離心泵最小流量控制方案的選擇

喻 芳

惠生工程(中國)有限公司 上海 201210

離心泵最小流量控制方案的選擇

喻 芳*

惠生工程(中國)有限公司 上海 201210

針對離心泵在低流量區域長期運行易產生汽蝕、振動、噪音和機械故障的問題，總結工藝流程設計中泵最小流量控制的若干方案及各自特點，推薦各方案的適宜應用場合。

離心泵 最小流量 孔板 調節閥 壓力 流量

液體輸送用泵將輸入功率(如電能、蒸汽動能)一部分轉換為水力能量，同時由于摩擦一部分轉換成熱能損失。內部能量損失在很大程度上取決于通過泵的流量。泵輸出流量越低，效率越低，因此轉換為熱量的內部能量損失就越大。泵內介質溫度隨流量減小而不斷上升，為避免泵內過熱和可能的汽化，泵運行時必須保持一定的流量(即所謂最小流量)。當流量低于最小流量時，泵將產生汽蝕、振動、噪音甚至機械故障。在工藝設計中，為避免因上游液位或下游壓力原因導致泵的輸送流量低于最小流量，通常采用泵出口的最小流量旁路返回上游容器的方法保護泵的平穩安全運轉。

1 最小流量保護方案

在實際運用中，最小流量旁路有幾種常見的設計方案，最簡單的為旁路加裝孔板保持一股連續的流量返回上游設備。較復雜的為自動控制方案，采用壓力或流量參數控制旁路調節閥的開度，不同方案有其特點和適用場合。

1.1 旁路孔板

泵出口旁路上安裝孔板是最簡單也最常見的泵最小流量保護方法，工藝流程見圖1。

圖1 旁路孔板工藝流程

泵出口線上分出一股旁路返回上游容器，旁路上安裝限流孔板和閘閥，閘閥正常運行時保持全開。管道尺寸根據廠家提供的泵的最小流量進行確定。限流孔板有兩種設計思路，一種是最安全但最耗能的，即按泵的最小流量進行設計；另一種根據可能出現的工藝最小流量，用泵的最小流量減掉工藝最小流量來進行設計，這樣可以降低一部分泵的耗能。旁路安裝孔板的方案因旁路有連續的流量通過，泵的出口流量始終大于工藝流量，當泵的最小流量較大時，泵的操作點始終偏離最佳效率點，因此能耗大，操作費用高。該方案適宜于泵流量較小、功率較低的場合。優點是方案簡單，孔板成本低；缺點是能耗高，而且當孔板前后切斷閥誤關閉時起不到保護作用，可能造成泵的機械損壞。

1.2 出口壓力+旁路調節閥

為節省能量，可采用自動控制旁路滿足泵最小流量起到保護的作用。方法之一是用泵出口壓力對旁路的開度進行控制的方案，旁路上裝一調節閥，正常運行時閥一直為關閉狀態，當出口壓力高于設定點時，表示出口流量降低，此時旁路應逐漸開大，以保證入口流量不低于最小流量。壓力設定點根據泵的操作曲線上最小流量對應的出口壓力進行設定。工藝流程見圖2。

控制邏輯為：當控制器PC檢測到出口壓力 > 設定值SP(泵允許的最小流量下對應的出口壓力)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行開閥動作；當控制器PC檢測到出口壓力 ≤ 設定值SP(泵允許的最小流量下對應的出口壓力)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行關閥動作。

圖2 出口壓力控制工藝流程

對高揚程泵來說，調節閥可能需要和一級或多級孔板連用，孔板用來降壓以避免出現對閥的沖蝕、噪音和介質的汽化。

當上游壓力變化比因流量改變帶來的壓力波動小，且泵的性能曲線很陡峭時，即流量降低，出口壓力迅速升高，壓力控制比較靈敏時，用出口壓力進行最小流量控制較適宜。

1.3 出口流量+旁路調節閥

采用調節閥自動控制旁路流量的方法經濟，當泵性能曲線較平坦，即出口壓力對流量變化不敏感時，可采用泵出口流量對旁路進行控制。工藝流程見圖3。

圖3 出口流量控制工藝流程

正常運行時調節閥一直為關閉狀態，當出口總流量低于設定點時，此時旁路應逐漸開大，以保證入口流量不低于最小流量。流量設定點根據泵的操作曲線上最小流量進行設定。對高揚程泵，為了達到降壓并保護調節閥的作用，可能串聯一級或多級孔板使用。

控制邏輯為：當控制器FC檢測到出口流量<設定值SP(泵允許的最小流量值)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行開閥動作；當控制器FC檢測到出口壓力 ≥ 設定值SP(泵允許的最小流量值)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行關閥動作。

1.4 泵進出口壓差+旁路調節閥

對于泵性能曲線較陡峭，且泵進口壓力變化很大的場合，為減小進口壓力對出口壓力的影響，旁路調節閥可采用泵進出口壓差進行控制。工藝流程見圖4。

圖4 進出口壓差控制工藝流程

此方案的特點是通過檢測泵進口設備壓力和出口壓力得到進出口壓差，該壓差即近似為泵揚程，當流量減小時，對照泵性能曲線，泵揚程迅速增加，此時旁路調節閥應開大，以保證泵的流量不低于最小流量，達到保護泵的目的。

控制邏輯：泵上游設備出口壓力變送器PT1和泵出口壓力變送器PT2將參數送至壓差控制器PDC，當其檢測到壓差值 > 設定值SP(泵允許的最小流量下對應的揚程壓差)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行開閥動作；當控制器PDC檢測到壓差值 ≤ 設定值SP(泵允許的最小流量下對應的揚程壓差)，控制器發出4～20mA控制信號至最小流量旁路控制閥執行機構執行關閥動作。正常操作時，旁路閥處于關閉狀態。

該方案較單獨的出口壓力控制復雜，多了一套壓力檢測儀表和邏輯回路，但控制最穩定，當泵性能曲線陡峭且進口壓力變化較大時，推薦采用此種方案。

2 結語

離心泵在化工操作中作為最常見的動設備，其耗能對降低操作費用有重要的意義。當工藝流量有可能低于泵穩定操作的最小流量時，有必要增加出口旁路設計。以上四種旁路最小流量控制方案，從經濟上說孔板的投資最小，但操作費用高，適宜用在泵流量小，功率低的場合；增加旁路調節閥的自控方案一次性投資大，但長期運行的操作費用大幅降低。出口壓力和流量控制分別用于泵性能曲線陡峭和平坦的場合，當泵入口壓力波動較大時，可增加進口壓力檢測，通過進出口壓差對旁路流量進行控制。在實際工藝中，要根據具體情況做出合適的選擇，達到既安全、又節能經濟的目的。

2016-11-03)

*喻 芳：工程師。2009年畢業于中國石油大學(華東)化學工藝系獲碩士學位。主要從事石油化工工程工藝設計。 聯系電話：(021)20306278，E-mail：yufang@wison.com。