離心泵小流量管道優化設計*

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分公司

離心泵具有適用范圍廣、結構簡單、流量均勻、造價及維護費用相對較低等特點，因此被廣泛地應用在石化行業中。實際生產的某些工況中，泵的外輸量在一定時間內處于波動狀態。例如汽車裝車泵進行裝車操作，當接近設定裝車量時，需調低裝車線流量，用小流量持續運行至裝車設定值；當泵的外輸流量遠小于泵額定流量時，就會出現泵送液體介質溫度上升、泵體振動過大、泵能耗增大等問題，狀態嚴重時會出現安全事故。

工程設計中，當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生的不利影響[1]。

1 泵最小流量的設定

離心泵最小流量確定，主要考慮流量減小導致的介質溫升氣化、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《石油化工儲運系統泵區設計規范》中規定，當泵的工作流量低于泵的額定流量30%時，應設置小流量管道。在工程設計中，一般取額定流量的30%為離心泵的最小連續流量[2]。

2 常規小流量管道的設置

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，最小流量管道內流體返回泵上游容器的液相區。當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流量?；亓鞯慕橘|經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門選用截止閥或調節閥。

在工藝方案二中，最小流量管道內流體返回泵進口管線，管道閥門選用截止閥來調節流量。本方案適用于前后壓差不大的固定流量控制系統，即在泵出口主管上設置控制級流量計，通過流量計顯示，操作人員進行開啟小流量管道閥門作業。方案二比方案一流程簡單、管線短，節約投資。但回流的液體接著回到泵的入口，不斷循環，長時間地運行會導致介質的溫升。對于飽和蒸汽壓較低的輸送介質，操作溫度升高導致液體開始汽化，極易引發離心泵氣蝕現象[4]。

以上兩種工藝，均由操作人員根據泵出口流量情況調節小流量管道的調節閥，實現對泵的保護作用，對操作人員的依賴性很強。手動操作耗費人工，容易誤判或延時，存在安全隱患。

3 小流量管道的優化設計

3.1 流程優化

為消除手動操作的弊端，對小流量管道進行了優化設計（圖3）。

圖3 小流量管道工藝方案三Fig.3 Process plan Ⅲof low-flow pipeline

優化后的流程為：在泵出口線設置孔板流量計，小流量管道上設置調節閥閥組，孔板流量計的流量信號與控制閥聯鎖。當孔板流量計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。小流量管道設有副線，設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止回閥，防止倒罐回流線壓力增高時倒流，造成孔板流量計的計量值不準確，維護自控調節閥聯鎖正常運行。

3.2 工藝參數設置

小流量管道中自動調節閥及副線中限流孔板選型，需要根據小流量管道特性進行計算、選用。

3.2.1 流量

設離心泵額定流量為Q，當主管外輸量為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。

設泵的額定工作點揚程為H，當流量小于30%額定流量時，泵揚程會高于H，這時泵出口壓力需要通過泵的性能曲線進行換算。

圖4為某離心泵特性曲線典型圖。當流量達到0.3Q時，工作揚程在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計算公式為

式中：pmax為最大工作壓力，MPa；H為離心泵揚程，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；對于石油化工相關液體介質，為防止靜電火災爆炸，還需控制流速小于4.5 m/s；液化烴類管道流速應不大于3 m/s。

3.2.4 允許壓降

富余液體介質由泵出口經小流量管道至倒罐回流線，返回至油罐。當倒罐回流線壓力與小流量管道壓力相差過大時，則應采取措施再相互聯通。儲運系統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[6]。

3.2.5 管徑計算

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《油品儲運設計手冊（下冊）》，小流量管道內徑可由下式計算

式中：d為小流量管道內徑，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；L為管道當量長度，m；ρ為流體密度，kg/m2；di為管道內徑，m。

通過試算比對，最終得出合理的小流量管道內徑[5]。

3.2.6 限流孔板計算

自控調節閥組出現問題停用時，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限流孔板?；亓鹘橘|經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、煉廠相關儲運系統中，管道壓力不宜過高，離心泵揚程有限，限流孔板壓力降一般小于2.5 MPa。查閱《石油化工設計手冊（第4 卷）》，輸送液體介質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為工作狀態下體積流量，m3/h；C為孔板的流量系數，由雷諾數Re值和d0/D查《限流孔板C-Re-d0/D關系圖》求取，其中D為小流量管道內徑，m。

3.2.7 調節閥選型

根據小流量管道特性，一般流體的流量系數可由下式求得

式中：CV為流量系數；Q為流經的體積流量，m3/h；Δp為調節閥前后壓差，kgf/cm2；γ為介質重度，kgf/cm3。

根據流量系數CV值查詢產品手冊，可以確定調節閥的公稱通徑[7]。

氣動調節閥具有控制簡單、反應快速的特點，且本質安全，無需再采取防爆措施，故在此次優化設計中，優先選用氣動調節閥。

3.3 注意事項

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，可能發生管道設備超壓，這種情況建議按工藝方案一進行設置，小流量管道直接接至儲罐。

另外，大流量高揚程的泵采用小流量管道回流方案時，在回流調節閥上消耗的能量越大越容易引起震動。當調節閥開度增大時，回流量增大，液體動量增大，越容易引起震動。當離心泵的揚程超過200 m，小流量回流量超過150 m3/h 時，應慎重選擇小流量方案，建議采用變頻電動機加變頻器共同作用的方案，用以調節離心泵流量范圍。

離心泵小流量管道配管時應注意，盡量減少彎頭，不出現U型彎，要加強固定。應采取多種措施來提高管線的剛性，降低管線的柔性[8-10]。

4 工程實例

某油庫柴油裝船泵P-01 的額定流量Q為350 m3/h，揚程H為120 m。裝船后期，即將達到設定裝船量時，存在一段持續小流量狀態。為此，在泵P-01出口主管線上增設小流量管道設計。

自動調節閥的流量設定值定為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。

泵棚內設倒罐泵，倒罐泵由另外1臺柴油裝船泵P-02兼做，流量揚程與泵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，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。

流量管道內徑可由公式（3）計算，以流速V為2 m/s進行試算，初步得出管道內徑需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，最終得出經濟合理的小流量管道內徑為100 mm，流量最大時的流速達到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置截止閥來調節流量，無需設置限流孔板。

本項目中，小流量管道按方案三進行優化設計后，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、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行其他生產操作，每年可為企業節約勞動成本約1萬元。經計算，約5.5 年可收回小流量管道優化設計增加的資金投入。

5 結束語

離心泵流量遠小于額定流量時，會出現溫升、震動、能耗增大甚至安全事故等問題。當泵的工作流量低于泵的額定流量30%時，應設置小流量管道。常規小流量管道的設置方法有兩種：最小流量管道返回泵上游容器的液相區；最小流量管道返回泵進口管線。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，對小流量管道進行流程優化，可增設自動調節閥與泵出口流量聯鎖控制裝置。對其中的小流量管道管徑、限流孔板、調節閥等給出優化設計計算方法。

采用該優化方案時，可能出現管道設備超壓的情況，應慎重選擇該方案，還應采取多種措施來提高管線的剛性。采用自動化操作后，節約了勞動成本，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節閥組的優化設計，相對于人工操作，可避免誤判或延遲，還可有效延長機泵壽命。本優化設計方案已在多個煉化企業設計施工中采用，為企業節約了大量人力成本，目前現場生產運行良好。