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(jià)及維護(hù)費(fèi)用相對較低等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用在石化行業(yè)中。實(shí)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(jìn)行裝車操作，當(dāng)接近設(shè)定裝車量時，需調(diào)低裝車線流量，用小流量持續(xù)運(yùn)行至裝車設(shè)定值；當(dāng)泵的外輸流量遠(yuǎn)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(yán)重時會出現(xiàn)安全事故。

工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)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(shè)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]。

1 泵最小流量的設(shè)定

離心泵最小流量確定，主要考慮流量減小導(dǎo)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(yùn)系統(tǒng)泵區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)泵的工作流量低于泵的額定流量30%時，應(yīng)設(shè)置小流量管道。在工程設(shè)計(jì)中，一般取額定流量的30%為離心泵的最小連續(xù)流量[2]。

2 常規(guī)小流量管道的設(shè)置

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(dāng)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(jìn)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(shè)置控制級流量計(jì)，通過流量計(jì)顯示，操作人員進(jìn)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(yùn)行會導(dǎo)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)對泵的保護(hù)作用，對操作人員的依賴性很強(qiáng)。手動操作耗費(fèi)人工，容易誤判或延時，存在安全隱患。

3 小流量管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 流程優(yōu)化

為消除手動操作的弊端，對小流量管道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)（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(shè)置孔板流量計(jì)，小流量管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥閥組，孔板流量計(jì)的流量信號與控制閥聯(lián)鎖。當(dāng)孔板流量計(jì)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(shè)有副線，設(shè)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(shè)止回閥，防止倒罐回流線壓力增高時倒流，造成孔板流量計(jì)的計(jì)量值不準(zhǔn)確，維護(hù)自控調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖正常運(yùn)行。

3.2 工藝參數(shù)設(shè)置

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(jìn)行計(jì)算、選用。

3.2.1 流量

設(shè)離心泵額定流量為Q，當(dāng)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(shè)泵的額定工作點(diǎn)揚(yáng)程為H，當(dāng)流量小于30%額定流量時，泵揚(yáng)程會高于H，這時泵出口壓力需要通過泵的性能曲線進(jìn)行換算。

圖4為某離心泵特性曲線典型圖。當(dāng)流量達(dá)到0.3Q時，工作揚(yáng)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(jì)算公式為

式中：pmax為最大工作壓力，MPa；H為離心泵揚(yáng)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(guān)液體介質(zhì)，為防止靜電火災(zāi)爆炸，還需控制流速小于4.5 m/s；液化烴類管道流速應(yīng)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(dāng)?shù)构藁亓骶€壓力與小流量管道壓力相差過大時，則應(yīng)采取措施再相互聯(lián)通。儲運(yùn)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(yáng)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(jì)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(yùn)設(shè)計(jì)手冊（下冊）》，小流量管道內(nèi)徑可由下式計(jì)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(dāng)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(jì)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(jìn)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(shè)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(jì)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(guān)儲運(yùn)系統(tǒng)中，管道壓力不宜過高，離心泵揚(yáng)程有限，限流孔板壓力降一般小于2.5 MPa。查閱《石油化工設(shè)計(jì)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(guān)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(yīng)快速的特點(diǎn)，且本質(zhì)安全，無需再采取防爆措施，故在此次優(yōu)化設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選用氣動調(diào)節(jié)閥。

3.3 注意事項(xiàng)

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(shè)備超壓，這種情況建議按工藝方案一進(jìn)行設(shè)置，小流量管道直接接至儲罐。

另外，大流量高揚(yáng)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(dāng)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(dāng)離心泵的揚(yáng)程超過200 m，小流量回流量超過150 m3/h 時，應(yīng)慎重選擇小流量方案，建議采用變頻電動機(jī)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(yīng)注意，盡量減少彎頭，不出現(xiàn)U型彎，要加強(qiáng)固定。應(yīng)采取多種措施來提高管線的剛性，降低管線的柔性[8-10]。

4 工程實(shí)例

某油庫柴油裝船泵P-01 的額定流量Q為350 m3/h，揚(yáng)程H為120 m。裝船后期，即將達(dá)到設(shè)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(shè)小流量管道設(shè)計(jì)。

自動調(diào)節(jié)閥的流量設(shè)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(shè)倒罐泵，倒罐泵由另外1臺柴油裝船泵P-02兼做，流量揚(yáng)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(jì)，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(jì)算，以流速V為2 m/s進(jìn)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(jì)合理的小流量管道內(nèi)徑為100 mm，流量最大時的流速達(dá)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(shè)置截止閥來調(diào)節(jié)流量，無需設(shè)置限流孔板。

本項(xiàng)目中，小流量管道按方案三進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)、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(jìn)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(jì)算，約5.5 年可收回小流量管道優(yōu)化設(shè)計(jì)增加的資金投入。

5 結(jié)束語

離心泵流量遠(yuǎn)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(dāng)泵的工作流量低于泵的額定流量30%時，應(yīng)設(shè)置小流量管道。常規(guī)小流量管道的設(shè)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(jìn)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(jìn)行流程優(yōu)化，可增設(shè)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(shè)計(jì)計(jì)算方法。

采用該優(yōu)化方案時，可能出現(xiàn)管道設(shè)備超壓的情況，應(yīng)慎重選擇該方案，還應(yīng)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(shè)計(jì)，相對于人工操作，可避免誤判或延遲，還可有效延長機(jī)泵壽命。本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案已在多個煉化企業(yè)設(shè)計(jì)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(yùn)行良好。