离心泵小流量管道优化设计*

辛真 刘红波 陈士臣 王钰 郭春雷 孙翠林 党娜

1中海油石化工程有限公司

2中国石油管道沈阳技术分公司

离心泵具有适用范围广、结构简单、流量均匀、造价及维护费用相对较低等特点，因此被广泛地应用在石化行业中。实际生产的某些工况中，泵的外输量在一定时间内处于波动状态。例如汽车装车泵进行装车操作，当接近设定装车量时，需调低装车线流量，用小流量持续运行至装车设定值；当泵的外输流量远小于泵额定流量时，就会出现泵送液体介质温度上升、泵体振动过大、泵能耗增大等问题，状态严重时会出现安全事故。

工程设计中，当存在管道外输流量波动较大的工况时，通常在泵出口主管上设置一条小流量回流支管，用来避免主管外输流量过低时对泵产生的不利影响[1]。

1 泵最小流量的设定

离心泵最小流量确定，主要考虑流量减小导致的介质温升气化、液体流动分离，以及轴向力或径向力增加等因素。离心泵的生产厂家会给出泵允许的最小流量，不同厂家、不同型号的泵允许最小流量略有偏差，但一般都不大于泵额定流量的30%。

在《石油化工储运系统泵区设计规范》中规定，当泵的工作流量低于泵的额定流量30%时，应设置小流量管道。在工程设计中，一般取额定流量的30%为离心泵的最小连续流量[2]。

2 常规小流量管道的设置

图1 与图2 为目前常见的两种泵小流量管道工艺方案[3]。

图1 小流量管道工艺方案一Fig.1 Process planⅠof low-flow pipeline

图2 小流量管道工艺方案二Fig.2 Process plan Ⅱof low-flow pipeline

在工艺方案一中，最小流量管道内流体返回泵上游容器的液相区。当外输管道的流量低于泵的额定流量30%时，手动开启回流阀门，使部分流体回流至储罐，从而使泵的工作流量不小于其允许最小连续流量。回流的介质经过限流孔板及切断阀后，压力降低，从而减小了对储罐的冲击。回流阀门选用截止阀或调节阀。

在工艺方案二中，最小流量管道内流体返回泵进口管线，管道阀门选用截止阀来调节流量。本方案适用于前后压差不大的固定流量控制系统，即在泵出口主管上设置控制级流量计，通过流量计显示，操作人员进行开启小流量管道阀门作业。方案二比方案一流程简单、管线短，节约投资。但回流的液体接着回到泵的入口，不断循环，长时间地运行会导致介质的温升。对于饱和蒸汽压较低的输送介质，操作温度升高导致液体开始汽化，极易引发离心泵气蚀现象[4]。

以上两种工艺，均由操作人员根据泵出口流量情况调节小流量管道的调节阀，实现对泵的保护作用，对操作人员的依赖性很强。手动操作耗费人工，容易误判或延时，存在安全隐患。

3 小流量管道的优化设计

3.1 流程优化

为消除手动操作的弊端，对小流量管道进行了优化设计（图3）。

图3 小流量管道工艺方案三Fig.3 Process plan Ⅲof low-flow pipeline

优化后的流程为：在泵出口线设置孔板流量计，小流量管道上设置调节阀阀组，孔板流量计的流量信号与控制阀联锁。当孔板流量计检测到泵的工作流量小于或等于泵的额定流量30%时，气动控制阀FV 打开，富余流体至倒罐回流线，返回储罐。小流量管道设有副线，设置截止阀或限流孔板作为自动控制阀组检修时备用。小流量管道下游增设止回阀，防止倒罐回流线压力增高时倒流，造成孔板流量计的计量值不准确，维护自控调节阀联锁正常运行。

3.2 工艺参数设置

小流量管道中自动调节阀及副线中限流孔板选型，需要根据小流量管道特性进行计算、选用。

3.2.1 流量

设离心泵额定流量为Q，当主管外输量为0时，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围为(0～0.35)Q。

3.2.2 管道压力

小流量管上游连接泵出口，则管线操作压力即离心泵出口压力。

设泵的额定工作点扬程为H，当流量小于30%额定流量时，泵扬程会高于H，这时泵出口压力需要通过泵的性能曲线进行换算。

图4为某离心泵特性曲线典型图。当流量达到0.3Q时，工作扬程在H的1～1.2 倍之间。由图4 可知，小流量管道的工作压力定为0～pmax是安全可靠的[5]，pmax计算公式为

式中：pmax为最大工作压力，MPa；H为离心泵扬程，m；γ为流体相对密度。

图4 离心泵特性曲线典型图Fig.4 Typical diagram of centrifugal pump characteristic curve

3.2.3 介质流速

为控制噪声污染，建议控制流速小于9 m/s；对于石油化工相关液体介质，为防止静电火灾爆炸，还需控制流速小于4.5 m/s；液化烃类管道流速应不大于3 m/s。

3.2.4 允许压降

富余液体介质由泵出口经小流量管道至倒罐回流线，返回至油罐。当倒罐回流线压力与小流量管道压力相差过大时，则应采取措施再相互联通。储运系统离心泵一般用作供给装置、装船或装车，倒罐泵可由上述泵兼做，扬程能够满足倒罐所需压力。

小流量管道最大允许压力降为

式中：Δp为小流量管道最大允许压力降，MPa(G)；h倒罐为倒罐回流线沿程摩阻损失，m；Hgs为离心泵入口与储罐液面的最大高差，m。

自动控制阀的允许压力降一般控制在50 kPa(G)以内[6]。

3.2.5 管径计算

已知小流量管线压力降、流速，可推算出合理的小流量管道管径。

查阅《油品储运设计手册（下册）》，小流量管道内径可由下式计算

式中：d为小流量管道内径，m；Q为离心泵额定流量，m3/s；V为流体流速，m/s。

单相流体的摩擦阻力可由下式求得

式中：ΔPr为管道沿程摩阻，MPa(G)；λ为水力摩擦系数；L为管道当量长度，m；ρ为流体密度，kg/m2；di为管道内径，m。

通过试算比对，最终得出合理的小流量管道内径[5]。

3.2.6 限流孔板计算

自控调节阀组出现问题停用时，小流量管道副线作为备用方案。离心泵出口压力过大，高出倒罐泵压力，因流速过快进入倒罐回流线，造成对储罐浮盘等不利影响，此时需要在小流量管道上增设限流孔板。回流介质经限流孔板降低压力后，再汇总至倒罐回流线上，返回储罐。

为与下游的倒罐回流线相匹配，小流量管道中限流孔板的压降则必须降至倒罐线允许的操作工况。此处为必需压力降，计算公式如下

式中：Δp1为必需压力降，MPa(G)；p允许为小流量管道最大允许压力降，MPa。

油库、炼厂相关储运系统中，管道压力不宜过高，离心泵扬程有限，限流孔板压力降一般小于2.5 MPa。查阅《石油化工设计手册（第4 卷）》，输送液体介质的小流量管道选用单孔孔板[7]。

小流量管道副线中的限流孔板孔径可由下式求得

式中：d0为限流孔板孔径，m；Q0为工作状态下体积流量，m3/h；C为孔板的流量系数，由雷诺数Re值和d0/D查《限流孔板C-Re-d0/D关系图》求取，其中D为小流量管道内径，m。

3.2.7 调节阀选型

根据小流量管道特性，一般流体的流量系数可由下式求得

式中：CV为流量系数；Q为流经的体积流量，m3/h；Δp为调节阀前后压差，kgf/cm2；γ为介质重度，kgf/cm3。

根据流量系数CV值查询产品手册，可以确定调节阀的公称通径[7]。

气动调节阀具有控制简单、反应快速的特点，且本质安全，无需再采取防爆措施，故在此次优化设计中，优先选用气动调节阀。

3.3 注意事项

小流量管道出口压力过高，甚至出口管线的材料等级高出倒罐回流线一个级别以上，假若小流量管道接入倒罐回流线，可能发生管道设备超压，这种情况建议按工艺方案一进行设置，小流量管道直接接至储罐。

另外，大流量高扬程的泵采用小流量管道回流方案时，在回流调节阀上消耗的能量越大越容易引起震动。当调节阀开度增大时，回流量增大，液体动量增大，越容易引起震动。当离心泵的扬程超过200 m，小流量回流量超过150 m3/h 时，应慎重选择小流量方案，建议采用变频电动机加变频器共同作用的方案，用以调节离心泵流量范围。

离心泵小流量管道配管时应注意，尽量减少弯头，不出现U型弯，要加强固定。应采取多种措施来提高管线的刚性，降低管线的柔性[8-10]。

4 工程实例

某油库柴油装船泵P-01 的额定流量Q为350 m3/h，扬程H为120 m。装船后期，即将达到设定装船量时，存在一段持续小流量状态。为此，在泵P-01出口主管线上增设小流量管道设计。

自动调节阀的流量设定值定为0.3Q，则小流量管道最大值为0.35Q，即离心泵P-01 的小流量管道流量为0～122 m3/h。

泵棚内设倒罐泵，倒罐泵由另外1台柴油装船泵P-02兼做，流量扬程与泵P-01相同。泵棚距离储罐约300 m，罐高约17 m，倒罐回流线管径取200 mm。考虑小流量管道开启，倒罐回流线沿程摩阻为30 m；离心泵入口与储罐液面的最大高差以17 m 计，小流量管道最大允许压力降Δp=0.87 MPa。考虑裕量，小流量管道允许压力降取0.5 MPa。

流量管道内径可由公式（3）计算，以流速V为2 m/s进行试算，初步得出管道内径需150 mm。

由单相流体的摩擦阻力通用公式核算小流量管道压力降，通过试算比对，最终得出经济合理的小流量管道内径为100 mm，流量最大时的流速达到4.3 m/s，防静电的极限流速为4.5 m/s。

由于小流量管道与倒罐回流线之间压差不大，小流量管道副线仅设置截止阀来调节流量，无需设置限流孔板。

本项目中，小流量管道按方案三进行优化设计后，与方案一（或方案二）比较，增加了自动控制阀组（气动）、止回阀、孔板流量计、若干管道及电缆等材料，共增加投资约5.5 万元。年装船能力以100次考虑，装船期间约有0～1.5 h存在稳定小流量状况。采用自动化操作后，操作工人可减少约150 h 的操作时间。操作员工可有余力进行其他生产操作，每年可为企业节约劳动成本约1万元。经计算，约5.5 年可收回小流量管道优化设计增加的资金投入。

5 结束语

离心泵流量远小于额定流量时，会出现温升、震动、能耗增大甚至安全事故等问题。当泵的工作流量低于泵的额定流量30%时，应设置小流量管道。常规小流量管道的设置方法有两种：最小流量管道返回泵上游容器的液相区；最小流量管道返回泵进口管线。这两种工艺均由操作人员手动操作，容易误判或延时，并存在安全隐患。

为消除手动操作的弊端，对小流量管道进行流程优化，可增设自动调节阀与泵出口流量联锁控制装置。对其中的小流量管道管径、限流孔板、调节阀等给出优化设计计算方法。

采用该优化方案时，可能出现管道设备超压的情况，应慎重选择该方案，还应采取多种措施来提高管线的刚性。采用自动化操作后，节约了劳动成本，同时延长了离心泵的使用寿命。

离心泵小流量管道增加自动调节阀组的优化设计，相对于人工操作，可避免误判或延迟，还可有效延长机泵寿命。本优化设计方案已在多个炼化企业设计施工中采用，为企业节约了大量人力成本，目前现场生产运行良好。