離心泵最小流量保護(hù)方案的選用原則

鄭 偉，王 萌

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

離心泵廣泛應(yīng)用于化工、能源、冶金、電力等各行各業(yè)，基本工作原理為通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵軸帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，給泵內(nèi)流體施加離心力，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成壓力能與動(dòng)能。離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要至少通過(guò)一定流量的流體，稱(chēng)為泵的最小需求流量，最小需求流量是最小穩(wěn)定流量和最小熱流量中的最大值。當(dāng)實(shí)際流量小于最小穩(wěn)定流量時(shí)，泵會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的噪音和振動(dòng)，運(yùn)行效率急劇降低，泵整體發(fā)生不可逆的破壞。當(dāng)實(shí)際流量小于最小熱流量時(shí)，泵體和軸承過(guò)熱，帶動(dòng)入口部分的液體溫度升高，飽和蒸氣壓隨之升高，造成泵在葉輪葉片附近出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。

然而，工藝流量隨著系統(tǒng)的需求而變化，有時(shí)需要工作在最小需求流量點(diǎn)以下，甚至完全降為零。頻繁啟停離心泵會(huì)對(duì)電機(jī)甚至電網(wǎng)造成影響，因而常用旁路回流管線來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)工藝流量小于最小需求流量時(shí)，旁路管線開(kāi)啟，保證通過(guò)泵的流量永遠(yuǎn)大于最小需求流量。旁路管線一端連接泵的出口，即經(jīng)過(guò)葉輪做功的高壓流體，另一端連接儲(chǔ)水罐中的低壓環(huán)境。流體流經(jīng)旁路管線時(shí)必然要經(jīng)歷一個(gè)減壓的過(guò)程，在壓差大時(shí)會(huì)出現(xiàn)節(jié)流縮脈現(xiàn)象，節(jié)流后的壓力值低于液體的飽和蒸汽壓，即出現(xiàn)閃蒸或汽蝕現(xiàn)象[1]，因而需要采用多級(jí)減壓等特殊結(jié)構(gòu)來(lái)確保減壓過(guò)程平穩(wěn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 兩種減壓方式的比較

行業(yè)內(nèi)最早的解決方案是使用連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，即在旁路放置節(jié)流孔板，單級(jí)或多級(jí)的孔板可以將高壓安全平穩(wěn)降至低壓?？刂蒲h(huán)系統(tǒng)使用調(diào)節(jié)閥作為減壓裝置，配以測(cè)控單元使旁路流量可靈活調(diào)節(jié)，節(jié)約了能源。自控回流閥的出現(xiàn)使得解決方案變得簡(jiǎn)捷，純機(jī)械的自力式結(jié)構(gòu)取代了整個(gè)測(cè)控單元，避免了額外的能源消耗。三種泵保護(hù)方案目前同時(shí)存在于實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，在適用工況范圍上也各有局限性，本文將重點(diǎn)討論這些方面。

1 三種保護(hù)方案的基本原理和特點(diǎn)

離心泵三種最小流量的保護(hù)方案見(jiàn)圖2。

1.1 連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)

連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)是在回流旁路放置單級(jí)或多級(jí)節(jié)流孔板，這種方式簡(jiǎn)單、初期成本小，但會(huì)浪費(fèi)額外電能，即使在系統(tǒng)全流量時(shí)，回流旁路仍然要通過(guò)最小需求流量，這意味著泵和電機(jī)要輸出額外的能量，一般最小需求流量占泵正常輸出流量的30%，有時(shí)會(huì)占到50%，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生巨額的資金浪費(fèi)。

現(xiàn)計(jì)算采用控制循環(huán)系統(tǒng)或泵保護(hù)閥的保護(hù)相較于在回流旁路放置孔板的方式的節(jié)能效果。離心泵的最小需求流量和泵的口徑、揚(yáng)程等參數(shù)有關(guān)，為計(jì)算節(jié)能效果，選取中等型號(hào)的離心泵為例，使用一臺(tái)口徑為DN150、揚(yáng)程為180m、工藝流量為170m3/h、最小需求流量為60m3/h的離心泵運(yùn)送常溫水，此泵在正常運(yùn)行時(shí)，旁路仍然需要通過(guò)最小流量，即泵在正常運(yùn)行時(shí)輸出的流量為230m3/h。假設(shè)泵在正常流量時(shí)的效率為80%，按泵每年工作300d、每天工作24h計(jì)，假定泵運(yùn)行一年帶來(lái)的額外電能消耗的計(jì)算公式為式(1)。

圖2 三種泵保護(hù)方式示意

(1)

式中，W為泵輸出的有用功，kW·h；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為泵的體積流量m3/s；H為泵的揚(yáng)程，m；t為泵的運(yùn)行時(shí)間，h；η為泵效率。

相較于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，使用自控回流閥每年可省電264 600kW·h，以我國(guó)工業(yè)電價(jià)0.8元/kW·h計(jì)算，使用自控回流閥每年可省電211 680元。按照每度電節(jié)約0.12kg標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)算，每一臺(tái)這樣的自控回流閥將帶來(lái)的節(jié)能量為31.75 tce/a。

不僅如此，由于這種方式不能完全利用泵的輸出流量，在需要輸出同樣的工藝流量時(shí)，采用這種方式需要選擇更大的泵。而且，由于節(jié)流孔板不是閥門(mén)，使用的材料往往達(dá)不到足夠的硬度，長(zhǎng)期處于流體沖刷狀態(tài)，孔板損壞嚴(yán)重，在含有一定固體顆粒的高壓差流體中使用時(shí)需要經(jīng)常更換。由于種種缺點(diǎn)和局限性，孔板保護(hù)逐漸被新的方式取代。

1.2 控制循環(huán)系統(tǒng)

控制循環(huán)系統(tǒng)由止回閥、測(cè)量單元、調(diào)節(jié)閥等組件組成，其中調(diào)節(jié)閥為核心組件。該系統(tǒng)動(dòng)作的基本原理如下：測(cè)量單元測(cè)試泵進(jìn)口流體流量信號(hào)，反饋給調(diào)節(jié)閥控制其開(kāi)度，從而達(dá)到控制流量的目的。該設(shè)計(jì)方法沒(méi)有額外的能量損失，流量調(diào)節(jié)靈活，目前應(yīng)用較為廣泛。

1.2.1測(cè)控單元

流量檢測(cè)元件設(shè)置在泵的入口處，用于檢測(cè)泵的流量?？刂品绞皆缙谟砷_(kāi)關(guān)式發(fā)展而來(lái)，當(dāng)泵的流量低于最小需求流量時(shí)，測(cè)量單元給閥門(mén)發(fā)出指令打開(kāi)閥門(mén)。當(dāng)工藝流量高于最小需求流量時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉。這種方式較為簡(jiǎn)便，較連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)節(jié)能顯著，但旁路只有開(kāi)和關(guān)兩種方式，還是會(huì)造成額外的能源浪費(fèi)。

調(diào)節(jié)式的控制方式更為靈活高效，閥門(mén)的開(kāi)度可隨工藝需求的變化而任意調(diào)整，且在任意時(shí)刻，旁路都可以測(cè)量單元信號(hào)，增減調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，使其在考慮安全裕量的前提下滿足泵的最小流量需求。

1.2.2工作特點(diǎn)

旁路可承受高壓差，可在具有一定含固量的惡劣環(huán)境中使用，降噪效果好，流量調(diào)節(jié)靈活高效，無(wú)額外能源浪費(fèi)。

缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要眾多元件一起工作，增大了系統(tǒng)失效的概率，泄漏點(diǎn)多，同時(shí)需要?jiǎng)恿υ春托盘?hào)源，易受電磁干擾。各元件的購(gòu)置費(fèi)用高，而且因?yàn)樗性夹枰芷谛跃S護(hù)，所以后期維修費(fèi)也相當(dāng)高。

1.2.3典型形式

籠式調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)為鼠籠式或套筒式調(diào)節(jié)閥(見(jiàn)圖3)，受籠級(jí)數(shù)的限制適合中壓差調(diào)節(jié)，平均每級(jí)減壓在5～6MPa。閥頭上下移動(dòng)遮住部分或全部的減壓孔，流量也隨之增減。閥頭與套筒內(nèi)壁采用間隙配合便于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以全關(guān)位置必須有額外的密封方式，例如在全關(guān)時(shí)閥桿和套筒底部有金屬錐面密封或線密封，否則會(huì)有流體泄漏。閥頭上設(shè)置有垂直的平衡孔以消除不平衡力，通過(guò)每一級(jí)孔的大小、數(shù)量、截面形式、級(jí)間擴(kuò)壓方式和減壓流道的表面光潔度來(lái)控制減壓效果。

圖3 籠式調(diào)節(jié)閥

迷宮式調(diào)節(jié)閥由籠式發(fā)展而來(lái)，擁有很多數(shù)量的小溝槽(見(jiàn)圖4)，形成扭曲的直角流道，流體每改變一次方向就減一次壓[2]。迷宮式調(diào)節(jié)閥由數(shù)個(gè)圓盤(pán)堆疊而成，通過(guò)控制閥頭上下移動(dòng)遮擋不同數(shù)目的圓盤(pán)完成流量控制，每個(gè)圓盤(pán)中的減壓級(jí)數(shù)多達(dá)數(shù)十級(jí)，因而可在高壓差的工況下使用。

圖4 迷宮式調(diào)節(jié)閥

多級(jí)減壓各級(jí)之間的壓差按照指數(shù)衰減，兩種調(diào)節(jié)閥形式共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為讓第一級(jí)或第一減壓序列減去絕大部分壓力，減小汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，最后一級(jí)序列僅承受很小的壓差，保證低出口速度。迷宮式較籠式流速更低，級(jí)間流速更為平均，減壓效果也更為平緩，更適宜在高壓差工況中使用。

1.3 自控回流閥

1.3.1動(dòng)作原理

與連續(xù)循環(huán)的孔板和控制循環(huán)的調(diào)節(jié)閥安裝在旁路不同，自控回流閥安裝在泵的出口管線，本身充當(dāng)了三通管件，一面連工藝管線，另一面連回流管線。

當(dāng)工藝流量為0時(shí)，閥盤(pán)前后沒(méi)有壓差，彈簧張開(kāi)，主路止回閥完全回座，旁路完全開(kāi)啟。流體循環(huán)到泵前儲(chǔ)罐內(nèi)，此時(shí)泵出口壓力通過(guò)旁路減至儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，同時(shí)旁路流量不低于泵的最小需求流量，有效保護(hù)泵不發(fā)生過(guò)熱、汽蝕及振動(dòng)超標(biāo)。隨著工藝流量的增加，作用在閥盤(pán)前后的壓差隨之增大，彈簧被漸漸壓縮，主路止回閥逐漸開(kāi)啟，旁路逐漸關(guān)閉。主、旁路同時(shí)有流體通過(guò)，且不論運(yùn)行到什么位置，工藝流量和旁路循環(huán)流量之和一直大于泵的最小需求流量，時(shí)刻對(duì)泵起到保護(hù)作用。當(dāng)流經(jīng)泵而出的流量大于正常工藝流量主路的最小需求流量時(shí)，主路開(kāi)高繼續(xù)增加，作用在閥盤(pán)前后的壓差達(dá)到最大，克服更大的彈簧力，直至將止回閥提到全開(kāi)的位置。

1.3.2工作特點(diǎn)

自力式閥門(mén)無(wú)需額外控制或手動(dòng)操作，無(wú)需額外能源，易于安裝和拆卸，集止回閥、旁路減壓閥、流量感知元件等多種結(jié)構(gòu)于一身，簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低，具有一定的調(diào)節(jié)性，大多數(shù)旁路減壓方案采用可變孔板，保證了時(shí)刻多級(jí)減壓。采用泵保護(hù)閥的方式集傳統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)和控制循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)解決了連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)中能源浪費(fèi)和控制循環(huán)系統(tǒng)中采購(gòu)、調(diào)試、維護(hù)和損耗費(fèi)用高等問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

另一方面，由于沒(méi)有外部信號(hào)實(shí)時(shí)控制閥芯運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作靈活性不如控制循環(huán)系統(tǒng)，在使用介質(zhì)變臟時(shí)，流體中的雜質(zhì)會(huì)沖蝕、堵塞閥門(mén)內(nèi)件，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮彈簧固有頻率與流體同頻共振的問(wèn)題。

1.3.3典型形式

自控回流閥有低壓套筒式、多級(jí)減壓式、滑閥式、可在線更換式及超高壓式幾種典型形式。低壓套筒式旁路(見(jiàn)圖5)相當(dāng)于孔板一級(jí)減壓，一般適用于旁路壓差小于4MPa的低壓工況，當(dāng)壓差超過(guò)4MPa時(shí)，選用多級(jí)減壓式以防止氣蝕。當(dāng)壓力超過(guò)25MPa時(shí)，多級(jí)減壓式結(jié)構(gòu)比例失衡，宜選用超高壓形式。由于同樣使用了多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)，可在線更換式的適用壓差與多級(jí)減壓式相同?；y式的特點(diǎn)為不依賴(lài)O形圈密封，因而可應(yīng)用于低溫工況，由于旁路內(nèi)件結(jié)構(gòu)不是多級(jí)減壓，故在高壓下使用易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

圖5 低壓套筒式閥門(mén)的三種閥位示意

多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)的回流閥的旁路流道需經(jīng)特殊設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)，對(duì)每一級(jí)的面積分布和型面的設(shè)計(jì)等定量計(jì)算，保證每一級(jí)的最低壓力不小于介質(zhì)的飽和蒸汽壓(見(jiàn)圖7)，從而有效地防止汽蝕的發(fā)生。在不同開(kāi)度下，減壓狀態(tài)應(yīng)保持一致，即無(wú)論旁路的開(kāi)度如何變化，每一級(jí)的面積比不變，通過(guò)減壓狀態(tài)的一致性保證了閥門(mén)在全行程下的穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證泵的安全運(yùn)行。

圖6 高壓差多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)的回流閥

圖7 多級(jí)減壓流道的流速和壓力云圖

旁路關(guān)死時(shí)的密封形式為硬密封，無(wú)內(nèi)漏，杜絕了由高壓差引起的磨損和沖蝕。其旁路結(jié)構(gòu)自帶內(nèi)置止回功能，當(dāng)有流體反流時(shí)，動(dòng)密封在不同零件之間形成封閉的高低壓腔，推動(dòng)閥芯止回，內(nèi)置止回閥減少了由外加零件帶來(lái)的不可靠因素。

高壓滑閥式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，其工作原理是通過(guò)滑閥的旋轉(zhuǎn)，改變旁路的流量，達(dá)到主旁路切換的目的，其孔板的數(shù)量隨著壓力的升高而增多。該結(jié)構(gòu)全部使用硬密封，因而可以在溫度低于0℃時(shí)使用。該結(jié)構(gòu)與多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)相比，缺點(diǎn)在于旁路不是真正的多級(jí)減壓。在滑閥完全開(kāi)啟時(shí)，該結(jié)構(gòu)是多級(jí)減壓；當(dāng)滑閥逐漸關(guān)閉至過(guò)流面積很小時(shí)，由于后面孔板的過(guò)流面積不變，使大部分的減壓集中在滑閥節(jié)流處，則該結(jié)構(gòu)變成了單級(jí)減壓，此時(shí)容易發(fā)生汽蝕的現(xiàn)象。該現(xiàn)象可通過(guò)在儲(chǔ)罐前增設(shè)背壓閥來(lái)緩解，背壓閥中設(shè)有彈簧，可與滑閥組成動(dòng)態(tài)2級(jí)減壓，但當(dāng)壓差過(guò)大時(shí)，汽蝕現(xiàn)象無(wú)法避免。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)旁路密封全部依賴(lài)于滑閥，閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)滑閥隨之滑動(dòng)，兩種金屬之間的滑動(dòng)很容易磨損，旁路易產(chǎn)生泄漏，高壓差下的泄漏很快導(dǎo)致其他零件的損壞。

圖8 高壓滑閥式

高壓可在線更換式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9，其安裝方向與流體的流動(dòng)方向不互相干涉，能夠在線拆裝。其旁路也使用多級(jí)減壓結(jié)構(gòu)，在閥門(mén)任意的開(kāi)度位置均為多級(jí)減壓，可調(diào)性好，旁路使用硬密封，無(wú)內(nèi)漏問(wèn)題發(fā)生。其缺點(diǎn)是與直通型閥相比，“Z”形閥體流阻大，即主路壓損大、能耗高。

當(dāng)旁路減壓級(jí)數(shù)較多時(shí)，同樣的旁路流通能力會(huì)造成主路開(kāi)啟高度過(guò)高，聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)比例失衡，因此出現(xiàn)了超高壓差式回流閥(見(jiàn)圖10)，長(zhǎng)連接桿改變了高壓時(shí)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)比例關(guān)系，同時(shí)節(jié)省了安裝空間，可用在50MPa無(wú)固體顆粒的超高壓工況里，特點(diǎn)與多級(jí)減壓式相同。

圖10 超高壓差式回流閥型

此外，還有很多種形式用以滿足不同的實(shí)際工況需求，對(duì)于溫度較低時(shí)易結(jié)晶，且結(jié)晶顆粒對(duì)殼體存在磨損的介質(zhì)，可選擇帶夾套伴熱的最小流量閥，以防止介質(zhì)結(jié)晶析出。對(duì)于流體中雜質(zhì)較多的情況，可以使用四通結(jié)構(gòu)，開(kāi)車(chē)時(shí)使用開(kāi)車(chē)旁路，實(shí)際使用時(shí)切換到多級(jí)減壓上來(lái)。

2 設(shè)計(jì)原則和使用范圍

2.1 設(shè)計(jì)旁路減壓結(jié)構(gòu)的基本原則

(1)在多級(jí)減壓原理中，壓力隨級(jí)數(shù)增多呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，因而將大部分減壓控制在第一組減壓級(jí)上能有效減小汽蝕的危險(xiǎn)。這樣到最后一級(jí)時(shí)壓差很小，能保證流體流過(guò)內(nèi)件的出口速度很低。此外，所有的閥頭要設(shè)計(jì)成同時(shí)動(dòng)作、同時(shí)開(kāi)關(guān)，保證運(yùn)動(dòng)的任何時(shí)刻都是多級(jí)減壓，各級(jí)分壓比不變。

(2)旁路減壓閥完全關(guān)閉時(shí)必須滿足嚴(yán)格的泄漏等級(jí)，可采用IEC60534-4-2006和ANSI FCI70.2-2006的V級(jí)泄漏等級(jí)作為參考。當(dāng)泄漏率過(guò)大時(shí)，高壓差將帶來(lái)過(guò)高的噴射流速，引起閥座表面嚴(yán)重沖蝕，還將帶來(lái)振動(dòng)，損壞閥門(mén)和管線。

(3)旁路小開(kāi)度長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)與泄漏率過(guò)大情況類(lèi)似，因此，一方面，要避免在小開(kāi)度情況下使用過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，比如對(duì)于調(diào)節(jié)閥來(lái)說(shuō)，需在0%～10%范圍內(nèi)控制閥門(mén)快速關(guān)閉；另一方面，密封面材料需要使用或堆焊630、440C、STL6、inconel或碳化鎢等耐磨材料，盡可能延長(zhǎng)使用壽命。

2.2 使用范圍

閥門(mén)性能的邊界見(jiàn)圖11[3]，包絡(luò)線與坐標(biāo)軸圍成的區(qū)域可以選用最小流量閥，當(dāng)壓力和流量的組合超過(guò)邊界時(shí)，則必須使用調(diào)節(jié)閥。需說(shuō)明的是，這個(gè)數(shù)據(jù)是根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)和廠家數(shù)據(jù)給出的估計(jì)值，在壓差相同的情況下，回流閥流量上限也應(yīng)隨著使用口徑的不同而變化，圖中并沒(méi)有給出，且實(shí)際需要結(jié)合背壓根據(jù)旁路壓差選型，一些特殊設(shè)計(jì)的回流閥也可能超過(guò)圖中壓力范圍。當(dāng)介質(zhì)密度不為1時(shí)，例如貧甲醇或重油，以圖中出口壓力所在刻度為準(zhǔn)。

圖11 回流閥的近似最大使用范圍(有特殊設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)可能會(huì)提升)注：hsd為靜壓頭，hf為壓頭損失，hdd為動(dòng)力傳輸頭。hdd表征壓力表檢測(cè)到的泵出口壓力，不包括速度頭。

總體來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)閥的使用范圍大于回流閥，表現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥可以承受更高的壓差、更大的流量、更高的含固量和更靈活的開(kāi)度控制。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)本文介紹了連續(xù)循環(huán)、控制循環(huán)和自控回流閥三種泵保護(hù)方案各自的特點(diǎn)，介紹了調(diào)節(jié)閥中籠式和迷宮式，回流閥中的多級(jí)減壓式、滑閥式、可在線更換式以及超高壓差式的動(dòng)作原理和特點(diǎn)。

(2)給出了各種保護(hù)形式的使用范圍，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)隨使用時(shí)間的增加會(huì)持續(xù)浪費(fèi)能源，現(xiàn)多被節(jié)能型方案替代；控制循環(huán)系統(tǒng)前期投入和維護(hù)成本高，但在超高壓差、高含固量、需要在小開(kāi)度時(shí)長(zhǎng)期工作等特定的工況下是目前唯一的選擇；回流閥綜合成本最低，適用于高壓差、低含固量、對(duì)閥開(kāi)高不要求實(shí)時(shí)可調(diào)的工況，超高壓差聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)和夾套等結(jié)構(gòu)可滿足一些特殊工況。本文總結(jié)了泵保護(hù)方案的選用原則，對(duì)于離心泵最小流量保護(hù)方案的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。