備用泵系統(tǒng)氣穴解決辦法探討

王 濤

（中國(guó)石化集團(tuán)四川維尼綸廠，重慶 長(zhǎng)壽 401254）

泵作為液體介質(zhì)的輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用。在連續(xù)運(yùn)行的裝置中均設(shè)有備用泵，重要的泵組在工藝設(shè)計(jì)中往往帶有聯(lián)鎖自啟動(dòng)，以保證裝置的連續(xù)運(yùn)行。泵在工作時(shí)，若系統(tǒng)中存在氣相聚集，由于液體的不可壓縮性和氣體的可壓縮性，將使液體介質(zhì)的揚(yáng)程不能達(dá)到規(guī)定值，從而引起相應(yīng)系統(tǒng)或裝置停車，造成巨大損失。我廠甲醇裝置曾因備用泵系統(tǒng)內(nèi)形成氣穴，在主泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵系統(tǒng)不能及時(shí)提供足夠的揚(yáng)程，形成壓力低聯(lián)鎖，數(shù)次造成壓縮單元停車。為解決此類問題，實(shí)際生產(chǎn)中多采用人工定時(shí)排氣或加大運(yùn)行泵切換頻率等來盡量減少氣穴的影響。

1 備用泵系統(tǒng)氣穴成因及部位

氣體與液體接觸時(shí)，氣體溶解在液體中，形成一定的溶解度，在氣液兩相經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的接觸后，溶解度逐漸趨于一極限，這時(shí)氣液兩相達(dá)到平衡，氣體溶解過程終止，這一極限溶解度就稱為平衡溶解度；平衡溶解度的大小隨物系、溫度、壓力而異。在石化生產(chǎn)中，由于高溫、高壓及氣相液相介質(zhì)接觸頻繁的生產(chǎn)特性，往往使得液體介質(zhì)中溶解有不同種類的可溶性氣體，進(jìn)而存在于液體系統(tǒng)中。

溶解于液體中的氣體，由于溫度、壓力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等的變化，在密閉靜止系統(tǒng)中，將出現(xiàn)解吸；溶解的部分氣體解吸出來，形成小氣泡，進(jìn)而不斷聚集，在密閉靜止系統(tǒng)的頂部形成氣穴。

正常情況下，運(yùn)行的泵系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生影響其出力的氣穴。氣穴是與其相連的備用泵系統(tǒng)產(chǎn)生的。

圖1 一用一備雙泵系統(tǒng)流程示意

由圖1可知，互為備用的P－A、P－B泵系統(tǒng)，分別包含了進(jìn)口閥、過濾器、泵及壓力表、止回閥、出口閥、壓力表、低排及管道等。正常生產(chǎn)時(shí)，一個(gè)泵系統(tǒng)運(yùn)行，一個(gè)泵系統(tǒng)備用，但各泵的進(jìn)出口閥均處于全開狀態(tài)，管道內(nèi)均充滿介質(zhì)；由于止回閥的作用，備用泵系統(tǒng)的一段（進(jìn)口閥到止回閥管段）形成一個(gè)密閉靜止系統(tǒng)，隨著時(shí)間、溫度、壓力等的變化，存在于備用泵系統(tǒng)介質(zhì)中的氣體解吸出來，不斷聚集，形成氣穴。具體位置如圖1所示云狀線區(qū)域（止回閥下端管道頂部）。

當(dāng)主泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，主泵停運(yùn)時(shí)，在重要的單元中，備用泵系統(tǒng)就會(huì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自行啟動(dòng)，但由于止回閥下端管道頂部存在氣穴，在氣穴不能消除的情形下，液體介質(zhì)不能及時(shí)流動(dòng)，造成介質(zhì)夾氣，泵揚(yáng)程大幅波動(dòng)，達(dá)不到要求值，形成報(bào)警甚至聯(lián)鎖，造成相關(guān)單元或裝置停車，損失巨大。

2 解決思路及方法

由上述可知，備用泵系統(tǒng)中氣穴產(chǎn)生的原因主要由三個(gè)因素引起，一是介質(zhì)中溶解有可溶性氣體，二是解吸出的氣體有時(shí)間聚集，三是形成密閉靜止系統(tǒng)。介質(zhì)中溶解有可溶性氣體是由裝置的工藝流程及介質(zhì)特性決定的，不可改變，故解決氣穴問題的思路主要針對(duì)后兩個(gè)因素進(jìn)行，思路一，讓聚集的氣體及時(shí)排放出去；思路二，讓密閉靜止系統(tǒng)“動(dòng)”起來。具體解決方法如下。

2.1 設(shè)置自動(dòng)排氣閥 （方法1）

設(shè)置自動(dòng)排氣閥的目的就是讓氣體不出現(xiàn)聚集，避免形成氣穴。其工作原理為，當(dāng)系統(tǒng)充滿液體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的氣體因溫度和壓力變化而不斷逸出向最高處聚集，造成閥腔上部氣體壓力pQ變化，當(dāng)pQ大于系統(tǒng)壓力pX時(shí)，閥內(nèi)浮筒便會(huì)下落帶動(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)，閥口打開，氣體不斷排出；當(dāng)氣體壓力pQ低于系統(tǒng)壓力pX時(shí)，浮筒上升帶動(dòng)閥桿向上運(yùn)動(dòng)，閥口關(guān)閉，如此反復(fù)循環(huán)。圖2為常見的立式自動(dòng)排氣閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖2 立式自動(dòng)排氣閥結(jié)構(gòu)示意

圖3 一用一備雙泵系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥示意

圖3中云狀線區(qū)域即為安裝有前閥的自動(dòng)排氣閥。安裝前閥為便于檢修或更換自動(dòng)排氣閥，排氣閥所排氣體引至安全位置。在此需強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，鑒于石化裝置的特點(diǎn)，解吸出的氣體組分各不相同，應(yīng)根據(jù)相關(guān)安全環(huán)保要求，將解吸氣排放至合適位置，并注意排放處的壓力。

由自動(dòng)排氣閥的工作原理可知，當(dāng)系統(tǒng)壓力為負(fù)壓時(shí)，若排氣閥出口對(duì)空，將會(huì)造成空氣進(jìn)入系統(tǒng)，從而破壞負(fù)壓系統(tǒng)。故對(duì)于負(fù)壓系統(tǒng)的備用泵系統(tǒng)，安裝自動(dòng)排氣閥是不合適的。

自動(dòng)排氣閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，選擇面廣等優(yōu)點(diǎn)，連接形式有螺紋、法蘭等；口徑DN6～DN600，壓力1.0～6.4MPa，溫度－100～600℃；材質(zhì)有鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、球墨鑄鐵及其他特殊鋼。對(duì)于具備安裝自動(dòng)排氣閥條件的系統(tǒng)，在實(shí)際選用及安裝過程中需注意如下幾點(diǎn)：

（1）自動(dòng)排氣閥需安裝在氣穴聚集處（即系統(tǒng)高點(diǎn)）；

（2）自動(dòng)排氣閥必須垂直安裝，即必須保證其內(nèi)部的浮筒處于垂直狀態(tài)，以免影響排氣；

（3）系統(tǒng)介質(zhì)應(yīng)清潔，無(wú)大的雜質(zhì)；

（4）介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及溫度、壓力等，決定自動(dòng)排氣閥各零部件的選材及規(guī)格。

自動(dòng)排氣閥在獨(dú)立采暖系統(tǒng)，集中供熱系統(tǒng)，地板輻射采暖系統(tǒng)，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)，中央空調(diào)，采暖鍋爐等領(lǐng)域的應(yīng)用非常成熟。我廠綜合管理中心中央空調(diào)系統(tǒng)上就有使用，很好地解決了系統(tǒng)末端高點(diǎn)氣穴現(xiàn)象，保證了末端用戶采暖、采冷需求。

2.2 增設(shè)配有流量孔板的小管徑管線至低壓系統(tǒng)（方法2）

讓密閉靜止系統(tǒng)微動(dòng)起來，進(jìn)而讓解吸氣體不能聚集是此方法的目的，見圖4。具體為，在系統(tǒng)高點(diǎn)，即止回閥下端管線處，新增一根小管徑管線，管線上安裝有切斷閥、止回閥和流量孔板。切斷閥的作用是，泵運(yùn)行時(shí)切斷該新增管線；止回閥的作用是，保護(hù)系統(tǒng)以防意外；流量孔板的作用是，既保證介質(zhì)微流動(dòng)，最大程度節(jié)省能耗，又可以起節(jié)流降壓的作用，從而減輕返回介質(zhì)對(duì)低壓系統(tǒng)的沖擊。

圖4 一用一備雙泵系統(tǒng)增設(shè)配有流量孔板管線示意

該方法適用于系統(tǒng)壓力pX大于流量孔板后壓力pL（當(dāng)然pX與pL的差值不要太大或太?。⒈媒M系統(tǒng)緊鄰處有相容的低壓系統(tǒng)（相容即返回的小部分介質(zhì)對(duì)低壓系統(tǒng)的影響可以忽略）。流量孔板孔徑的大小，應(yīng)根據(jù)與之相連的低壓系統(tǒng)、泵的富裕能力、介質(zhì)的清潔程度等因素綜合考慮。一般孔徑取2～4mm較為合適。

2.3 構(gòu)建連通器（方法3）

大家知道，連通器的主要特點(diǎn)就是如果其內(nèi)只有一種液體，在液體不流動(dòng)的情況下，各容器中的液面總保持相平。現(xiàn)以大型機(jī)組所配置的油泵系統(tǒng)為例，介紹如何通過構(gòu)建連通器解決備用泵系統(tǒng)氣穴的產(chǎn)生。

圖5中云狀線部分即為備用泵系統(tǒng)需要的配置。具體為，從氣穴聚集處（即止回閥下端管道高點(diǎn)）開孔，安裝前閥、流量孔板、管道（最好采用小口徑管道，DN10即可）等，最后與系統(tǒng)介質(zhì)的儲(chǔ)罐氣相相接，形成連通管。備用泵系統(tǒng)頂部產(chǎn)生的解吸氣，通過新增的管道和流量孔板進(jìn)入到儲(chǔ)罐氣相中；備用泵啟動(dòng)時(shí)，通過流量孔板的控制，將有極小部分的介質(zhì)返回儲(chǔ)罐形成回流；備用泵運(yùn)行正常后可以通過關(guān)閉前閥切斷回流介質(zhì)。

圖5 一用一備油泵系統(tǒng)構(gòu)建連通器示意

采用此種解決方法時(shí)，要求備用泵系統(tǒng)高點(diǎn)（即氣穴處）標(biāo)高低于相連通的儲(chǔ)罐的最低液位，在此種情形下才能形成連通管，消除氣穴。

對(duì)于已運(yùn)行機(jī)組的油泵和凝結(jié)水泵，如果泵系統(tǒng)氣穴聚集處的高度（一般在止回閥下端）低于油站油箱和凝結(jié)水罐的低液位，可以采用此種方法解決氣穴問題。此種方法流量孔板的選型同上述方法2。其缺點(diǎn)是，備用泵啟動(dòng)時(shí)有回流量，不過生產(chǎn)實(shí)際中因流量孔板孔徑較小，該影響可以忽略。

我廠甲醇車間一甲裝置壓縮機(jī)潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)，通過構(gòu)建連通器，在止回閥下端增設(shè)了回油箱的流量孔板系統(tǒng)，避免了備用油泵氣穴的產(chǎn)生，效果很好。

以上幾種方法，均有使用條件的限制，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用。對(duì)于新建或改擴(kuò)建工程，應(yīng)要求設(shè)計(jì)單位認(rèn)真考慮氣穴問題并予以解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于化工裝置，備用泵系統(tǒng)氣穴的產(chǎn)生及解決，在工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)際中往往重視程度不夠，撰寫此文意在拋磚引玉，希望引起相關(guān)工程單位及生產(chǎn)技術(shù)人員的思考。備用泵系統(tǒng)因輸送介質(zhì)中溶解氣體的不同，以及溫度、壓力、流量、配管等內(nèi)外部條件的不同，產(chǎn)生氣穴的間隔及大小各不相同，在工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的處理方法。特別是附屬于大型機(jī)組的油系統(tǒng)及凝結(jié)水系統(tǒng)中的泵組，其備用泵系統(tǒng)氣穴的消極影響尤為嚴(yán)重，希望能引起高度重視。