煤化工典型离心泵最小流量保护方案及选型原则

张 伟，邓 亮，李 丹

(1.北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076；2.辽阳石化分公司烯烃厂，辽宁 辽阳 111000)

生 产 技 术

煤化工典型离心泵最小流量保护方案及选型原则

张 伟1，邓 亮1，李 丹2

(1.北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100076；2.辽阳石化分公司烯烃厂，辽宁 辽阳 111000)

以煤气化工艺为例，介绍了最小流量阀的工作原理，阐述了最小流量阀选型中应注意的问题，提出了选型设计的一般流程，对最小流量阀的选型、使用和维护具有实际指导意义。

离心泵；最小流量保护；最小流量阀；选型

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

最小流量阀也叫自动再循环阀或泵保护阀，是离心泵的重要安全保护附件，在离心泵低负荷运行时最小流量阀旁路自动打开，使介质经由阀门旁路减压回流，从而避免小流量介质不足以带走泵体温升而导致的振动、汽蚀等问题。配套最小流量阀以后，泵选型时不再考虑旁路附加回流量，泵的能力、体积、电机功率等均可减小，大大节约了能源和成本。

该阀设计技术难度较大，故我国在上世纪90年代完全依赖进口，经过多年的国产化探索和努力，其性能指标现已达到甚至超过了国外同类产品水平。随着行业的快速发展，对离心泵的配套保护产品——最小流量阀的性能指标要求越来越高，最小流量阀在工艺设备中的重要性日益增强。对此，如何对最小流量阀进行选型，使其在一个良好的状态下运行是一个很关键的问题。

选择最小流量阀时，首先要获得所需工艺参数和泵参数，包括介质成分、温度、密度、黏度、旁路背压，以及泵的正常流量、最大流量、最小流量、最大流量与最小流量下的泵出口压力等。在对最小流量阀选型确定前，还必须掌握阀门结构特点，而技术指标主要考虑旁路流通能力、切换点、压力损失，从而避免汽蚀、振动等问题。

1 最小流量阀工作原理

最小流量阀的核心在于主路止回阀能精确感知工艺流量，随主路流量调整旁路流量，当工艺流量为零时，主路完全关闭，旁路完全打开，保证旁路流量不低于泵需求的最小流量；随着工艺流量的增加，主路止回阀逐渐开启，旁路逐渐关闭，主、旁路流量之和大于泵需求的最小流量；当工艺流量大于泵所需的最小流量时，旁路完全关闭，泵流量完全供给工艺管路。再循环流量一般占泵额定流量的30%，通常在泵性能曲线中给出。最小流量阀泵保护系统示意见图1。

图1 最小流量阀泵保护系统

2 最小流量阀的典型应用

最小流量阀典型应用是用于煤气化工艺，在气化及净化工段，最小流量阀常用于锅炉给水泵、凝液泵、灰水泵、贫/富甲醇泵的保护；在合成工段，最小流量阀在氨合成、甲醇合成、油品合成工艺上都有应用。

2.1 动力车间锅炉给水

锅炉给水负荷随工艺变化大，介质温度可达220℃，锅炉给水泵往往为10级以上的多级泵，进出口压差极大，典型扬程>1 500m，最高可超过2 000m，对最小回流阀本体和内件冲蚀极大，控制难度也较大。

用最小流量阀进行锅炉给水泵保护时，选型主要考虑两点：①锅炉负荷变化大，要求阀门具有较大的工作范围；②离心泵扬程高，要求阀门具有较好的耐压能力、优秀的高温密封能力以及全工作范围内的旁路多级减压能力。考虑以上两点，最小流量阀在结构上一般选择锻造壳体，旁路减压结构使用多级节流串式，以确保全工况范围内的阀门性能。

而对于旁路多级孔板形式的减压结构，由于旁路各级的面积不能随开度自行调节，造成锅炉小负荷时，旁路处于“半开半闭”状态，失去多级减压效果，首级孔板很快汽蚀并形成内漏。由于旁路泄漏日益严重，造成主路流量不足，影响产量。

2.2 气化装置

最小流量阀选型时，需要考虑介质含固问题，对于目前几种典型的最小流量阀阀型来说，其依赖于间隙配合导向动作，固体颗粒一旦进入配合间隙中，会使导向面磨损甚至卡涩，因此选型时应选择防卡结构，并严格控制配合间隙和配合面硬度，从日常运行和维护上加以考虑，阀门定期动作，在设备检修时定期进行阀内异物清理。

2.3 净化装置富甲醇

需要重点关注以下两个方面：①低温。低温工况下阀门选型时，材料应选择低碳不锈钢，如304L或316L；②含硫化氢低温甲醇介质。选型时应注意材料需抗硫化物应力开裂，不锈钢材料除316L外还可高选317L或双相钢材质；低温碳钢材质需满足Nace 0175的相关规定，如硬度最大值为22HRC，含镍量低于1%，热处理要求正火+回火等。

2.4 油品合成装置

合成单元介质通常为重质油和过滤蜡，介质的黏度高达0.6～1.1cP，熔点高达300℃，需要蒸汽或循环水伴热以保持正常的流动状态，此时选型建议选择带夹套伴热的最小流量阀。对于尾气脱碳单元的贫液和半贫液，主要成分为碳酸钾，温度较低时介质易结晶，且结晶颗粒对壳体存在不可忽略的磨损，选型时可以考虑选择带夹套伴热的最小流量阀，以防止介质结晶析出。

2.5 选型要求

装置容量不同，泵流量、压力也各不相同。因此，在选型时需要对症下药，根据每台泵的工况(温度、压力、流量、含气成分)选择材料、型号、口径和密封形式，而不应统一以管道为基准进行选型。否则，极易引发与调节阀类似的小开度振动，造成活动件疲劳失效及密封面破坏。

3 选型设计原则及选型流程

3.1 选型设计原则

最小流量阀选型技术指标包括：合理的切换点、较好的稳定性、较小的流阻损失、精准的再循环流量。

(1)最小流量阀的切换点定义为：主路流量增加到恰好使旁路关闭或当主路流量减少到恰好使旁路打开时的主路流量临界点，该值的精确度关系着阀门对泵的安全性以及经济性。若切换点过低，不满足泵的保护需求，切换点过高则浪费能源。

通过切换点时对最小流量阀的核心元件——主路止回阀进行受力分析(以最小流量阀水平安装为例)：

F=T

(1)

(2)

T=T0+k·h

(3)

上述式中，F是流体升力，T是弹簧力，T0是弹簧预压紧力，h是切换开高，k是弹簧刚度，ζh代表切换开高h处的流阻系数，是根据试验测定的阀门性能参数。ρ是介质密度，Q是介质体积流量，S和A分别指等效节流面积以及升力面积，其值与具体口径有关。将上述三式联立可得：

(4)

由式(4)得出，最小流量阀的切换点设计实质为主路弹簧的设计。

(2)最小流量阀的稳定性是指当工艺流量发生突变时，流体升力变化，阀位随之变化，将与弹簧力达到新的动态平衡，当止回阀的开度很小时，就容易与密封面发生碰撞，损坏密封面；另外，随着主路止回阀阀位的突然变化，旁路开度也随之变化，导致旁路流量大幅波动，引发旁路水锤。以常见的管路低频水锤为例，其最高频率一般在十几赫兹。根据GB1239—2009，为避免弹簧与脉动流体发生共振，弹簧自振频率不能低于流体振动频率的10倍，即弹簧自振频率不能低于100Hz，因此最小流量阀弹簧刚度不宜过小。另外对于相同的切换流量，为保证足够的弹簧刚度和开高，阀门口径不能过大。

(3)主路压力损失：在离心泵保护系统中，从泵出口处至最终使用点，高压介质由于流经最小流量阀、变径管、弯头和管道，将不可避免地产生局部阻力损失和沿程损失。因此，在离心泵设计时需考虑到配套最小流量阀的主路流阻而留出相应裕量。但在选型时往往有一个误区，认为最小流量阀需按管道选型，所选阀门口径越大，流速越小，压力损失也就越小。其实不然，由于最小流量阀依赖流阻损失(升力)作为开启能源，且最小流量阀主路流阻系数与开启高度呈反比关系，同样流量时，选取口径越大的阀门，虽然获得较小的流速，但小开度带来了流阻系数的增加，最终的流阻损失非但不会减小，反而可能增大。在同样工况下，流阻损失与口径的大小并无定性关系可循，需要依照工况定量核算。

(4)阀门旁路方面，要想获得精准的再循环流量，需进行流体动力学仿真计算并靠水力试验进行验证才能实现。

3.2 选型流程

最小流量阀的选型一般按以下5个步骤进行。

3.2.1 选择产品类型

工程上一般以400m扬程为分界点，将最小流量阀划分为低压型和高压型，具体选型时需要根据介质特性，如汽化压力、许用流速等综合确定。

3.2.2 确定阀门主路口径

(1)估算主路最大口径。为保证阀门具有较好的稳定性和较小的压力损失，阀门出口的折算流速不能低于经验值，即主路口径不应该超过该临界直径。

(2)查出满足要求的最小口径。一般可通过查阅各制造厂性能参数表，确定出满足流通能力的最小口径。

(3)优选与泵口径匹配的产品。通过前2步计算，得到了主路口径的初步范围，第3步需要在此基础上优选与泵匹配的口径，在减少变径成本的同时也降低压力损失。

3.2.3 校核旁路口径

旁路流通能力一般按下式计算：

(1)

为保证可靠性，实际选型过程中所选阀门CV不超过对应口径的上限。

3.2.4 确定材料配置和压力等级

(1)材料配置。在阀门壳体材质的选择上，需要综合考虑温度、耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷等方面的需求，综合考虑配套泵材质等级，选择合适的壳体材质。

内件材质的一般原则是不低于壳体。在此基础上，运动件、导向件、耐冲刷件的耐蚀等级和硬度等级应相应提高。奥氏体不锈钢硬度很低，在耐冲刷方面不够理想，为保证导向可靠、不卡涩、不黏死，需在运动副间保证一定的硬度(差)，同时可在止回阀阀座堆焊硬质合金，以增强这些位置的耐磨性及耐蚀性，保证阀门寿命。

(2)压力等级。在确定阀门材料的基础上，压力等级需根据给定的设计温度、设计压力等，查询温压曲线获得。

3.2.5 核算主路扬程损失

主路扬程损失的核算主要依据水力试验数据、介质特性参数和泵的性能参数。

4 结语

(1)最小流量阀用于泵保护的原理在于：其属于自力式阀门，主路止回阀是其核心元件，集流量感知、多级降压、旁通控制阀和止回功能于一体的三通阀，无需动力源和信号源，采用静密封，无外漏；完全的无电连接，属本质安全型；减少了连接元件的数量，安装、维护费用低。

以煤气化工艺中的锅炉给水泵、高压循环水泵、富甲醇泵和贫液泵为例，阐述了最小流量阀实际应用中的关键问题。

(2)最小流量阀性能指标包括：合适的切换点、较好的稳定性、较低的流阻损失和精准的再循环流量。

(3)选型设计原则：为了使最小流量阀具有合适的切换点，需要设计合适刚度的弹簧；为了使最小流量阀具有较好的动作稳定性，需要合理选择阀门口径；主路流阻损失水平与阀门口径无绝对关系，要依照具体工况进行定量核算；为了获得精准的再循环流量，需进行流体动力学计算，并靠水力试验进行验证。

(4)提出了最小流量阀选型的一般流程。最小流量阀的选型是一个专业性极强的系统工作，需要结合实际使用经验来综合分析判断，从而提高最小流量阀的选择正确性，降低其在生产中发生故障的概率，继而在根本上保证生产过程的安全性，促使生产装置长周期、稳定运行。

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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

张伟(1984年—)，女，河北唐山人，2011年毕业于北京化工大学化工过程机械专业，硕士，工程师，现主要从事最小流量阀设计与技术支持工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.009

TQ051.21

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1004-8901(2017)02-0030-03