煤化工典型離心泵最小流量保護方案及選型原則

張 偉，鄧 亮，李 丹

(1.北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076；2.遼陽石化分公司烯烴廠，遼寧 遼陽 111000)

生 產 技 術

煤化工典型離心泵最小流量保護方案及選型原則

張 偉1，鄧 亮1，李 丹2

(1.北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100076；2.遼陽石化分公司烯烴廠，遼寧 遼陽 111000)

以煤氣化工藝為例，介紹了最小流量閥的工作原理，闡述了最小流量閥選型中應注意的問題，提出了選型設計的一般流程，對最小流量閥的選型、使用和維護具有實際指導意義。

離心泵；最小流量保護；最小流量閥；選型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

最小流量閥也叫自動再循環閥或泵保護閥，是離心泵的重要安全保護附件，在離心泵低負荷運行時最小流量閥旁路自動打開，使介質經由閥門旁路減壓回流，從而避免小流量介質不足以帶走泵體溫升而導致的振動、汽蝕等問題。配套最小流量閥以后，泵選型時不再考慮旁路附加回流量，泵的能力、體積、電機功率等均可減小，大大節約了能源和成本。

該閥設計技術難度較大，故我國在上世紀90年代完全依賴進口，經過多年的國產化探索和努力，其性能指標現已達到甚至超過了國外同類產品水平。隨著行業的快速發展，對離心泵的配套保護產品——最小流量閥的性能指標要求越來越高，最小流量閥在工藝設備中的重要性日益增強。對此，如何對最小流量閥進行選型，使其在一個良好的狀態下運行是一個很關鍵的問題。

選擇最小流量閥時，首先要獲得所需工藝參數和泵參數，包括介質成分、溫度、密度、黏度、旁路背壓，以及泵的正常流量、最大流量、最小流量、最大流量與最小流量下的泵出口壓力等。在對最小流量閥選型確定前，還必須掌握閥門結構特點，而技術指標主要考慮旁路流通能力、切換點、壓力損失，從而避免汽蝕、振動等問題。

1 最小流量閥工作原理

最小流量閥的核心在于主路止回閥能精確感知工藝流量，隨主路流量調整旁路流量，當工藝流量為零時，主路完全關閉，旁路完全打開，保證旁路流量不低于泵需求的最小流量；隨著工藝流量的增加，主路止回閥逐漸開啟，旁路逐漸關閉，主、旁路流量之和大于泵需求的最小流量；當工藝流量大于泵所需的最小流量時，旁路完全關閉，泵流量完全供給工藝管路。再循環流量一般占泵額定流量的30%，通常在泵性能曲線中給出。最小流量閥泵保護系統示意見圖1。

圖1 最小流量閥泵保護系統

2 最小流量閥的典型應用

最小流量閥典型應用是用于煤氣化工藝，在氣化及凈化工段，最小流量閥常用于鍋爐給水泵、凝液泵、灰水泵、貧/富甲醇泵的保護；在合成工段，最小流量閥在氨合成、甲醇合成、油品合成工藝上都有應用。

2.1 動力車間鍋爐給水

鍋爐給水負荷隨工藝變化大，介質溫度可達220℃，鍋爐給水泵往往為10級以上的多級泵，進出口壓差極大，典型揚程>1 500m，最高可超過2 000m，對最小回流閥本體和內件沖蝕極大，控制難度也較大。

用最小流量閥進行鍋爐給水泵保護時，選型主要考慮兩點：①鍋爐負荷變化大，要求閥門具有較大的工作范圍；②離心泵揚程高，要求閥門具有較好的耐壓能力、優秀的高溫密封能力以及全工作范圍內的旁路多級減壓能力。考慮以上兩點，最小流量閥在結構上一般選擇鍛造殼體，旁路減壓結構使用多級節流串式，以確保全工況范圍內的閥門性能。

而對于旁路多級孔板形式的減壓結構，由于旁路各級的面積不能隨開度自行調節，造成鍋爐小負荷時，旁路處于“半開半閉”狀態，失去多級減壓效果，首級孔板很快汽蝕并形成內漏。由于旁路泄漏日益嚴重，造成主路流量不足，影響產量。

2.2 氣化裝置

最小流量閥選型時，需要考慮介質含固問題，對于目前幾種典型的最小流量閥閥型來說，其依賴于間隙配合導向動作，固體顆粒一旦進入配合間隙中，會使導向面磨損甚至卡澀，因此選型時應選擇防卡結構，并嚴格控制配合間隙和配合面硬度，從日常運行和維護上加以考慮，閥門定期動作，在設備檢修時定期進行閥內異物清理。

2.3 凈化裝置富甲醇

需要重點關注以下兩個方面：①低溫。低溫工況下閥門選型時，材料應選擇低碳不銹鋼，如304L或316L；②含硫化氫低溫甲醇介質。選型時應注意材料需抗硫化物應力開裂，不銹鋼材料除316L外還可高選317L或雙相鋼材質；低溫碳鋼材質需滿足Nace 0175的相關規定，如硬度最大值為22HRC，含鎳量低于1%，熱處理要求正火+回火等。

2.4 油品合成裝置

合成單元介質通常為重質油和過濾蠟，介質的黏度高達0.6～1.1cP，熔點高達300℃，需要蒸汽或循環水伴熱以保持正常的流動狀態，此時選型建議選擇帶夾套伴熱的最小流量閥。對于尾氣脫碳單元的貧液和半貧液，主要成分為碳酸鉀，溫度較低時介質易結晶，且結晶顆粒對殼體存在不可忽略的磨損，選型時可以考慮選擇帶夾套伴熱的最小流量閥，以防止介質結晶析出。

2.5 選型要求

裝置容量不同，泵流量、壓力也各不相同。因此，在選型時需要對癥下藥，根據每臺泵的工況(溫度、壓力、流量、含氣成分)選擇材料、型號、口徑和密封形式，而不應統一以管道為基準進行選型。否則，極易引發與調節閥類似的小開度振動，造成活動件疲勞失效及密封面破壞。

3 選型設計原則及選型流程

3.1 選型設計原則

最小流量閥選型技術指標包括：合理的切換點、較好的穩定性、較小的流阻損失、精準的再循環流量。

(1)最小流量閥的切換點定義為：主路流量增加到恰好使旁路關閉或當主路流量減少到恰好使旁路打開時的主路流量臨界點，該值的精確度關系著閥門對泵的安全性以及經濟性。若切換點過低，不滿足泵的保護需求，切換點過高則浪費能源。

通過切換點時對最小流量閥的核心元件——主路止回閥進行受力分析(以最小流量閥水平安裝為例)：

F=T

(1)

(2)

T=T0+k·h

(3)

上述式中，F是流體升力，T是彈簧力，T0是彈簧預壓緊力，h是切換開高，k是彈簧剛度，ζh代表切換開高h處的流阻系數，是根據試驗測定的閥門性能參數。ρ是介質密度，Q是介質體積流量，S和A分別指等效節流面積以及升力面積，其值與具體口徑有關。將上述三式聯立可得：

(4)

由式(4)得出，最小流量閥的切換點設計實質為主路彈簧的設計。

(2)最小流量閥的穩定性是指當工藝流量發生突變時，流體升力變化，閥位隨之變化，將與彈簧力達到新的動態平衡，當止回閥的開度很小時，就容易與密封面發生碰撞，損壞密封面；另外，隨著主路止回閥閥位的突然變化，旁路開度也隨之變化，導致旁路流量大幅波動，引發旁路水錘。以常見的管路低頻水錘為例，其最高頻率一般在十幾赫茲。根據GB1239—2009，為避免彈簧與脈動流體發生共振，彈簧自振頻率不能低于流體振動頻率的10倍，即彈簧自振頻率不能低于100Hz，因此最小流量閥彈簧剛度不宜過小。另外對于相同的切換流量，為保證足夠的彈簧剛度和開高，閥門口徑不能過大。

(3)主路壓力損失：在離心泵保護系統中，從泵出口處至最終使用點，高壓介質由于流經最小流量閥、變徑管、彎頭和管道，將不可避免地產生局部阻力損失和沿程損失。因此，在離心泵設計時需考慮到配套最小流量閥的主路流阻而留出相應裕量。但在選型時往往有一個誤區，認為最小流量閥需按管道選型，所選閥門口徑越大，流速越小，壓力損失也就越小。其實不然，由于最小流量閥依賴流阻損失(升力)作為開啟能源，且最小流量閥主路流阻系數與開啟高度呈反比關系，同樣流量時，選取口徑越大的閥門，雖然獲得較小的流速，但小開度帶來了流阻系數的增加，最終的流阻損失非但不會減小，反而可能增大。在同樣工況下，流阻損失與口徑的大小并無定性關系可循，需要依照工況定量核算。

(4)閥門旁路方面，要想獲得精準的再循環流量，需進行流體動力學仿真計算并靠水力試驗進行驗證才能實現。

3.2 選型流程

最小流量閥的選型一般按以下5個步驟進行。

3.2.1 選擇產品類型

工程上一般以400m揚程為分界點，將最小流量閥劃分為低壓型和高壓型，具體選型時需要根據介質特性，如汽化壓力、許用流速等綜合確定。

3.2.2 確定閥門主路口徑

(1)估算主路最大口徑。為保證閥門具有較好的穩定性和較小的壓力損失，閥門出口的折算流速不能低于經驗值，即主路口徑不應該超過該臨界直徑。

(2)查出滿足要求的最小口徑。一般可通過查閱各制造廠性能參數表，確定出滿足流通能力的最小口徑。

(3)優選與泵口徑匹配的產品。通過前2步計算，得到了主路口徑的初步范圍，第3步需要在此基礎上優選與泵匹配的口徑，在減少變徑成本的同時也降低壓力損失。

3.2.3 校核旁路口徑

旁路流通能力一般按下式計算：

(1)

為保證可靠性，實際選型過程中所選閥門CV不超過對應口徑的上限。

3.2.4 確定材料配置和壓力等級

(1)材料配置。在閥門殼體材質的選擇上，需要綜合考慮溫度、耐腐蝕、耐磨損、耐沖刷等方面的需求，綜合考慮配套泵材質等級，選擇合適的殼體材質。

內件材質的一般原則是不低于殼體。在此基礎上，運動件、導向件、耐沖刷件的耐蝕等級和硬度等級應相應提高。奧氏體不銹鋼硬度很低，在耐沖刷方面不夠理想，為保證導向可靠、不卡澀、不黏死，需在運動副間保證一定的硬度(差)，同時可在止回閥閥座堆焊硬質合金，以增強這些位置的耐磨性及耐蝕性，保證閥門壽命。

(2)壓力等級。在確定閥門材料的基礎上，壓力等級需根據給定的設計溫度、設計壓力等，查詢溫壓曲線獲得。

3.2.5 核算主路揚程損失

主路揚程損失的核算主要依據水力試驗數據、介質特性參數和泵的性能參數。

4 結語

(1)最小流量閥用于泵保護的原理在于：其屬于自力式閥門，主路止回閥是其核心元件，集流量感知、多級降壓、旁通控制閥和止回功能于一體的三通閥，無需動力源和信號源，采用靜密封，無外漏；完全的無電連接，屬本質安全型；減少了連接元件的數量，安裝、維護費用低。

以煤氣化工藝中的鍋爐給水泵、高壓循環水泵、富甲醇泵和貧液泵為例，闡述了最小流量閥實際應用中的關鍵問題。

(2)最小流量閥性能指標包括：合適的切換點、較好的穩定性、較低的流阻損失和精準的再循環流量。

(3)選型設計原則：為了使最小流量閥具有合適的切換點，需要設計合適剛度的彈簧；為了使最小流量閥具有較好的動作穩定性，需要合理選擇閥門口徑；主路流阻損失水平與閥門口徑無絕對關系，要依照具體工況進行定量核算；為了獲得精準的再循環流量，需進行流體動力學計算，并靠水力試驗進行驗證。

(4)提出了最小流量閥選型的一般流程。最小流量閥的選型是一個專業性極強的系統工作，需要結合實際使用經驗來綜合分析判斷，從而提高最小流量閥的選擇正確性，降低其在生產中發生故障的概率，繼而在根本上保證生產過程的安全性，促使生產裝置長周期、穩定運行。

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修改稿日期： 2017-01-20

Protection Scheme and Selection Principle for Minimum Flow of Typical Centrifugal Pump in Coal Chemical Industry

ZHANG Wei1，DENG Liang1，LI Dan2

(1.BeijingAerospacePetrochemicalTechnologyEquipmentEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100076，China；2.LiaoyangPetrochemicalCompanyOlefinsPlant，LiaoyangLiaoning111000，China)

Taking the coal gasification process as an example，the working principle of the minimum flow valve is introduced in this essay.The problems that should be paid attention to in the selection of the minimum flow valve are described and a general selecting and designing process is put forward，which will have practical significances for the selection，utilization and maintenance of minimal flow valve.

centrifugal pump；minimal flow protection；minimal flow valve；selection of valve type

張偉(1984年—)，女，河北唐山人，2011年畢業于北京化工大學化工過程機械專業，碩士，工程師，現主要從事最小流量閥設計與技術支持工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

TQ051.21

B

1004-8901(2017)02-0030-03