辛真 劉紅波 陳士臣 王鈺 郭春雷 孫翠林 黨娜
1中海油石化工程有限公司
2中國石油管道沈陽技術(shù)分公司
離心泵具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、流量均勻、造價及維護費用相對較低等特點,因此被廣泛地應用在石化行業(yè)中。實際生產(chǎn)的某些工況中,泵的外輸量在一定時間內(nèi)處于波動狀態(tài)。例如汽車裝車泵進行裝車操作,當接近設定裝車量時,需調(diào)低裝車線流量,用小流量持續(xù)運行至裝車設定值;當泵的外輸流量遠小于泵額定流量時,就會出現(xiàn)泵送液體介質(zhì)溫度上升、泵體振動過大、泵能耗增大等問題,狀態(tài)嚴重時會出現(xiàn)安全事故。
工程設計中,當存在管道外輸流量波動較大的工況時,通常在泵出口主管上設置一條小流量回流支管,用來避免主管外輸流量過低時對泵產(chǎn)生的不利影響[1]。
離心泵最小流量確定,主要考慮流量減小導致的介質(zhì)溫升氣化、液體流動分離,以及軸向力或徑向力增加等因素。離心泵的生產(chǎn)廠家會給出泵允許的最小流量,不同廠家、不同型號的泵允許最小流量略有偏差,但一般都不大于泵額定流量的30%。
在《石油化工儲運系統(tǒng)泵區(qū)設計規(guī)范》中規(guī)定,當泵的工作流量低于泵的額定流量30%時,應設置小流量管道。在工程設計中,一般取額定流量的30%為離心泵的最小連續(xù)流量[2]。
圖1 與圖2 為目前常見的兩種泵小流量管道工藝方案[3]。
圖1 小流量管道工藝方案一Fig.1 Process planⅠof low-flow pipeline
圖2 小流量管道工藝方案二Fig.2 Process plan Ⅱof low-flow pipeline
在工藝方案一中,最小流量管道內(nèi)流體返回泵上游容器的液相區(qū)。當外輸管道的流量低于泵的額定流量30%時,手動開啟回流閥門,使部分流體回流至儲罐,從而使泵的工作流量不小于其允許最小連續(xù)流量?;亓鞯慕橘|(zhì)經(jīng)過限流孔板及切斷閥后,壓力降低,從而減小了對儲罐的沖擊?;亓鏖y門選用截止閥或調(diào)節(jié)閥。
在工藝方案二中,最小流量管道內(nèi)流體返回泵進口管線,管道閥門選用截止閥來調(diào)節(jié)流量。本方案適用于前后壓差不大的固定流量控制系統(tǒng),即在泵出口主管上設置控制級流量計,通過流量計顯示,操作人員進行開啟小流量管道閥門作業(yè)。方案二比方案一流程簡單、管線短,節(jié)約投資。但回流的液體接著回到泵的入口,不斷循環(huán),長時間地運行會導致介質(zhì)的溫升。對于飽和蒸汽壓較低的輸送介質(zhì),操作溫度升高導致液體開始汽化,極易引發(fā)離心泵氣蝕現(xiàn)象[4]。
以上兩種工藝,均由操作人員根據(jù)泵出口流量情況調(diào)節(jié)小流量管道的調(diào)節(jié)閥,實現(xiàn)對泵的保護作用,對操作人員的依賴性很強。手動操作耗費人工,容易誤判或延時,存在安全隱患。
為消除手動操作的弊端,對小流量管道進行了優(yōu)化設計(圖3)。
圖3 小流量管道工藝方案三Fig.3 Process plan Ⅲof low-flow pipeline
優(yōu)化后的流程為:在泵出口線設置孔板流量計,小流量管道上設置調(diào)節(jié)閥閥組,孔板流量計的流量信號與控制閥聯(lián)鎖。當孔板流量計檢測到泵的工作流量小于或等于泵的額定流量30%時,氣動控制閥FV 打開,富余流體至倒罐回流線,返回儲罐。小流量管道設有副線,設置截止閥或限流孔板作為自動控制閥組檢修時備用。小流量管道下游增設止回閥,防止倒罐回流線壓力增高時倒流,造成孔板流量計的計量值不準確,維護自控調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖正常運行。
小流量管道中自動調(diào)節(jié)閥及副線中限流孔板選型,需要根據(jù)小流量管道特性進行計算、選用。
3.2.1 流量
設離心泵額定流量為Q,當主管外輸量為0時,回流管流量不得低于泵的最小流量0.3Q;小流量回流管的最大流量取0.35Q,即小流量管道流量范圍為(0~0.35)Q。
3.2.2 管道壓力
小流量管上游連接泵出口,則管線操作壓力即離心泵出口壓力。
設泵的額定工作點揚程為H,當流量小于30%額定流量時,泵揚程會高于H,這時泵出口壓力需要通過泵的性能曲線進行換算。
圖4為某離心泵特性曲線典型圖。當流量達到0.3Q時,工作揚程在H的1~1.2 倍之間。由圖4 可知,小流量管道的工作壓力定為0~pmax是安全可靠的[5],pmax計算公式為
式中:pmax為最大工作壓力,MPa;H為離心泵揚程,m;γ為流體相對密度。
圖4 離心泵特性曲線典型圖Fig.4 Typical diagram of centrifugal pump characteristic curve
3.2.3 介質(zhì)流速
為控制噪聲污染,建議控制流速小于9 m/s;對于石油化工相關液體介質(zhì),為防止靜電火災爆炸,還需控制流速小于4.5 m/s;液化烴類管道流速應不大于3 m/s。
3.2.4 允許壓降
富余液體介質(zhì)由泵出口經(jīng)小流量管道至倒罐回流線,返回至油罐。當?shù)构藁亓骶€壓力與小流量管道壓力相差過大時,則應采取措施再相互聯(lián)通。儲運系統(tǒng)離心泵一般用作供給裝置、裝船或裝車,倒罐泵可由上述泵兼做,揚程能夠滿足倒罐所需壓力。
小流量管道最大允許壓力降為
式中:Δp為小流量管道最大允許壓力降,MPa(G);h倒罐為倒罐回流線沿程摩阻損失,m;Hgs為離心泵入口與儲罐液面的最大高差,m。
自動控制閥的允許壓力降一般控制在50 kPa(G)以內(nèi)[6]。
3.2.5 管徑計算
已知小流量管線壓力降、流速,可推算出合理的小流量管道管徑。
查閱《油品儲運設計手冊(下冊)》,小流量管道內(nèi)徑可由下式計算
式中:d為小流量管道內(nèi)徑,m;Q為離心泵額定流量,m3/s;V為流體流速,m/s。
單相流體的摩擦阻力可由下式求得
式中:ΔPr為管道沿程摩阻,MPa(G);λ為水力摩擦系數(shù);L為管道當量長度,m;ρ為流體密度,kg/m2;di為管道內(nèi)徑,m。
通過試算比對,最終得出合理的小流量管道內(nèi)徑[5]。
3.2.6 限流孔板計算
自控調(diào)節(jié)閥組出現(xiàn)問題停用時,小流量管道副線作為備用方案。離心泵出口壓力過大,高出倒罐泵壓力,因流速過快進入倒罐回流線,造成對儲罐浮盤等不利影響,此時需要在小流量管道上增設限流孔板?;亓鹘橘|(zhì)經(jīng)限流孔板降低壓力后,再匯總至倒罐回流線上,返回儲罐。
為與下游的倒罐回流線相匹配,小流量管道中限流孔板的壓降則必須降至倒罐線允許的操作工況。此處為必需壓力降,計算公式如下
式中:Δp1為必需壓力降,MPa(G);p允許為小流量管道最大允許壓力降,MPa。
油庫、煉廠相關儲運系統(tǒng)中,管道壓力不宜過高,離心泵揚程有限,限流孔板壓力降一般小于2.5 MPa。查閱《石油化工設計手冊(第4 卷)》,輸送液體介質(zhì)的小流量管道選用單孔孔板[7]。
小流量管道副線中的限流孔板孔徑可由下式求得
式中:d0為限流孔板孔徑,m;Q0為工作狀態(tài)下體積流量,m3/h;C為孔板的流量系數(shù),由雷諾數(shù)Re值和d0/D查《限流孔板C-Re-d0/D關系圖》求取,其中D為小流量管道內(nèi)徑,m。
3.2.7 調(diào)節(jié)閥選型
根據(jù)小流量管道特性,一般流體的流量系數(shù)可由下式求得
式中:CV為流量系數(shù);Q為流經(jīng)的體積流量,m3/h;Δp為調(diào)節(jié)閥前后壓差,kgf/cm2;γ為介質(zhì)重度,kgf/cm3。
根據(jù)流量系數(shù)CV值查詢產(chǎn)品手冊,可以確定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑[7]。
氣動調(diào)節(jié)閥具有控制簡單、反應快速的特點,且本質(zhì)安全,無需再采取防爆措施,故在此次優(yōu)化設計中,優(yōu)先選用氣動調(diào)節(jié)閥。
小流量管道出口壓力過高,甚至出口管線的材料等級高出倒罐回流線一個級別以上,假若小流量管道接入倒罐回流線,可能發(fā)生管道設備超壓,這種情況建議按工藝方案一進行設置,小流量管道直接接至儲罐。
另外,大流量高揚程的泵采用小流量管道回流方案時,在回流調(diào)節(jié)閥上消耗的能量越大越容易引起震動。當調(diào)節(jié)閥開度增大時,回流量增大,液體動量增大,越容易引起震動。當離心泵的揚程超過200 m,小流量回流量超過150 m3/h 時,應慎重選擇小流量方案,建議采用變頻電動機加變頻器共同作用的方案,用以調(diào)節(jié)離心泵流量范圍。
離心泵小流量管道配管時應注意,盡量減少彎頭,不出現(xiàn)U型彎,要加強固定。應采取多種措施來提高管線的剛性,降低管線的柔性[8-10]。
某油庫柴油裝船泵P-01 的額定流量Q為350 m3/h,揚程H為120 m。裝船后期,即將達到設定裝船量時,存在一段持續(xù)小流量狀態(tài)。為此,在泵P-01出口主管線上增設小流量管道設計。
自動調(diào)節(jié)閥的流量設定值定為0.3Q,則小流量管道最大值為0.35Q,即離心泵P-01 的小流量管道流量為0~122 m3/h。
泵棚內(nèi)設倒罐泵,倒罐泵由另外1臺柴油裝船泵P-02兼做,流量揚程與泵P-01相同。泵棚距離儲罐約300 m,罐高約17 m,倒罐回流線管徑取200 mm??紤]小流量管道開啟,倒罐回流線沿程摩阻為30 m;離心泵入口與儲罐液面的最大高差以17 m 計,小流量管道最大允許壓力降Δp=0.87 MPa??紤]裕量,小流量管道允許壓力降取0.5 MPa。
流量管道內(nèi)徑可由公式(3)計算,以流速V為2 m/s進行試算,初步得出管道內(nèi)徑需150 mm。
由單相流體的摩擦阻力通用公式核算小流量管道壓力降,通過試算比對,最終得出經(jīng)濟合理的小流量管道內(nèi)徑為100 mm,流量最大時的流速達到4.3 m/s,防靜電的極限流速為4.5 m/s。
由于小流量管道與倒罐回流線之間壓差不大,小流量管道副線僅設置截止閥來調(diào)節(jié)流量,無需設置限流孔板。
本項目中,小流量管道按方案三進行優(yōu)化設計后,與方案一(或方案二)比較,增加了自動控制閥組(氣動)、止回閥、孔板流量計、若干管道及電纜等材料,共增加投資約5.5 萬元。年裝船能力以100次考慮,裝船期間約有0~1.5 h存在穩(wěn)定小流量狀況。采用自動化操作后,操作工人可減少約150 h 的操作時間。操作員工可有余力進行其他生產(chǎn)操作,每年可為企業(yè)節(jié)約勞動成本約1萬元。經(jīng)計算,約5.5 年可收回小流量管道優(yōu)化設計增加的資金投入。
離心泵流量遠小于額定流量時,會出現(xiàn)溫升、震動、能耗增大甚至安全事故等問題。當泵的工作流量低于泵的額定流量30%時,應設置小流量管道。常規(guī)小流量管道的設置方法有兩種:最小流量管道返回泵上游容器的液相區(qū);最小流量管道返回泵進口管線。這兩種工藝均由操作人員手動操作,容易誤判或延時,并存在安全隱患。
為消除手動操作的弊端,對小流量管道進行流程優(yōu)化,可增設自動調(diào)節(jié)閥與泵出口流量聯(lián)鎖控制裝置。對其中的小流量管道管徑、限流孔板、調(diào)節(jié)閥等給出優(yōu)化設計計算方法。
采用該優(yōu)化方案時,可能出現(xiàn)管道設備超壓的情況,應慎重選擇該方案,還應采取多種措施來提高管線的剛性。采用自動化操作后,節(jié)約了勞動成本,同時延長了離心泵的使用壽命。
離心泵小流量管道增加自動調(diào)節(jié)閥組的優(yōu)化設計,相對于人工操作,可避免誤判或延遲,還可有效延長機泵壽命。本優(yōu)化設計方案已在多個煉化企業(yè)設計施工中采用,為企業(yè)節(jié)約了大量人力成本,目前現(xiàn)場生產(chǎn)運行良好。