2.7　多级离心加压泵

反渗透预处理各工艺中无一不用水压做动力，因此加压泵为预处理系统的基本动力设备。

加压水泵可分为叶片泵、容积泵及其他类型水泵。叶片泵依靠装有叶片的叶轮旋转给水体加压。根据叶轮出水流向，叶片泵分为径向流、轴向流、斜向流三种类型，径向流的称为离心泵，轴向流的称为轴流泵，斜向流的称为混流泵，其中离心泵的结构简单、成本低廉。由于单级叶轮产生的压力有限，在工作压力较高环境下常采用多级离心泵。多级离心泵的安装形式有立式与卧式之分，立式多级离心泵因结构简单、受力均匀、节省面积而广泛应用于预处理及膜处理工艺系统。

二十几年前进入中国市场的丹麦格兰富（Grundfos）卧式及立式多级离心泵成为国内早期反渗透工艺配套水泵市场的主流产品。近十余年来国内泵业中崛起的南方、新界、天河星、粤华等著名品牌的产品定型多参照格兰富水泵的早期系列规格。本节将参照格兰富早期系列产品进行预处理及膜系统加压泵的介绍，国产泵的规格与其十分接近。格兰富早期与现行系列产品的主要区别是流量系列，早期产品的流量系列为2m3/h、4m3/h、8m3/h、16m3/h，现行产品的流量系列为1m3/h、3m3/h、5m3/h、10m3/h、15m3/h。

2.7.1　水泵的不同类型

格兰富的卧式多级离心泵分为CHI、CHIU、CHIE 3个系列，立式多级离心泵分为CR、CRI、CRN、CRE、CRIE、CRNE 6个系列，其主要区别在于泵体部分材质与变频调速功能，表2.6列出了格兰富多级离心泵部分类型的主要差异。

表2.6所列各泵系列中部件材质的区别为：CHI、CHIE、CR、CRE系列多用于预处理系统，CRN、CRNE系列多用于膜系统。E型泵具有变频调速功能，可用于系统的恒压或恒流控制。因E型泵自带压力传感器，进行恒流控制时尚需另设流量传感器。

恒压力控制多用于反渗透系统产出水环节的输水泵，以保证系统用户对供水压力的要求。恒流量控制多用于反渗透及预处理系统内部各工艺，以保证各工艺间的流量配合。内部系统恒流量控制所需的流量计、变送器、控制器及变频器等设备增加了系统成本，但以变频调速技术为基础的恒流量控制对系统的设计与运行具有相当重要的意义：

①克服了设备污染与设备清洗造成的产水流量频繁波动，可形成高品质的恒流量系统。

②配平了前后工艺的产水流量，减小或取代了缓冲水箱，简化了设备并且节省了空间。

③免于用局部系统的频繁启停调节前后工艺的流量失衡，免于频繁启停对电机与水泵的损伤，免于膜元件因工作压力波动所产生的机械疲劳。

2.7.2　水泵的规格参数

离心泵除上述类型的区别之外，还按流量与扬程划分为不同规格。格兰富立式多级离心泵的旧式规格如“CRN10-18”，其中10表示10m3/h的水泵额定流量，18表示水泵具有18级叶轮，每级叶轮增压约0.08MPa。

（1）水泵的最高吸上高程

图2.14所示的水泵吸上高程是重要的水泵参数，决定了水箱水位与水泵入口的相对距离及相对位差、输水管径等设计参数。离心泵最大吸上高程H（m）与大气压力Hb（m）、气蚀余量NPSH（m）、管路阻力损失Hf（m）、饱和蒸气压Hy（m）及安全余量Hs（>0.5m）成下式关系：

H=Hb-NPSH-Hf-Hy-Hs　　（2.9）

式（2.9）中气蚀余量NPSH（m）（也称净吸高程Hp）是离心泵的固有参数，是为了不产生气蚀而要求水泵进口必须有大于水体气化压力的压力，与水泵规格及运行流量相关；大气压力Hb（m）与水泵安装位置的海拔高度相关；管路阻力损失Hf（m）与取水管路的材质、管径、长度及管线结构相关；饱和蒸气压Hy（m）与水温相关。式（2.9）中相关参数的特性曲线示于图2.15～图2.18。

在式（2.9）中，如H为正值，则H值为水箱低水位至水泵高入口之间的最高落差；如H为负值，则H值为水泵低入口至水箱高水位之间的最低落差。

根据式（2.9），实际吸入高程小于最大吸上高程时，离心泵可以正常工作；实际吸入高程大于最大吸上高程时，离心泵不能正常工作。届时，需要调整水箱与水泵间的位差与距离，或调整输水管路直径，致使实际吸入高程小于H值。

图2.17中反映出的UVPC塑料管压力损失Δp可表示为：

Δp（Pa/m）=9.15（1.04-0.004T）Q1.774/D4.774　　（2.10）

式中，Q为管路流量，m3/s；D为管路内径，m；T为进水温度，℃。

（2）水泵的流量压力特性

离心泵的出口流量与出口压力间的固有关系称为流量压力特性（或压力流量特性），即水泵的出口流量与出口压力必然维持在特性曲线之上，或称水泵的出口流量与出口压力之间的关系必然与特性曲线保持一致。泵中每级叶轮具有相似的流量压力特性曲线，图2.19所示CRN10系列各级泵的流量压力特性曲线几乎是单级曲线与叶轮级数的乘积。由于离心泵叶片多采用后弯式结构，其流量压力特性呈下凹抛物线形式，从而使相应的电机输入功率曲线及水泵效率曲线呈图2.20形式。

尽管水泵具有额定流量与额定扬程参数，而实际的流量却是一个较宽范围，相应的扬程即工作压力也在一定范围变化。根据图2.20所示效率曲线，水泵流量低于或高于特性曲线范围时，水泵效率大幅下降。因此，尽管离心泵的理论流量压力特性包括了零压力与零流量部分，但实际的特性只是特性曲线的中间一段范围，而不能长期运行在过低或过高流量工况。

2.7.3　水泵规格与节能

图2.20曲线表明，离心泵对应不同流量的工作效率为一下凹曲线，每一规格水泵均存在最高效率区间，其最高效率值称为水泵的额定效率。图2.21示出水泵系列中单级叶轮的额定效率与额定流量间的对应曲线表明，额定流量大的水泵，额定效率也高，这也反映出大型系统能耗较低的重要原因。

从水泵自身的经济性出发，应尽量运行在最高效率区间，甚至最高效率工作点。由于水泵的实际工作点与系统的流量压力特性相关，一般不能运行于水泵的最高效率工作点。因每一规格离心泵的工作流量范围较宽，额定流量接近的两种规格水泵可能同时满足系统设计要求的工作流量范围与工作压力范围。在此情况下则存在一个以电机输出功率（约等于电机输入功率）为标准的水泵规格优选问题。

例如，系统要求水泵的流量与压力分别为10m3/h及1.4MPa，则CRN8-18与CRN16-10两规格水泵均可满足该流量与压力要求。查阅两种规格水泵的电机输出功率可知，两规格水泵在10m3/h流量及1.4MPa压力下的单级输出功率分别为P8=0.37kW与P16=0.62kW，水泵输出功率分别为P8-18=P8×18=6.66kW与P16-10=P16×10=6.20kW。根据系统节能原则，选CRN16-10规格水泵将使系统功耗较低。虽然CRN16-10规格较CRN8-18规格的价格略高，但长期的运行电耗优势更为明显。