備用泵系統(tǒng)氣穴解決辦法探討

王 濤

（中國石化集團四川維尼綸廠，重慶 長壽 401254）

泵作為液體介質(zhì)的輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用。在連續(xù)運行的裝置中均設(shè)有備用泵，重要的泵組在工藝設(shè)計中往往帶有聯(lián)鎖自啟動，以保證裝置的連續(xù)運行。泵在工作時，若系統(tǒng)中存在氣相聚集，由于液體的不可壓縮性和氣體的可壓縮性，將使液體介質(zhì)的揚程不能達到規(guī)定值，從而引起相應(yīng)系統(tǒng)或裝置停車，造成巨大損失。我廠甲醇裝置曾因備用泵系統(tǒng)內(nèi)形成氣穴，在主泵出現(xiàn)故障時，備用泵系統(tǒng)不能及時提供足夠的揚程，形成壓力低聯(lián)鎖，數(shù)次造成壓縮單元停車。為解決此類問題，實際生產(chǎn)中多采用人工定時排氣或加大運行泵切換頻率等來盡量減少氣穴的影響。

1 備用泵系統(tǒng)氣穴成因及部位

氣體與液體接觸時，氣體溶解在液體中，形成一定的溶解度，在氣液兩相經(jīng)過相當(dāng)長時間的接觸后，溶解度逐漸趨于一極限，這時氣液兩相達到平衡，氣體溶解過程終止，這一極限溶解度就稱為平衡溶解度；平衡溶解度的大小隨物系、溫度、壓力而異。在石化生產(chǎn)中，由于高溫、高壓及氣相液相介質(zhì)接觸頻繁的生產(chǎn)特性，往往使得液體介質(zhì)中溶解有不同種類的可溶性氣體，進而存在于液體系統(tǒng)中。

溶解于液體中的氣體，由于溫度、壓力、運動狀態(tài)等的變化，在密閉靜止系統(tǒng)中，將出現(xiàn)解吸；溶解的部分氣體解吸出來，形成小氣泡，進而不斷聚集，在密閉靜止系統(tǒng)的頂部形成氣穴。

正常情況下，運行的泵系統(tǒng)中不會產(chǎn)生影響其出力的氣穴。氣穴是與其相連的備用泵系統(tǒng)產(chǎn)生的。

圖1 一用一備雙泵系統(tǒng)流程示意

由圖1可知，互為備用的P－A、P－B泵系統(tǒng)，分別包含了進口閥、過濾器、泵及壓力表、止回閥、出口閥、壓力表、低排及管道等。正常生產(chǎn)時，一個泵系統(tǒng)運行，一個泵系統(tǒng)備用，但各泵的進出口閥均處于全開狀態(tài)，管道內(nèi)均充滿介質(zhì)；由于止回閥的作用，備用泵系統(tǒng)的一段（進口閥到止回閥管段）形成一個密閉靜止系統(tǒng)，隨著時間、溫度、壓力等的變化，存在于備用泵系統(tǒng)介質(zhì)中的氣體解吸出來，不斷聚集，形成氣穴。具體位置如圖1所示云狀線區(qū)域（止回閥下端管道頂部）。

當(dāng)主泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障，主泵停運時，在重要的單元中，備用泵系統(tǒng)就會在規(guī)定時間內(nèi)自行啟動，但由于止回閥下端管道頂部存在氣穴，在氣穴不能消除的情形下，液體介質(zhì)不能及時流動，造成介質(zhì)夾氣，泵揚程大幅波動，達不到要求值，形成報警甚至聯(lián)鎖，造成相關(guān)單元或裝置停車，損失巨大。

2 解決思路及方法

由上述可知，備用泵系統(tǒng)中氣穴產(chǎn)生的原因主要由三個因素引起，一是介質(zhì)中溶解有可溶性氣體，二是解吸出的氣體有時間聚集，三是形成密閉靜止系統(tǒng)。介質(zhì)中溶解有可溶性氣體是由裝置的工藝流程及介質(zhì)特性決定的，不可改變，故解決氣穴問題的思路主要針對后兩個因素進行，思路一，讓聚集的氣體及時排放出去；思路二，讓密閉靜止系統(tǒng)“動”起來。具體解決方法如下。

2.1 設(shè)置自動排氣閥 （方法1）

設(shè)置自動排氣閥的目的就是讓氣體不出現(xiàn)聚集，避免形成氣穴。其工作原理為，當(dāng)系統(tǒng)充滿液體介質(zhì)時，介質(zhì)中的氣體因溫度和壓力變化而不斷逸出向最高處聚集，造成閥腔上部氣體壓力pQ變化，當(dāng)pQ大于系統(tǒng)壓力pX時，閥內(nèi)浮筒便會下落帶動閥桿向下運動，閥口打開，氣體不斷排出；當(dāng)氣體壓力pQ低于系統(tǒng)壓力pX時，浮筒上升帶動閥桿向上運動，閥口關(guān)閉，如此反復(fù)循環(huán)。圖2為常見的立式自動排氣閥結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 立式自動排氣閥結(jié)構(gòu)示意

圖3 一用一備雙泵系統(tǒng)設(shè)置自動排氣閥示意

圖3中云狀線區(qū)域即為安裝有前閥的自動排氣閥。安裝前閥為便于檢修或更換自動排氣閥，排氣閥所排氣體引至安全位置。在此需強調(diào)一點，鑒于石化裝置的特點，解吸出的氣體組分各不相同，應(yīng)根據(jù)相關(guān)安全環(huán)保要求，將解吸氣排放至合適位置，并注意排放處的壓力。

由自動排氣閥的工作原理可知，當(dāng)系統(tǒng)壓力為負壓時，若排氣閥出口對空，將會造成空氣進入系統(tǒng)，從而破壞負壓系統(tǒng)。故對于負壓系統(tǒng)的備用泵系統(tǒng)，安裝自動排氣閥是不合適的。

自動排氣閥具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，選擇面廣等優(yōu)點，連接形式有螺紋、法蘭等；口徑DN6～DN600，壓力1.0～6.4MPa，溫度－100～600℃；材質(zhì)有鑄鐵、碳鋼、不銹鋼、球墨鑄鐵及其他特殊鋼。對于具備安裝自動排氣閥條件的系統(tǒng)，在實際選用及安裝過程中需注意如下幾點：

（1）自動排氣閥需安裝在氣穴聚集處（即系統(tǒng)高點）；

（2）自動排氣閥必須垂直安裝，即必須保證其內(nèi)部的浮筒處于垂直狀態(tài)，以免影響排氣；

（3）系統(tǒng)介質(zhì)應(yīng)清潔，無大的雜質(zhì)；

（4）介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)及溫度、壓力等，決定自動排氣閥各零部件的選材及規(guī)格。

自動排氣閥在獨立采暖系統(tǒng)，集中供熱系統(tǒng)，地板輻射采暖系統(tǒng)，太陽能采暖系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)，中央空調(diào)，采暖鍋爐等領(lǐng)域的應(yīng)用非常成熟。我廠綜合管理中心中央空調(diào)系統(tǒng)上就有使用，很好地解決了系統(tǒng)末端高點氣穴現(xiàn)象，保證了末端用戶采暖、采冷需求。

2.2 增設(shè)配有流量孔板的小管徑管線至低壓系統(tǒng)（方法2）

讓密閉靜止系統(tǒng)微動起來，進而讓解吸氣體不能聚集是此方法的目的，見圖4。具體為，在系統(tǒng)高點，即止回閥下端管線處，新增一根小管徑管線，管線上安裝有切斷閥、止回閥和流量孔板。切斷閥的作用是，泵運行時切斷該新增管線；止回閥的作用是，保護系統(tǒng)以防意外；流量孔板的作用是，既保證介質(zhì)微流動，最大程度節(jié)省能耗，又可以起節(jié)流降壓的作用，從而減輕返回介質(zhì)對低壓系統(tǒng)的沖擊。

圖4 一用一備雙泵系統(tǒng)增設(shè)配有流量孔板管線示意

該方法適用于系統(tǒng)壓力pX大于流量孔板后壓力pL（當(dāng)然pX與pL的差值不要太大或太小）、泵組系統(tǒng)緊鄰處有相容的低壓系統(tǒng)（相容即返回的小部分介質(zhì)對低壓系統(tǒng)的影響可以忽略）。流量孔板孔徑的大小，應(yīng)根據(jù)與之相連的低壓系統(tǒng)、泵的富裕能力、介質(zhì)的清潔程度等因素綜合考慮。一般孔徑取2～4mm較為合適。

2.3 構(gòu)建連通器（方法3）

大家知道，連通器的主要特點就是如果其內(nèi)只有一種液體，在液體不流動的情況下，各容器中的液面總保持相平。現(xiàn)以大型機組所配置的油泵系統(tǒng)為例，介紹如何通過構(gòu)建連通器解決備用泵系統(tǒng)氣穴的產(chǎn)生。

圖5中云狀線部分即為備用泵系統(tǒng)需要的配置。具體為，從氣穴聚集處（即止回閥下端管道高點）開孔，安裝前閥、流量孔板、管道（最好采用小口徑管道，DN10即可）等，最后與系統(tǒng)介質(zhì)的儲罐氣相相接，形成連通管。備用泵系統(tǒng)頂部產(chǎn)生的解吸氣，通過新增的管道和流量孔板進入到儲罐氣相中；備用泵啟動時，通過流量孔板的控制，將有極小部分的介質(zhì)返回儲罐形成回流；備用泵運行正常后可以通過關(guān)閉前閥切斷回流介質(zhì)。

圖5 一用一備油泵系統(tǒng)構(gòu)建連通器示意

采用此種解決方法時，要求備用泵系統(tǒng)高點（即氣穴處）標(biāo)高低于相連通的儲罐的最低液位，在此種情形下才能形成連通管，消除氣穴。

對于已運行機組的油泵和凝結(jié)水泵，如果泵系統(tǒng)氣穴聚集處的高度（一般在止回閥下端）低于油站油箱和凝結(jié)水罐的低液位，可以采用此種方法解決氣穴問題。此種方法流量孔板的選型同上述方法2。其缺點是，備用泵啟動時有回流量，不過生產(chǎn)實際中因流量孔板孔徑較小，該影響可以忽略。

我廠甲醇車間一甲裝置壓縮機潤滑油泵系統(tǒng)，通過構(gòu)建連通器，在止回閥下端增設(shè)了回油箱的流量孔板系統(tǒng)，避免了備用油泵氣穴的產(chǎn)生，效果很好。

以上幾種方法，均有使用條件的限制，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況選用。對于新建或改擴建工程，應(yīng)要求設(shè)計單位認真考慮氣穴問題并予以解決。

3 結(jié)束語

對于化工裝置，備用泵系統(tǒng)氣穴的產(chǎn)生及解決，在工程設(shè)計及生產(chǎn)實際中往往重視程度不夠，撰寫此文意在拋磚引玉，希望引起相關(guān)工程單位及生產(chǎn)技術(shù)人員的思考。備用泵系統(tǒng)因輸送介質(zhì)中溶解氣體的不同，以及溫度、壓力、流量、配管等內(nèi)外部條件的不同，產(chǎn)生氣穴的間隔及大小各不相同，在工程設(shè)計及生產(chǎn)實踐中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的處理方法。特別是附屬于大型機組的油系統(tǒng)及凝結(jié)水系統(tǒng)中的泵組，其備用泵系統(tǒng)氣穴的消極影響尤為嚴(yán)重，希望能引起高度重視。