点，使得双螺杆泵可以输送各种粘度的介质，但是在低粘度、高压差工况下，双螺杆泵自身的缺点却被放大，使其不仅未表现出预期的性能，反而呈现出高内泄漏量，高能耗的特点。本文将通过将沙特某脂肪醇项目中已经投入使用的的两台双螺杆泵及一台往复泵进行横向和纵向的对比,并以此项目为例浅谈双螺杆泵在低粘度、高压差工况下工程应用的局限性。
关键词：双螺杆泵；低粘度；高压差；内泄漏；能耗
1本项目选用螺杆泵简介
1.1本项目螺杆泵选型过程（以P-69431为例）
考虑到本项目工艺参数是小流量（20m3/h）、高压差（进口压力为0bar,出口压力为27bar），因此直接放弃离心泵，从而将泵选型范围定在容积式泵范畴内。容积式泵分为转子泵和往复泵。在征询工艺包专利商的意见，并考虑泵占地面积之后，再次将泵选型范围缩小至转子泵。考虑到本项目工艺介质粘度较小（动力粘度为1.8mm+/s），高压差（进、出口压差为27bar），并综合供应商的选型参考意见后，我们最终将泵型定为：双螺杆泵。
1.2本项目选用螺杆泵的配置
本项目选用A公司的L4HG型双螺杆泵。该泵驱动方式为：电机直接驱动；结构为：外置轴承配同步齿轮；保温措施：蒸汽保温并配保温夹套；轴端密封型式：单端面集装式机械密封；轴端密封冲洗方案为：APIPlan11。双螺杆泵的典型结构见“图一”所示。
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2数据汇总
2.1数据来源
为了便于数据分析，因此本文中将双螺杆泵与往复泵的相关参数汇集至“表一”中。其中双螺杆泵的数据来自于A公司提供的泵机械数据表，往复泵的数据来自于B公司提供的机械数据表。
2.2数据的有效性
由于整个项目已经投产运行，根据现场实测反馈的数据，本文中所提到的设备均在设计工况下正常运行，各项指标均满足相关规范的要求。因此本人认为厂家在机械数据表中提供的数据是有效的、可靠的、值得信任的，这些数据可以作为相关计算、分析的依据。
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3数据处理、对比与原因分析
3.1数据处理
3.1.1数据处理方法
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3.2数据对比
关于P-69431，对比表一中的两种工况我们发现：当工况2的粘度为5.6mm2/s＞1.8mm2/s（工况1），且工况2的流量为22m3/h＞20m3/h（工况1）时，两种工况下泵的轴功率Pa却相等（均为103.4KW）。因此我们可以认为：对于一台定型的泵，在其许用工作范围内，工艺介质的粘度越大，流量越高，泵此时的效率η越高。
关于P-69431和P-69433，对比表二中泵的效率η，我们可以发现：在粘度比较接近时，泵的流量越大，泵的效率越高。即泵的流量Q与效率η成正比。
根据表二所得的数据处理结果，我们发现：在低粘度、高出口压力的工况下，双螺杆泵的效率不仅远远低于预期的55%，更无法和往复泵相提并论。
对比表一中P-69431（工况2）和P-69101，我们发现：在其它参数（比如流量、粘度、泵送温度、比重）基本相近的情况下，P-69101进出口压差是P-69431（工况2）2.37倍，但是轴功率只有P-69431（工况2）37%。即在低粘度，高压差的工况下，双螺杆泵的能耗远远高于往复泵。
综上所述：在低粘度、高出口压力的工况下，双螺杆泵的效率远远低于预期，能耗也很高。因此在低粘度、高出口压力的工况下，单就效率而言，往复泵是优于双螺杆泵的。
3.3原因分析
分析的理论依据：
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由“公式2”和“公式3”可以看出，影响泵效率的主要参数为△Q，即泵的内泄漏量。
3.3.1容积式泵的性能曲线特性
容积式泵的性能曲线包括：排出压力—实际流量曲线（P—Q）、排出压力—轴功率曲线（P—N）以及流量—转速（Q—n）性能曲线。其中P—Q以及P—N曲线见下图。
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容积式泵的理论流量QT与管路特性无关，只取决于泵本身，而提供的压力只决定于管路特性，与泵本身无关。容积式泵也称正位移泵。容积式泵的排出压力升高时，泵内泄漏损失加大，因此泵的实际流量随压力的升高而略有下降。泵的轴功率随排出压力的升高而增大。泵的效率也随之而提高，但压力超过额定值后，由于内泄漏量的增大，效率会有下降。
3.3.2进出口压差Pd的影响
双螺杆泵在工作时，两螺杆及衬套之间形成密封腔，螺杆每转动一周，便由进口向出口移动一个密封腔，即一个密封腔的体积的液体被排出去。理想状态下，泵内部无泄漏，那么泵的流量与转速成正比。
即泵的理论排量Qth=n×qth
n—转速；
qth—理论排量,即泵每转一周排出液体的体积；
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由“图二”可知，在泵出口压力为27bar,进出口压差为23bar工况下，当泵的转速低于2600r/min时，泵出口的流量为0。由“图四”可知，在泵出口压力为27bar,进出口压差为27bar工况下，当泵的转速低于2820r/min时，泵出口的流量为0。此时泵出口流量为零并不意味着泵吸入口流量为零，只是表示此时泵吸入液体的量和泄漏量相等。
对比“图二”和“图三”可知，在实际工作过程中，泵腔内部是存在泄露的，也称滑移量。由于泵工作过程中，两螺杆之间是有固定的间隙的，是互不接触的，这就意味着泵的密封腔是有一定的间隙的。又因为密封腔前后存在一定的压差△P，因此，会有一部分液体回流，即存在泄露两，泄漏量用△Q表示，则泵的实际流量Q=Qth—△Q。显而易见，密封腔前、后的压差△P升高，泄漏量△Q逐渐增大。对于不同的型线和结构，影响大小也各不相同。
3.3.3运动粘度V的影响
试想：将清洁的水和粘稠的浆糊以相同的体积从漏斗式的容器中泄露出去，显然水要比浆糊泄露得快。
同理，对于螺杆泵，粘度大的流体要比粘度小的流体的泄露要小，即泄露量和介质的粘度有一定的比例关系。
4结论
相对其他类型转子泵，尽管双螺杆泵的导程比较长，但是在低粘度、高压差工况，双螺杆泵的内泄露量依然远超泵的排量。内泄露量的增大，使得泵的容积效率ηv急剧下降。容积效率ηv急剧下降，似得泵的效率η也急剧下降，进而导致轴功率Pa急剧上升，最终使泵呈现出高能耗状态。
低粘度、高压差，从而导致高能耗。这一特点并不是双螺杆泵独有，厂家的设计、制造也非主因，究其根本原因还在于转子泵自身的特性。与往复泵不同，转子泵没有吸入阀和排出阀，靠泵体内转子与液体接触的一侧将能量以静压力的形式直接作用于液体，并借助旋转转子的挤压作用排出液体，同时在另一侧留出空间，形成低压，使液体连续地吸入。
保证机泵长周期、稳定、安全运行是石油化工机泵工程设计的基本要求。但是机泵的工程设计不应仅仅停留在这一层面，节能是机泵工程设计更高一层次的要求。面对低粘度、高压差的工况，往复泵或许应该是个不错选择。
参考文献
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[3]冯英龙.双螺杆泵螺杆型线理论研究及性能模拟[D].陕西:西安石油大学,2007.