煤化工典型離心泵最小流量保護(hù)方案及選型原則

張 偉，鄧 亮，李 丹

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076；2.遼陽石化分公司烯烴廠，遼寧 遼陽 111000)

生 產(chǎn) 技 術(shù)

煤化工典型離心泵最小流量保護(hù)方案及選型原則

張 偉1，鄧 亮1，李 丹2

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076；2.遼陽石化分公司烯烴廠，遼寧 遼陽 111000)

以煤氣化工藝為例，介紹了最小流量閥的工作原理，闡述了最小流量閥選型中應(yīng)注意的問題，提出了選型設(shè)計(jì)的一般流程，對(duì)最小流量閥的選型、使用和維護(hù)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

離心泵；最小流量保護(hù)；最小流量閥；選型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

最小流量閥也叫自動(dòng)再循環(huán)閥或泵保護(hù)閥，是離心泵的重要安全保護(hù)附件，在離心泵低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最小流量閥旁路自動(dòng)打開，使介質(zhì)經(jīng)由閥門旁路減壓回流，從而避免小流量介質(zhì)不足以帶走泵體溫升而導(dǎo)致的振動(dòng)、汽蝕等問題。配套最小流量閥以后，泵選型時(shí)不再考慮旁路附加回流量，泵的能力、體積、電機(jī)功率等均可減小，大大節(jié)約了能源和成本。

該閥設(shè)計(jì)技術(shù)難度較大，故我國在上世紀(jì)90年代完全依賴進(jìn)口，經(jīng)過多年的國產(chǎn)化探索和努力，其性能指標(biāo)現(xiàn)已達(dá)到甚至超過了國外同類產(chǎn)品水平。隨著行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)離心泵的配套保護(hù)產(chǎn)品——最小流量閥的性能指標(biāo)要求越來越高，最小流量閥在工藝設(shè)備中的重要性日益增強(qiáng)。對(duì)此，如何對(duì)最小流量閥進(jìn)行選型，使其在一個(gè)良好的狀態(tài)下運(yùn)行是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。

選擇最小流量閥時(shí)，首先要獲得所需工藝參數(shù)和泵參數(shù)，包括介質(zhì)成分、溫度、密度、黏度、旁路背壓，以及泵的正常流量、最大流量、最小流量、最大流量與最小流量下的泵出口壓力等。在對(duì)最小流量閥選型確定前，還必須掌握閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而技術(shù)指標(biāo)主要考慮旁路流通能力、切換點(diǎn)、壓力損失，從而避免汽蝕、振動(dòng)等問題。

1 最小流量閥工作原理

最小流量閥的核心在于主路止回閥能精確感知工藝流量，隨主路流量調(diào)整旁路流量，當(dāng)工藝流量為零時(shí)，主路完全關(guān)閉，旁路完全打開，保證旁路流量不低于泵需求的最小流量；隨著工藝流量的增加，主路止回閥逐漸開啟，旁路逐漸關(guān)閉，主、旁路流量之和大于泵需求的最小流量；當(dāng)工藝流量大于泵所需的最小流量時(shí)，旁路完全關(guān)閉，泵流量完全供給工藝管路。再循環(huán)流量一般占泵額定流量的30%，通常在泵性能曲線中給出。最小流量閥泵保護(hù)系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 最小流量閥泵保護(hù)系統(tǒng)

2 最小流量閥的典型應(yīng)用

最小流量閥典型應(yīng)用是用于煤氣化工藝，在氣化及凈化工段，最小流量閥常用于鍋爐給水泵、凝液泵、灰水泵、貧/富甲醇泵的保護(hù)；在合成工段，最小流量閥在氨合成、甲醇合成、油品合成工藝上都有應(yīng)用。

2.1 動(dòng)力車間鍋爐給水

鍋爐給水負(fù)荷隨工藝變化大，介質(zhì)溫度可達(dá)220℃，鍋爐給水泵往往為10級(jí)以上的多級(jí)泵，進(jìn)出口壓差極大，典型揚(yáng)程>1 500m，最高可超過2 000m，對(duì)最小回流閥本體和內(nèi)件沖蝕極大，控制難度也較大。

用最小流量閥進(jìn)行鍋爐給水泵保護(hù)時(shí)，選型主要考慮兩點(diǎn)：①鍋爐負(fù)荷變化大，要求閥門具有較大的工作范圍；②離心泵揚(yáng)程高，要求閥門具有較好的耐壓能力、優(yōu)秀的高溫密封能力以及全工作范圍內(nèi)的旁路多級(jí)減壓能力?？紤]以上兩點(diǎn)，最小流量閥在結(jié)構(gòu)上一般選擇鍛造殼體，旁路減壓結(jié)構(gòu)使用多級(jí)節(jié)流串式，以確保全工況范圍內(nèi)的閥門性能。

而對(duì)于旁路多級(jí)孔板形式的減壓結(jié)構(gòu)，由于旁路各級(jí)的面積不能隨開度自行調(diào)節(jié)，造成鍋爐小負(fù)荷時(shí)，旁路處于“半開半閉”狀態(tài)，失去多級(jí)減壓效果，首級(jí)孔板很快汽蝕并形成內(nèi)漏。由于旁路泄漏日益嚴(yán)重，造成主路流量不足，影響產(chǎn)量。

2.2 氣化裝置

最小流量閥選型時(shí)，需要考慮介質(zhì)含固問題，對(duì)于目前幾種典型的最小流量閥閥型來說，其依賴于間隙配合導(dǎo)向動(dòng)作，固體顆粒一旦進(jìn)入配合間隙中，會(huì)使導(dǎo)向面磨損甚至卡澀，因此選型時(shí)應(yīng)選擇防卡結(jié)構(gòu)，并嚴(yán)格控制配合間隙和配合面硬度，從日常運(yùn)行和維護(hù)上加以考慮，閥門定期動(dòng)作，在設(shè)備檢修時(shí)定期進(jìn)行閥內(nèi)異物清理。

2.3 凈化裝置富甲醇

需要重點(diǎn)關(guān)注以下兩個(gè)方面：①低溫。低溫工況下閥門選型時(shí)，材料應(yīng)選擇低碳不銹鋼，如304L或316L；②含硫化氫低溫甲醇介質(zhì)。選型時(shí)應(yīng)注意材料需抗硫化物應(yīng)力開裂，不銹鋼材料除316L外還可高選317L或雙相鋼材質(zhì)；低溫碳鋼材質(zhì)需滿足Nace 0175的相關(guān)規(guī)定，如硬度最大值為22HRC，含鎳量低于1%，熱處理要求正火+回火等。

2.4 油品合成裝置

合成單元介質(zhì)通常為重質(zhì)油和過濾蠟，介質(zhì)的黏度高達(dá)0.6～1.1cP，熔點(diǎn)高達(dá)300℃，需要蒸汽或循環(huán)水伴熱以保持正常的流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)選型建議選擇帶夾套伴熱的最小流量閥。對(duì)于尾氣脫碳單元的貧液和半貧液，主要成分為碳酸鉀，溫度較低時(shí)介質(zhì)易結(jié)晶，且結(jié)晶顆粒對(duì)殼體存在不可忽略的磨損，選型時(shí)可以考慮選擇帶夾套伴熱的最小流量閥，以防止介質(zhì)結(jié)晶析出。

2.5 選型要求

裝置容量不同，泵流量、壓力也各不相同。因此，在選型時(shí)需要對(duì)癥下藥，根據(jù)每臺(tái)泵的工況(溫度、壓力、流量、含氣成分)選擇材料、型號(hào)、口徑和密封形式，而不應(yīng)統(tǒng)一以管道為基準(zhǔn)進(jìn)行選型。否則，極易引發(fā)與調(diào)節(jié)閥類似的小開度振動(dòng)，造成活動(dòng)件疲勞失效及密封面破壞。

3 選型設(shè)計(jì)原則及選型流程

3.1 選型設(shè)計(jì)原則

最小流量閥選型技術(shù)指標(biāo)包括：合理的切換點(diǎn)、較好的穩(wěn)定性、較小的流阻損失、精準(zhǔn)的再循環(huán)流量。

(1)最小流量閥的切換點(diǎn)定義為：主路流量增加到恰好使旁路關(guān)閉或當(dāng)主路流量減少到恰好使旁路打開時(shí)的主路流量臨界點(diǎn)，該值的精確度關(guān)系著閥門對(duì)泵的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。若切換點(diǎn)過低，不滿足泵的保護(hù)需求，切換點(diǎn)過高則浪費(fèi)能源。

通過切換點(diǎn)時(shí)對(duì)最小流量閥的核心元件——主路止回閥進(jìn)行受力分析(以最小流量閥水平安裝為例)：

F=T

(1)

(2)

T=T0+k·h

(3)

上述式中，F(xiàn)是流體升力，T是彈簧力，T0是彈簧預(yù)壓緊力，h是切換開高，k是彈簧剛度，ζh代表切換開高h(yuǎn)處的流阻系數(shù)，是根據(jù)試驗(yàn)測定的閥門性能參數(shù)。ρ是介質(zhì)密度，Q是介質(zhì)體積流量，S和A分別指等效節(jié)流面積以及升力面積，其值與具體口徑有關(guān)。將上述三式聯(lián)立可得：

(4)

由式(4)得出，最小流量閥的切換點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)為主路彈簧的設(shè)計(jì)。

(2)最小流量閥的穩(wěn)定性是指當(dāng)工藝流量發(fā)生突變時(shí)，流體升力變化，閥位隨之變化，將與彈簧力達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)止回閥的開度很小時(shí)，就容易與密封面發(fā)生碰撞，損壞密封面；另外，隨著主路止回閥閥位的突然變化，旁路開度也隨之變化，導(dǎo)致旁路流量大幅波動(dòng)，引發(fā)旁路水錘。以常見的管路低頻水錘為例，其最高頻率一般在十幾赫茲。根據(jù)GB1239—2009，為避免彈簧與脈動(dòng)流體發(fā)生共振，彈簧自振頻率不能低于流體振動(dòng)頻率的10倍，即彈簧自振頻率不能低于100Hz，因此最小流量閥彈簧剛度不宜過小。另外對(duì)于相同的切換流量，為保證足夠的彈簧剛度和開高，閥門口徑不能過大。

(3)主路壓力損失：在離心泵保護(hù)系統(tǒng)中，從泵出口處至最終使用點(diǎn)，高壓介質(zhì)由于流經(jīng)最小流量閥、變徑管、彎頭和管道，將不可避免地產(chǎn)生局部阻力損失和沿程損失。因此，在離心泵設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到配套最小流量閥的主路流阻而留出相應(yīng)裕量。但在選型時(shí)往往有一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為最小流量閥需按管道選型，所選閥門口徑越大，流速越小，壓力損失也就越小。其實(shí)不然，由于最小流量閥依賴流阻損失(升力)作為開啟能源，且最小流量閥主路流阻系數(shù)與開啟高度呈反比關(guān)系，同樣流量時(shí)，選取口徑越大的閥門，雖然獲得較小的流速，但小開度帶來了流阻系數(shù)的增加，最終的流阻損失非但不會(huì)減小，反而可能增大。在同樣工況下，流阻損失與口徑的大小并無定性關(guān)系可循，需要依照工況定量核算。

(4)閥門旁路方面，要想獲得精準(zhǔn)的再循環(huán)流量，需進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算并靠水力試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證才能實(shí)現(xiàn)。

3.2 選型流程

最小流量閥的選型一般按以下5個(gè)步驟進(jìn)行。

3.2.1 選擇產(chǎn)品類型

工程上一般以400m揚(yáng)程為分界點(diǎn)，將最小流量閥劃分為低壓型和高壓型，具體選型時(shí)需要根據(jù)介質(zhì)特性，如汽化壓力、許用流速等綜合確定。

3.2.2 確定閥門主路口徑

(1)估算主路最大口徑。為保證閥門具有較好的穩(wěn)定性和較小的壓力損失，閥門出口的折算流速不能低于經(jīng)驗(yàn)值，即主路口徑不應(yīng)該超過該臨界直徑。

(2)查出滿足要求的最小口徑。一般可通過查閱各制造廠性能參數(shù)表，確定出滿足流通能力的最小口徑。

(3)優(yōu)選與泵口徑匹配的產(chǎn)品。通過前2步計(jì)算，得到了主路口徑的初步范圍，第3步需要在此基礎(chǔ)上優(yōu)選與泵匹配的口徑，在減少變徑成本的同時(shí)也降低壓力損失。

3.2.3 校核旁路口徑

旁路流通能力一般按下式計(jì)算：

(1)

為保證可靠性，實(shí)際選型過程中所選閥門CV不超過對(duì)應(yīng)口徑的上限。

3.2.4 確定材料配置和壓力等級(jí)

(1)材料配置。在閥門殼體材質(zhì)的選擇上，需要綜合考慮溫度、耐腐蝕、耐磨損、耐沖刷等方面的需求，綜合考慮配套泵材質(zhì)等級(jí)，選擇合適的殼體材質(zhì)。

內(nèi)件材質(zhì)的一般原則是不低于殼體。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)件、導(dǎo)向件、耐沖刷件的耐蝕等級(jí)和硬度等級(jí)應(yīng)相應(yīng)提高。奧氏體不銹鋼硬度很低，在耐沖刷方面不夠理想，為保證導(dǎo)向可靠、不卡澀、不黏死，需在運(yùn)動(dòng)副間保證一定的硬度(差)，同時(shí)可在止回閥閥座堆焊硬質(zhì)合金，以增強(qiáng)這些位置的耐磨性及耐蝕性，保證閥門壽命。

(2)壓力等級(jí)。在確定閥門材料的基礎(chǔ)上，壓力等級(jí)需根據(jù)給定的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力等，查詢溫壓曲線獲得。

3.2.5 核算主路揚(yáng)程損失

主路揚(yáng)程損失的核算主要依據(jù)水力試驗(yàn)數(shù)據(jù)、介質(zhì)特性參數(shù)和泵的性能參數(shù)。

4 結(jié)語

(1)最小流量閥用于泵保護(hù)的原理在于：其屬于自力式閥門，主路止回閥是其核心元件，集流量感知、多級(jí)降壓、旁通控制閥和止回功能于一體的三通閥，無需動(dòng)力源和信號(hào)源，采用靜密封，無外漏；完全的無電連接，屬本質(zhì)安全型；減少了連接元件的數(shù)量，安裝、維護(hù)費(fèi)用低。

以煤氣化工藝中的鍋爐給水泵、高壓循環(huán)水泵、富甲醇泵和貧液泵為例，闡述了最小流量閥實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。

(2)最小流量閥性能指標(biāo)包括：合適的切換點(diǎn)、較好的穩(wěn)定性、較低的流阻損失和精準(zhǔn)的再循環(huán)流量。

(3)選型設(shè)計(jì)原則：為了使最小流量閥具有合適的切換點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)合適剛度的彈簧；為了使最小流量閥具有較好的動(dòng)作穩(wěn)定性，需要合理選擇閥門口徑；主路流阻損失水平與閥門口徑無絕對(duì)關(guān)系，要依照具體工況進(jìn)行定量核算；為了獲得精準(zhǔn)的再循環(huán)流量，需進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并靠水力試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)提出了最小流量閥選型的一般流程。最小流量閥的選型是一個(gè)專業(yè)性極強(qiáng)的系統(tǒng)工作，需要結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來綜合分析判斷，從而提高最小流量閥的選擇正確性，降低其在生產(chǎn)中發(fā)生故障的概率，繼而在根本上保證生產(chǎn)過程的安全性，促使生產(chǎn)裝置長周期、穩(wěn)定運(yùn)行。

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修改稿日期： 2017-01-20

Protection Scheme and Selection Principle for Minimum Flow of Typical Centrifugal Pump in Coal Chemical Industry

ZHANG Wei1，DENG Liang1，LI Dan2

(1.BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076，China；2.LiaoyangPetrochemicalCompanyOlefinsPlant，LiaoyangLiaoning111000，China)

Taking the coal gasification process as an example，the working principle of the minimum flow valve is introduced in this essay.The problems that should be paid attention to in the selection of the minimum flow valve are described and a general selecting and designing process is put forward，which will have practical significances for the selection，utilization and maintenance of minimal flow valve.

centrifugal pump；minimal flow protection；minimal flow valve；selection of valve type

張偉(1984年—)，女，河北唐山人，2011年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事最小流量閥設(shè)計(jì)與技術(shù)支持工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

TQ051.21

B

1004-8901(2017)02-0030-03