串聯和並聯容積式泵浦：工程指南

容積式泵浦每次旋轉或衝程輸送的流量是固定的。它本身並不產生壓力——它需要克服系統施加在其前面的壓力。這種特性與離心泵有著本質上的區別，也徹底改變了你對多台容積式泵協同運作的思考方式。

當單一泵浦無法滿足系統所需的流量或壓力時，您有兩種選擇：並聯泵浦以獲得更大的流量，或串聯泵浦以獲得更大的壓力。這些概念聽起來很簡單，但工程細節至關重要。容積式泵浦的串聯和並聯配置各有其特定的設計要求、風險因素和實際限制，這些都與離心泵浦系統不同。如果這些細節處理不當，會導致設備損壞、密封失效，或系統無法如預期運作。

本指南從工程角度詳細介紹了兩種配置——每種配置的適用場景、管道和控制的設計方法、可能出現的問題以及實際系統在現場的建造方式。

PD幫浦系統中串聯和並聯配置的工作原理

基本規則很簡單。並聯意味著合併流量，串聯意味著合併壓力。但是，容積式泵浦在這些配置下的運作方式與離心泵浦截然不同，在繪製任何製程流程圖之前，了解這些差異是十分必要的。

離心泵的性能特性呈曲線狀－其流量隨壓力變化。當兩台離心泵浦並聯時，總流量並非簡單地翻倍，因為系統曲線會偏移，工作點也會隨之改變。實際增益總是小於理論增益總和。同樣的道理也適用於離心泵浦串聯－在實際工作流量下，總揚程小於各泵浦揚程之和。

容積式幫浦的工作原理不同。在額定範圍內，其流量基本上恆定，不受壓力影響。因此，當兩台相同的容積式泵浦並聯時，系統流量實際上會接近兩倍；而當它們串聯時，系統壓力則會接近兩倍。理論值在實際應用上較為接近。但正是容積式泵浦始終保持額定流量的特性，也使得容積式泵浦配置在故障時更加危險。

並行 — 新增流量

在並聯配置中，兩台或多台容積式幫浦從同一吸入口（或多個獨立吸入口）吸氣，並排入同一集管。每台泵浦都有其自身的流量貢獻。系統壓力由下游阻力決定，並平均分配給所有幫浦。

由於容積式泵浦在其工作範圍內任何壓力下都能提供恆定流量，因此並聯繫統中的總流量非常接近各泵浦單獨輸出流量總和。如果泵浦 A 的流量為 10 公升/分鐘，泵浦 B 的流量也為 10 公升/分鐘，則係統總流量約為 20 公升/分鐘。這比離心泵更接近理論值。

關鍵要求是並聯佈置的每台泵浦的排放側都需要一個止回閥。如果沒有止回閥，停止運轉的泵浦就會形成一個開放的回流通道－運轉的泵浦會將流體反向推過停止運轉的泵，而不是將其送入系統。

系列——增加壓力

在串聯配置中，第一台泵浦的排出口與第二台泵浦的吸入口相連。系統流量由單一泵浦的排氣量決定。壓力會疊加－如果第一台幫浦產生 5 bar 的壓差，第二台幫浦也產生 5 bar 的壓差，則系統在最終排出口處的壓力約為 10 bar。

這裡有一個許多工程師容易低估的關鍵點：在工業實務中，串聯式容積幫浦並不常見，而且對於某些類型的幫浦來說，這種連接方式根本行不通。往復式容積幫浦－氣動隔膜幫浦、活塞幫浦、隔膜幫浦－會產生振盪、脈動的流量。如果兩個脈動幫浦之間沒有緩衝槽直接串聯，就會產生壓力尖峰和流量中斷，進而損壞系統。第二個幫浦的吸氣行程與第一個幫浦的排氣行程相互抵消，這種時序不匹配會導致氣蝕、錘擊和密封件快速失效。

旋轉式容積泵——例如齒輪泵和螺桿泵——能夠產生更平穩的流體流動，並且在特定條件下可以串聯運作。但即使是旋轉式泵，第一台泵的排氣量也必須略大於第二台泵。如果第二台泵浦試圖抽取的流體量超過第一台泵浦的排氣量，就會發生缺流和氣蝕。如果第一台泵浦的流量超過第二台泵浦的流量，兩台泵浦之間就會產生壓力積聚，且無處釋放。因此，在兩台泵浦之間安裝洩壓閥至關重要——它是防止泵浦破裂的唯一措施。

平行系統工程設計

何時使用並聯容積式泵

在以下四種常見情況下，並行配置才是正確的選擇。

首先，您的製程所需的流量超過了單一泵浦的輸送能力。例如，您目前使用的系列中最大流量的幫浦可能只有 50 公升/分鐘，而您需要 90 公升/分鐘。兩台幫浦並聯即可解決這個問題，無需更換幫浦平台。

其次，冗餘設計至關重要。任何需要全天候運作的流程——例如化學計量、熱管理迴路、半導體製造生產線——一旦泵浦發生意外故障，整個流程都將停擺。採用一泵備用的配置，並配備自動切換功能，可確保在故障幫浦維修期間，流程仍能持續運作。

第三，您的流量需求會隨時間而顯著變化。與其限制一台大型泵浦的運作（這會浪費能源，而且對於容積式泵浦而言，還會造成背壓問題），不如採用多台小型泵浦的分階段運轉模式。在低需求時運轉一台泵，當需求上升時再啟動第二台泵。這種方法更節能，也能減少每台幫浦的磨損。

第四，物理條件的限制使得安裝單一大型水泵成為不可能。有時，可用空間、平台承重限製或現場電壓等因素都無法支援大型水泵的運作。在這種情況下，並排安裝兩個小型水泵或許是可行的，而一個大型水泵則無法安裝。

並行操作的設計要求

每個並聯式容積式幫浦系統都需要這些元件才能正常運作。

止回閥：每台幫浦的出口處，幫浦與公共集管之間，各安裝一個。這一點至關重要。如果一台容積式幫浦停止運轉而另一台幫浦仍在運行，則整個系統的壓力會反向流過該幫浦。如果沒有止回閥，流體將反向流過停止運轉的泵，導致系統壓力下降，而正在運行的泵可能會為了補償壓力而過載。

排氣量和轉速匹配：並聯的容積式泵浦理想情況下應為相同型號且轉速相同的泵浦。如果其中一台泵浦的排氣量大於另一台，則其流量份額將不成比例地偏大。排氣量較小的泵浦最終貢獻的流量極少，卻仍消耗能源並累積運轉時間。對於離心泵而言，在公共集管壓力下，這種流量分配可以自動平衡。但對於容積式泵浦而言則不然－每台泵浦都按照其排量運行，而不管排量大小。

獨立洩壓閥：每台幫浦需要獨立的洩壓閥，而不是共用一個位於公共總管上的洩壓閥。如果下游發生堵塞，而只有一個共用洩壓閥，則洩壓通道可能無法同時處理所有幫浦的流量。

總管尺寸決定：公共排放總管的尺寸必須與總流量相符。總管尺寸過小會導致過大的速度損失和摩擦損失，使系統壓力超過水泵的額定壓力。

啟動/停止順序：啟動並聯繫統時，應逐一啟動水泵，每台水泵之間稍作延遲。同時啟動會導致電氣系統電流尖峰和液壓側壓力驟升。關閉時，採用相同的錯開啟動方式可以防止止回閥出現回流衝擊。

並聯繫統中的脈動

如果並聯繫統中的容積式泵浦是往復式泵浦－活塞泵浦、柱塞泵浦或隔膜泵浦－脈動管理就成為一個需要認真考慮的問題。每台幫浦都會產生自身的脈動模式，當這些模式在公共集管中相遇時，根據相位關係，它們可能會相互抵消或相互增強。

當兩台幫浦同步脈動時，集管內的脈動幅度總和大約會加倍。這會導致管道振動、儀表雜訊、配件疲勞應力以及流量測量不準確。當兩台幫浦反相脈動時，脈動會部分抵消，從而產生更平穩的脈動。

有三種切實可行的方法可以解決這個問題。首先，選擇本身脈動就低的幫浦類型－齒輪幫浦和螺桿幫浦比活塞幫浦或隔膜幫浦能產生更平穩的流量。其次，在每台幫浦的出口處、公共集管之前安裝脈動阻尼器（囊式蓄壓器或氣室）。第三，如果必須並聯使用往復泵，則應控制它們的相位偏移——有些控制器支援這種做法，但這會增加系統的複雜性。

串聯繫統工程設計

何時使用串聯容積式泵

串聯配置適用於系統壓力需求超過單一泵浦輸送能力的情況。通常有四種情況，它們的處理方式各不相同。

首先，長距離管道輸送高黏度流體。高黏度介質在長管道中會造成巨大的摩擦損失。單一額定流量的泵浦可能無法產生足夠的壓力將流體輸送至整個管道。串聯第二個泵浦可以提供克服額外阻力所需的壓力。

其次，分階段增壓。有些製程需要將流體壓力以可控的增量逐步提升，而不是一次性躍升。向高壓管道注入化學品就是一個例子——增壓泵將流體壓力提升至中間值，然後第二個泵將其提升至最終注入壓力。

第三，吸入條件不良。當流體源位於幫浦下方、吸入管路較長或流體蒸氣壓較高時，主製程幫浦可能沒有足夠的淨正吸入壓頭 (NPSH) 來避免氣蝕。在流體源附近安裝增壓幫浦可以將主泵吸入口的壓力提升到安全等級。

第四種——也是實際工業應用中最常見的串聯方式——使用離心泵作為增壓泵為容積式泵供油。這種混合方式將在下文中詳細介紹，因為它比直接將兩台容積式泵浦串聯更為常用。

離心增壓幫浦為容積式幫浦供油（最常見的串聯方式）

在許多實際系統中，串聯佈置並非兩台容積式泵，而是一台離心泵為容積式泵提供吸力增壓，由容積式泵負責高壓工作。這是冷凝水回收系統、燃油輸送站和高壓化學藥劑注入撬裝系統的標準做法。

邏輯很簡單。離心泵擅長在中等壓力下輸送流體，而容積式泵則擅長在精確的流量下產生高壓。將兩者結合起來，可以充分發揮各自的優勢。離心泵浦確保容積式泵浦始終擁有足夠的入口壓力，從而消除氣蝕風險。容積式泵浦隨後將預加壓的流體輸送至所需的出口壓力。

啟動/停止順序至關重要。務必先啟動離心增壓幫浦以建立吸入壓力。一旦兩台幫浦之間的管路加壓，再啟動容積式幫浦。連接管路上的壓力開關可以自動啟動－只有當增壓幫浦達到所需的最低壓力時，容積式幫浦才會啟動。停機時，順序相反：先停止容積式泵，再停止離心增壓幫浦。即使短暫地在沒有增壓泵的情況下運行容積式泵，也會導致吸入壓力不足和氣蝕損壞。

選擇吸入比轉速低的離心增壓泵，以獲得更寬的穩定運行範圍。如果容積式泵浦的流量需求發生變化（例如，由於變頻器轉速變化），離心泵浦需要能夠適應這種變化，且不會偏離其運作曲線。

直接PD-PD系列：設計要求與風險

將兩台容積式幫浦直接串聯——一台幫浦的排出口連接到另一台幫浦的吸入口——是可行的，但這會帶來很大的工程風險。它比任何其他多泵佈置方式都需要更加謹慎。

壓力等級：第二台幫浦的幫浦殼、密封件和所有連接件的額定壓力必須能夠承受累積壓力。如果第一台幫浦產生 10 巴的壓力，第二台幫浦再增加 10 巴，則第二台幫浦上的所有零件將承受 20 巴的壓力。這包括軸封、泵殼和排放管道。

排氣量匹配：第一台泵浦的排氣量應略大於第二台泵浦（通常為 5%～10%）。這少量的額外排氣量可確保第二台幫浦始終有充足的供油。多餘的流體經由第一台幫浦出口處的洩壓閥回流。如果沒有這個餘量，轉速或磨損情況的任何微小變化都會導致第二台泵浦供油不足。

級間洩壓閥：必須在兩台幫浦之間的管路上安裝洩壓閥，其設定壓力為第一台幫浦的額定排出壓力。這樣，如果第二台幫浦發生故障或出現任何瞬時流量不匹配，即可防止過壓。

往復式泵浦的緩衝容積：如果串聯泵浦組中有一台是往復式泵浦（活塞泵浦、柱塞泵浦、隔膜泵浦、氣動隔膜泵浦），則必須在兩台泵浦之間設定緩衝容器。第一台幫浦的脈動輸出與第二台幫浦的脈動需求不符。如果沒有緩衝容器來吸收這些不匹配，系統會出現嚴重的壓力尖峰和流量中斷。旋轉式容積泵（齒輪泵、螺桿泵）通常可以直接連接，無需緩衝容器，前提是滿足排氣量匹配和安全閥的要求。

下表總結了每種常見容積式泵浦類型直接串聯運作的可行性。

快速決策：串聯還是並聯？

大多數情況下，決策很簡單。如果系統所需的流量超過單一泵浦的流量，則採用並聯方式。如果系統所需的壓力超過單一泵浦的流量，首先要檢查是否有更高壓力等級的單一泵浦－這幾乎總是比串聯方案更優。如果單台幫浦確實無法達到所需壓力，在決定採用直接串聯的容積式幫浦之前，可以考慮使用離心增壓幫浦為容積式幫浦供油。

如果您既需要更大的流量又需要更大的壓力，那麼您需要考慮以下組合：並聯泵用於提高流量，並聯泵組的尺寸應能承受更高的壓力等級；或者並聯泵組連接到串聯增壓級。

如果您主要關注的是可靠性和正常運行時間而不是效能，那麼答案是採用單主備雙備和自動切換模式。

泵浦類型的選擇也會影響實際可行的配置方案。齒輪幫浦和螺桿幫浦輸出平穩、脈動小，因此串聯和並聯配置均適用。往復式泵浦適合併聯運行，但通常應避免直接串聯而不加緩衝。我們針對不同泵浦類型的指南中提供了每種泵浦類型特性的完整概述。 容積式幫浦的類型。

實際應用案例

高黏度化學品長距離管道輸送－串聯配置

一家化工廠需要將黏度為 15,000 cP 的樹脂從反應釜輸送到 200 公尺外的填充站。在這種黏度和管道長度下，2 英吋管道的摩擦損失超過 12 bar。現有的齒輪幫浦型號可提供所需的 8 L/min 流量，但其額定最大壓差為 10 bar。一台泵是不夠的。

解決方案是採用兩台串聯的磁力驅動齒輪幫浦。第一台幫浦位於反應器處，將樹脂輸送至管道的前100米，產生約6巴的壓力差。第二台幫浦安裝在管道中點，再增加6巴的壓力差，將樹脂輸送至剩餘的距離。第一台幫浦的排氣量比第二台幫浦大10%，並配備一個設定在7巴的洩壓閥，用於將多餘的流量回流至反應器。兩台幫浦均採用無密封磁力驅動－在12巴的累積壓力下，即使軸封出現輕微洩漏，也會對反應性樹脂造成安全隱患。 MDC-X系列 可處理此黏度範圍，並提供製程所需的零洩漏密封。

半導體配料線冗餘－平行配置

一家半導體製造廠運作著一套連續運作的化學機械拋光 (CMP) 漿料計量系統。計量幫浦以 ±1% 的精度輸送 200 mL/min 的鹼性漿料。一旦泵浦發生故障，整個 CMP 工作站就會停機，而中斷後重新啟動 CMP 製程將浪費數小時的生產時間，並造成數千美元的晶圓報廢損失。

該系統採用兩台並聯的微型磁力齒輪幫浦－一台運行，一台處於熱備狀態。兩台泵浦以相同的速度持續運行，但備用泵浦透過一個常閉閥排出流體。當運轉幫浦的流量感知器偵測到偏差超過±2%時，控制器會在500毫秒內打開備用閥並關閉運轉幫浦的閥門。切換過程與工藝流程無縫銜接。由於齒輪泵浦產生的脈動接近零，因此切換不會造成流量擾動。 MDC-M系列 憑藉其精確的計量精度和緊湊的體積，這款產品非常適合此應用。

電池熱測試系統－離心增壓齒輪泵

一家電動汽車電池測試設備製造商建造了模擬實際駕駛條件的熱循環試驗箱。冷卻迴路使乙二醇在-40°C至+120°C的溫度範圍內循環流經電池模組。此系統需要15公升/分鐘的流量，排出壓力為8巴，齒輪幫浦負責精確控制溫度流量。

在-40°C時，乙二醇黏度會升高至200 cP以上，且從冷水機到測試室的長管道會造成顯著的吸入側摩擦損失。在低溫條件下，僅靠冰水機的重力揚程無法滿足齒輪幫浦的淨正吸入壓頭（NPSH）要求。

在冷水機出口和齒輪泵入口之間安裝了一個小型離心增壓泵。此增壓幫浦可提供 2 bar 的吸入壓力，確保齒輪幫浦即使在最冷的運轉點也能始終保持正壓。離心幫浦先啟動，建立管路壓力，然後齒輪幫浦在壓力開關確認後啟動。停機時，齒輪幫浦首先停止，增壓幫浦再運轉 5 秒鐘以沖洗管路，然後停止。 MDC-K系列 齒輪幫浦採用雙密封選項（磁力驅動或機械密封）和陶瓷軸承系統，能夠承受從冷啟動到熱運行的較大黏度變化，從而應對溫度範圍。

奧蘭克PD泵 適用於串聯和並聯繫統

Aulank的磁力驅動齒輪幫浦系列尤其適用於多幫浦配置。無密封磁力耦合器省去了軸封－軸封是串聯繫統中泵浦在高壓運轉時最容易發生故障的零件。在直接串聯配置中，當第二個幫浦承受累積壓力時，傳統的機械密封會超出其設計極限。而磁力驅動幫浦則徹底消除了這種故障模式。

對於並聯繫統，齒輪幫浦輸出的低脈動特性意味著將兩台幫浦的流量匯入同一集管時，產生的流量擾動極小。無需脈動阻尼器，標準止回閥即可滿足回流保護需求，且不會產生錘擊或顫動。

奧蘭克齒輪幫浦系列產品涵蓋的寬廣黏度範圍——從低於 1 cP 到超過 38,000 cP——也解決了串聯繫統中的一項實際挑戰：由於溫度變化，泵送路徑上的黏度通常會發生變化。能夠在寬廣黏度範圍內保持穩定性能的泵，可以防止串聯級之間出現流量不匹配，從而避免空化或過壓現象。

如需系統級配置支援（包括串聯/並聯配置的泵浦尺寸確定、級間保護設計以及控制邏輯建議），請聯絡 Aulank 工程團隊並提供您的製程參數。

常見問題解答

串聯式容積泵和並聯式容積泵有什麼不同？

並聯是指多個泵浦向同一管路供油－系統流量增加，而壓力保持不變。串聯是指一個泵浦向下一個泵浦供油－系統壓力增加，而流量保持不變。具體到容積式泵浦而言，並聯時的總流量和串聯時的總壓力都非常接近各個泵浦的理論值總和，因為容積式泵浦的流量恆定，不受壓力影響。這與離心泵不同，離心泵由於系統曲線相互作用，實際增益始終小於理論值總和。

兩個容積式幫浦可以並聯運轉嗎？

是的。並聯運轉是容積式幫浦最常見的多幫浦配置，如果設計得當，效果很好。每台幫浦都需要獨立的出口止回閥，以防止幫浦停止運轉時發生回流。泵浦的型號和轉速應相同，以確保流量均衡分配。對於脈動較大的往復式容積式幫浦（活塞幫浦、隔膜幫浦），建議在每台幫浦的出口、公共集管之前安裝脈動阻尼器，以防止脈動幹擾。

並聯繫統中容積式幫浦需要止回閥嗎？

是的，並聯繫統中每台容積式幫浦的出口都必須安裝止回閥。如果沒有止回閥，當一台泵浦停止運轉時，運轉中的泵浦會將流體反向推過停止的泵，而不是將其送入系統。這會導致系統壓力損失、能量浪費，並可能造成停止泵浦的反向旋轉損壞。止回閥的額定壓力必須能夠承受整個系統的壓力，並且必須安裝在幫浦出口和各管路匯入公共總管的位置之間。

如果串聯繫統中的容積式泵浦空轉會發生什麼情況？

在串聯繫統中，如果下游泵浦的排出口被堵塞（死流），壓力會持續升高，因為容積式泵浦會持續輸送流體，而不管下游情況如何。壓力會一直上升，直到某個部件發生故障——通常是管道接頭、密封件或泵殼本身。這就是為什麼所有容積式幫浦裝置，尤其是串聯配置，都需要安裝洩壓閥的原因。在串聯繫統中，級間洩壓閥（位於兩台泵浦之間）和末級排出口洩壓閥（位於最後一台泵浦之後）都是不可或缺的安全裝置。

對於高黏度泵送，串聯還是並聯比較好？

這取決於系統缺少什麼。如果單一泵浦能提供足夠的壓力但流量不足以滿足高黏度應用的需求，則應採用並聯方式。如果單一泵浦能提供足夠的流量，但高黏度流體在管道中產生的摩擦力過大，導致單一泵浦無法產生所需的壓力，則應採用串聯方式。實際上，高黏度應用通常更需要串聯配置，因為高黏度流體在長管道中會產生非常高的摩擦損失——壓力需求增加，而流量需求通常保持適中。

容積式幫浦可以反轉嗎？

許多旋轉式容積泵——例如齒輪泵、凸輪泵和螺桿泵——都可以反向運轉，並沿相反方向泵送流體。這有時會被有意用於管道清空或改變流向。然而，往復式容積泵（例如活塞泵、柱塞泵和隔膜泵）無法有效地反向運轉，因為它們的止回閥只允許流體單向流動。在並聯繫統中，當一台泵浦停止運轉而另一台泵浦繼續運轉時，反向旋轉會成為一個隱患－如果沒有安裝止回閥，系統壓力可能會使停止運轉的泵浦反向旋轉，從而造成機械損壞。

容積式泵浦可以與離心泵浦串聯使用嗎？

是的，這實際上是工業系統中最常見的串聯泵配置。離心泵作為增壓泵安裝在上游，為容積式泵提供足夠的吸入壓力（NPSH），而容積式泵隨後產生製程所需的高排出壓力。這種組合充分發揮了每種泵的優勢——離心泵以適中壓力高效輸送物料，而容積式泵則將其轉化為精確的高壓流量。啟動離心幫浦以建立吸入壓力，然後再啟動容積式幫浦。停機時，先停止容積式泵，再停止離心泵。