喻 芳

惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201210

離心泵最小流量控制方案的選擇

喻 芳*

惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201210

針對(duì)離心泵在低流量區(qū)域長(zhǎng)期運(yùn)行易產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)、噪音和機(jī)械故障的問(wèn)題，總結(jié)工藝流程設(shè)計(jì)中泵最小流量控制的若干方案及各自特點(diǎn)，推薦各方案的適宜應(yīng)用場(chǎng)合。

離心泵 最小流量 孔板 調(diào)節(jié)閥 壓力 流量

液體輸送用泵將輸入功率(如電能、蒸汽動(dòng)能)一部分轉(zhuǎn)換為水力能量，同時(shí)由于摩擦一部分轉(zhuǎn)換成熱能損失。內(nèi)部能量損失在很大程度上取決于通過(guò)泵的流量。泵輸出流量越低，效率越低，因此轉(zhuǎn)換為熱量的內(nèi)部能量損失就越大。泵內(nèi)介質(zhì)溫度隨流量減小而不斷上升，為避免泵內(nèi)過(guò)熱和可能的汽化，泵運(yùn)行時(shí)必須保持一定的流量(即所謂最小流量)。當(dāng)流量低于最小流量時(shí)，泵將產(chǎn)生汽蝕、振動(dòng)、噪音甚至機(jī)械故障。在工藝設(shè)計(jì)中，為避免因上游液位或下游壓力原因?qū)е卤玫妮斔土髁康陀谧钚×髁?，通常采用泵出口的最小流量旁路返回上游容器的方法保護(hù)泵的平穩(wěn)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 最小流量保護(hù)方案

在實(shí)際運(yùn)用中，最小流量旁路有幾種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案，最簡(jiǎn)單的為旁路加裝孔板保持一股連續(xù)的流量返回上游設(shè)備。較復(fù)雜的為自動(dòng)控制方案，采用壓力或流量參數(shù)控制旁路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，不同方案有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。

1.1 旁路孔板

泵出口旁路上安裝孔板是最簡(jiǎn)單也最常見(jiàn)的泵最小流量保護(hù)方法，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 旁路孔板工藝流程

泵出口線上分出一股旁路返回上游容器，旁路上安裝限流孔板和閘閥，閘閥正常運(yùn)行時(shí)保持全開(kāi)。管道尺寸根據(jù)廠家提供的泵的最小流量進(jìn)行確定。限流孔板有兩種設(shè)計(jì)思路，一種是最安全但最耗能的，即按泵的最小流量進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一種根據(jù)可能出現(xiàn)的工藝最小流量，用泵的最小流量減掉工藝最小流量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以降低一部分泵的耗能。旁路安裝孔板的方案因旁路有連續(xù)的流量通過(guò)，泵的出口流量始終大于工藝流量，當(dāng)泵的最小流量較大時(shí)，泵的操作點(diǎn)始終偏離最佳效率點(diǎn)，因此能耗大，操作費(fèi)用高。該方案適宜于泵流量較小、功率較低的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)是方案簡(jiǎn)單，孔板成本低；缺點(diǎn)是能耗高，而且當(dāng)孔板前后切斷閥誤關(guān)閉時(shí)起不到保護(hù)作用，可能造成泵的機(jī)械損壞。

1.2 出口壓力+旁路調(diào)節(jié)閥

為節(jié)省能量，可采用自動(dòng)控制旁路滿足泵最小流量起到保護(hù)的作用。方法之一是用泵出口壓力對(duì)旁路的開(kāi)度進(jìn)行控制的方案，旁路上裝一調(diào)節(jié)閥，正常運(yùn)行時(shí)閥一直為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)出口壓力高于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，表示出口流量降低，此時(shí)旁路應(yīng)逐漸開(kāi)大，以保證入口流量不低于最小流量。壓力設(shè)定點(diǎn)根據(jù)泵的操作曲線上最小流量對(duì)應(yīng)的出口壓力進(jìn)行設(shè)定。工藝流程見(jiàn)圖2。

控制邏輯為：當(dāng)控制器PC檢測(cè)到出口壓力 > 設(shè)定值SP(泵允許的最小流量下對(duì)應(yīng)的出口壓力)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行開(kāi)閥動(dòng)作；當(dāng)控制器PC檢測(cè)到出口壓力 ≤ 設(shè)定值SP(泵允許的最小流量下對(duì)應(yīng)的出口壓力)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作。

圖2 出口壓力控制工藝流程

對(duì)高揚(yáng)程泵來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)閥可能需要和一級(jí)或多級(jí)孔板連用，孔板用來(lái)降壓以避免出現(xiàn)對(duì)閥的沖蝕、噪音和介質(zhì)的汽化。

當(dāng)上游壓力變化比因流量改變帶來(lái)的壓力波動(dòng)小，且泵的性能曲線很陡峭時(shí)，即流量降低，出口壓力迅速升高，壓力控制比較靈敏時(shí)，用出口壓力進(jìn)行最小流量控制較適宜。

1.3 出口流量+旁路調(diào)節(jié)閥

采用調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制旁路流量的方法經(jīng)濟(jì)，當(dāng)泵性能曲線較平坦，即出口壓力對(duì)流量變化不敏感時(shí)，可采用泵出口流量對(duì)旁路進(jìn)行控制。工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 出口流量控制工藝流程

正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)閥一直為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)出口總流量低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)，此時(shí)旁路應(yīng)逐漸開(kāi)大，以保證入口流量不低于最小流量。流量設(shè)定點(diǎn)根據(jù)泵的操作曲線上最小流量進(jìn)行設(shè)定。對(duì)高揚(yáng)程泵，為了達(dá)到降壓并保護(hù)調(diào)節(jié)閥的作用，可能串聯(lián)一級(jí)或多級(jí)孔板使用。

控制邏輯為：當(dāng)控制器FC檢測(cè)到出口流量<設(shè)定值SP(泵允許的最小流量值)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行開(kāi)閥動(dòng)作；當(dāng)控制器FC檢測(cè)到出口壓力 ≥ 設(shè)定值SP(泵允許的最小流量值)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作。

1.4 泵進(jìn)出口壓差+旁路調(diào)節(jié)閥

對(duì)于泵性能曲線較陡峭，且泵進(jìn)口壓力變化很大的場(chǎng)合，為減小進(jìn)口壓力對(duì)出口壓力的影響，旁路調(diào)節(jié)閥可采用泵進(jìn)出口壓差進(jìn)行控制。工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 進(jìn)出口壓差控制工藝流程

此方案的特點(diǎn)是通過(guò)檢測(cè)泵進(jìn)口設(shè)備壓力和出口壓力得到進(jìn)出口壓差，該壓差即近似為泵揚(yáng)程，當(dāng)流量減小時(shí)，對(duì)照泵性能曲線，泵揚(yáng)程迅速增加，此時(shí)旁路調(diào)節(jié)閥應(yīng)開(kāi)大，以保證泵的流量不低于最小流量，達(dá)到保護(hù)泵的目的。

控制邏輯：泵上游設(shè)備出口壓力變送器PT1和泵出口壓力變送器PT2將參數(shù)送至壓差控制器PDC，當(dāng)其檢測(cè)到壓差值 > 設(shè)定值SP(泵允許的最小流量下對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程壓差)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行開(kāi)閥動(dòng)作；當(dāng)控制器PDC檢測(cè)到壓差值 ≤ 設(shè)定值SP(泵允許的最小流量下對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程壓差)，控制器發(fā)出4～20mA控制信號(hào)至最小流量旁路控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作。正常操作時(shí)，旁路閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

該方案較單獨(dú)的出口壓力控制復(fù)雜，多了一套壓力檢測(cè)儀表和邏輯回路，但控制最穩(wěn)定，當(dāng)泵性能曲線陡峭且進(jìn)口壓力變化較大時(shí)，推薦采用此種方案。

2 結(jié)語(yǔ)

離心泵在化工操作中作為最常見(jiàn)的動(dòng)設(shè)備，其耗能對(duì)降低操作費(fèi)用有重要的意義。當(dāng)工藝流量有可能低于泵穩(wěn)定操作的最小流量時(shí)，有必要增加出口旁路設(shè)計(jì)。以上四種旁路最小流量控制方案，從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)孔板的投資最小，但操作費(fèi)用高，適宜用在泵流量小，功率低的場(chǎng)合；增加旁路調(diào)節(jié)閥的自控方案一次性投資大，但長(zhǎng)期運(yùn)行的操作費(fèi)用大幅降低。出口壓力和流量控制分別用于泵性能曲線陡峭和平坦的場(chǎng)合，當(dāng)泵入口壓力波動(dòng)較大時(shí)，可增加進(jìn)口壓力檢測(cè)，通過(guò)進(jìn)出口壓差對(duì)旁路流量進(jìn)行控制。在實(shí)際工藝中，要根據(jù)具體情況做出合適的選擇，達(dá)到既安全、又節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目的。

2016-11-03)

*喻 芳：工程師。2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工藝系獲碩士學(xué)位。主要從事石油化工工程工藝設(shè)計(jì)。 聯(lián)系電話：(021)20306278，E-mail：yufang@wison.com。