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電機(jī)驅(qū)動泵軸帶動葉輪轉(zhuǎn)動，給泵內(nèi)流體施加離心力，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成壓力能與動能。離心泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時需要至少通過一定流量的流體，稱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)實際流量小于最小穩(wěn)定流量時，泵會產(chǎn)生過大的噪音和振動，運(yùn)行效率急劇降低，泵整體發(fā)生不可逆的破壞。當(dāng)實際流量小于最小熱流量時，泵體和軸承過熱，帶動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，有時需要工作在最小需求流量點以下，甚至完全降為零。頻繁啟停離心泵會對電機(jī)甚至電網(wǎng)造成影響，因而常用旁路回流管線來解決問題。當(dāng)工藝流量小于最小需求流量時，旁路管線開啟，保證通過泵的流量永遠(yuǎn)大于最小需求流量。旁路管線一端連接泵的出口，即經(jīng)過葉輪做功的高壓流體，另一端連接儲水罐中的低壓環(huán)境。流體流經(jīng)旁路管線時必然要經(jīng)歷一個減壓的過程，在壓差大時會出現(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]，因而需要采用多級減壓等特殊結(jié)構(gòu)來確保減壓過程平穩(wěn)(見圖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，單級或多級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捷，純機(jī)械的自力式結(jié)構(gòu)取代了整個測控單元，避免了額外的能源消耗。三種泵保護(hù)方案目前同時存在于實際使用現(xiàn)場，各有優(yōu)缺點，在適用工況范圍上也各有局限性，本文將重點討論這些方面。

1 三種保護(hù)方案的基本原理和特點

離心泵三種最小流量的保護(hù)方案見圖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或多級節(jié)流孔板，這種方式簡單、初期成本小，但會浪費(fèi)額外電能，即使在系統(tǒng)全流量時，回流旁路仍然要通過最小需求流量，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%，有時會占到50%，長期使用會產(chǎn)生巨額的資金浪費(fèi)。

現(xiàn)計算采用控制循環(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)，為計算節(jié)能效果，選取中等型號的離心泵為例，使用一臺口徑為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，旁路仍然需要通過最小流量，即泵在正常運(yùn)行時輸出的流量為230m3/h。假設(shè)泵在正常流量時的效率為80%，按泵每年工作300d、每天工作24h計，假定泵運(yùn)行一年帶來的額外電能消耗的計算公式為式(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，以我國工業(yè)電價0.8元/kW·h計算，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)煤來算，每一臺這樣的自控回流閥將帶來的節(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，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，使用的材料往往達(dá)不到足夠的硬度，長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需要經(jīng)常更換。由于種種缺點和局限性，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)動作的基本原理如下：測量單元測試泵進(jìn)口流體流量信號，反饋給調(diào)節(jié)閥控制其開度，從而達(dá)到控制流量的目的。該設(shè)計方法沒有額外的能量損失，流量調(diào)節(jié)靈活，目前應(yīng)用較為廣泛。

1.2.1測控單元

流量檢測元件設(shè)置在泵的入口處，用于檢測泵的流量?？刂品绞皆缙谟砷_關(guān)式發(fā)展而來，當(dāng)泵的流量低于最小需求流量時，測量單元給閥門發(fā)出指令打開閥門。當(dāng)工藝流量高于最小需求流量時，閥門關(guān)閉。這種方式較為簡便，較連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)節(jié)能顯著，但旁路只有開和關(guān)兩種方式，還是會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，閥門的開度可隨工藝需求的變化而任意調(diào)整，且在任意時刻，旁路都可以測量單元信號，增減調(diào)節(jié)閥開度，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

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，無額外能源浪費(fèi)。

缺點是系統(tǒng)需要眾多元件一起工作，增大了系統(tǒng)失效的概率，泄漏點多，同時需要動力源和信號源，易受電磁干擾。各元件的購置費(fèi)用高，而且因為所有元件都需要周期性維護(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)閥又稱為鼠籠式或套筒式調(diào)節(jié)閥(見圖3)，受籠級數(shù)的限制適合中壓差調(diào)節(jié)，平均每級減壓在5～6MPa。閥頭上下移動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運(yùn)動，所以全關(guān)位置必須有額外的密封方式，例如在全關(guān)時閥桿和套筒底部有金屬錐面密封或線密封，否則會有流體泄漏。閥頭上設(shè)置有垂直的平衡孔以消除不平衡力，通過每一級孔的大小、數(shù)量、截面形式、級間擴(kuò)壓方式和減壓流道的表面光潔度來控制減壓效果。

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，擁有很多數(shù)量的小溝槽(見圖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)個圓盤堆疊而成，通過控制閥頭上下移動遮擋不同數(shù)目的圓盤完成流量控制，每個圓盤中的減壓級數(shù)多達(dá)數(shù)十級，因而可在高壓差的工況下使用。

圖4 迷宮式調(diào)節(jié)閥

多級減壓各級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)計目標(biāo)是為讓第一級或第一減壓序列減去絕大部分壓力，減小汽蝕的風(fēng)險，最后一級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，閥盤前后沒有壓差，彈簧張開，主路止回閥完全回座，旁路完全開啟。流體循環(huán)到泵前儲罐內(nèi)，此時泵出口壓力通過旁路減至儲罐內(nèi)的壓力，同時旁路流量不低于泵的最小需求流量，有效保護(hù)泵不發(fā)生過熱、汽蝕及振動超標(biāo)。隨著工藝流量的增加，作用在閥盤前后的壓差隨之增大，彈簧被漸漸壓縮，主路止回閥逐漸開啟，旁路逐漸關(guān)閉。主、旁路同時有流體通過，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，時刻對泵起到保護(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，主路開高繼續(xù)增加，作用在閥盤前后的壓差達(dá)到最大，克服更大的彈簧力，直至將止回閥提到全開的位置。

1.3.2工作特點

自力式閥門無需額外控制或手動操作，無需額外能源，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，保證了時刻多級減壓。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)點于一身，同時解決了連續(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、調(diào)試、維護(hù)和損耗費(fèi)用高等問題，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

另一方面，由于沒有外部信號實時控制閥芯運(yùn)動，動作靈活性不如控制循環(huán)系統(tǒng)，在使用介質(zhì)變臟時，流體中的雜質(zhì)會沖蝕、堵塞閥門內(nèi)件，設(shè)計時還需要考慮彈簧固有頻率與流體同頻共振的問題。

1.3.3典型形式

自控回流閥有低壓套筒式、多級減壓式、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(見圖5)相當(dāng)于孔板一級減壓，一般適用于旁路壓差小于4MPa的低壓工況，當(dāng)壓差超過4MPa時，選用多級減壓式以防止氣蝕。當(dāng)壓力超過25MPa時，多級減壓式結(jié)構(gòu)比例失衡，宜選用超高壓形式。由于同樣使用了多級減壓結(jié)構(gòu)，可在線更換式的適用壓差與多級減壓式相同?；y式的特點為不依賴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 低壓套筒式閥門的三種閥位示意

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

圖6 高壓差多級減壓結(jié)構(gòu)的回流閥

圖7 多級減壓流道的流速和壓力云圖

旁路關(guān)死時的密封形式為硬密封，無內(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，動密封在不同零件之間形成封閉的高低壓腔，推動閥芯止回，內(nèi)置止回閥減少了由外加零件帶來的不可靠因素。

高壓滑閥式結(jié)構(gòu)見圖8，其工作原理是通過滑閥的旋轉(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℃時使用。該結(jié)構(gòu)與多級減壓結(jié)構(gòu)相比，缺點在于旁路不是真正的多級減壓。在滑閥完全開啟時，該結(jié)構(gòu)是多級減壓；當(dāng)滑閥逐漸關(guān)閉至過流面積很小時，由于后面孔板的過流面積不變，使大部分的減壓集中在滑閥節(jié)流處，則該結(jié)構(gòu)變成了單級減壓，此時容易發(fā)生汽蝕的現(xiàn)象。該現(xiàn)象可通過在儲罐前增設(shè)背壓閥來緩解，背壓閥中設(shè)有彈簧，可與滑閥組成動態(tài)2級減壓，但當(dāng)壓差過大時，汽蝕現(xiàn)象無法避免。同時，該結(jié)構(gòu)旁路密封全部依賴于滑閥，閥門開關(guān)時滑閥隨之滑動，兩種金屬之間的滑動很容易磨損，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)見圖9，其安裝方向與流體的流動方向不互相干涉，能夠在線拆裝。其旁路也使用多級減壓結(jié)構(gòu)，在閥門任意的開度位置均為多級減壓，可調(diào)性好，旁路使用硬密封，無內(nèi)漏問題發(fā)生。其缺點是與直通型閥相比，“Z”形閥體流阻大，即主路壓損大、能耗高。

當(dāng)旁路減壓級數(shù)較多時，同樣的旁路流通能力會造成主路開啟高度過高，聯(lián)動調(diào)節(jié)比例失衡，因此出現(xiàn)了超高壓差式回流閥(見圖10)，長連接桿改變了高壓時聯(lián)動調(diào)節(jié)運(yùn)動比例關(guān)系，同時節(jié)省了安裝空間，可用在50MPa無固體顆粒的超高壓工況里，特點與多級減壓式相同。

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際工況需求，對于溫度較低時易結(jié)晶，且結(jié)晶顆粒對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。對于流體中雜質(zhì)較多的情況，可以使用四通結(jié)構(gòu)，開車時使用開車旁路，實際使用時切換到多級減壓上來。

2 設(shè)計原則和使用范圍

2.1 設(shè)計旁路減壓結(jié)構(gòu)的基本原則

(1)在多級減壓原理中，壓力隨級數(shù)增多呈指數(shù)衰減趨勢，因而將大部分減壓控制在第一組減壓級上能有效減小汽蝕的危險。這樣到最后一級時壓差很小，能保證流體流過內(nèi)件的出口速度很低。此外，所有的閥頭要設(shè)計成同時動作、同時開關(guān)，保證運(yùn)動的任何時刻都是多級減壓，各級分壓比不變。

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

(3)旁路小開度長期運(yùn)行時與泄漏率過大情況類似，因此，一方面，要避免在小開度情況下使用過長時間，比如對于調(diào)節(jié)閥來說，需在0%～10%范圍內(nèi)控制閥門快速關(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，盡可能延長使用壽命。

2.2 使用范圍

閥門性能的邊界見圖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邊界時，則必須使用調(diào)節(jié)閥。需說明的是，這個數(shù)據(jù)是根據(jù)使用經(jīng)驗和廠家數(shù)據(jù)給出的估計值，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，圖中并沒有給出，且實際需要結(jié)合背壓根據(jù)旁路壓差選型，一些特殊設(shè)計的回流閥也可能超過圖中壓力范圍。當(dāng)介質(zhì)密度不為1時，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)計時數(shù)據(jù)可能會提升)注：hsd為靜壓頭，hf為壓頭損失，hdd為動力傳輸頭。hdd表征壓力表檢測到的泵出口壓力，不包括速度頭。

總體來說，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度控制。

3 結(jié)語

(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，介紹了調(diào)節(jié)閥中籠式和迷宮式，回流閥中的多級減壓式、滑閥式、可在線更換式以及超高壓差式的動作原理和特點。

(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)隨使用時間的增加會持續(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、需要在小開度時長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、對閥開高不要求實時可調(diào)的工況，超高壓差聯(lián)動結(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。