泵系統中限流孔板的配置和應用

張璐璐 馮 璐 李 漢 王 波

(華陸工程科技有限責任公司)

泵系統中限流孔板的配置和應用

張璐璐*馮 璐 李 漢 王 波

(華陸工程科技有限責任公司)

在泵管路設計中，針對整個系統的安全防護和泵正常運行流量的要求，配置合理的管路元件。依據限流孔板的特性和管路計算，闡述它在泵管路系統中的應用。通過計算孔板口徑，探討在管路系統中如何選用適合的限流孔板，并且全面考慮整個流量分配系統與泵回流線路的關系，使之與系統安全操作相匹配。結果表明，在正常運行時使用合適的限流孔板和回路管徑，不僅能夠保證輸出量，而且在事故情況下排出流量保護設備，有效地配合了整個系統內設備的安全設計。

泵 限流孔板 管路計算

在化工裝置工藝系統設計中，常用的減壓設施有減壓閥、自力式壓力調節閥、限流孔板及壓力調節閥等。減壓閥和自力式壓力調節閥通常用于降低蒸汽、壓縮空氣或氮氣等公用工程管道的壓力，以滿足工藝系統的需要；工藝物料管道通常選用限流孔板降壓；工藝需要設置具有壓力調節作用的設施時,可以選用調節閥，當壓降過大時,可以進行多級調節[1]。

在工藝物料管道中，限流孔板設置在管道中用于限制流體的流量或降低流體的壓力，通常用于需要降壓且精度要求不高的場合。由于限流孔板為同心銳孔板，流體通過孔板產生壓差，流量隨壓差的增大而增大。但是當壓差超過臨界值時，無論壓差如何增加，流量都維持在一定的數值，從而達到限制流體流量或降低流體壓力的目的[2]。在工業管道設計中，限流孔板常用于閥門上、下游需要有較大壓降時，為減少流體對閥門的沖蝕，當經孔板節流不會產生氣相時，可在閥門上游串聯孔板；另外，在流體需要流量小且連續流通的地方，如泵的沖洗管道，熱備用泵的旁路管道(低流量保護管道)、分析取樣管等場所也可采用[3]。

泵回流管路的設計中有多個設備相關聯，由于采用單個調節閥，在事故狀態下具有一定的局限性，無法充分實現管路特性，進而考慮與限流孔板聯合配置的方法以實現其功能。筆者根據限流孔板的特點，計算適宜的孔板口徑，探討在管路系統中如何合理配置限流孔板，并評價其安全性與實踐性。

1 泵回流管線

離心泵在操作時，流量太小可能造成泵內溫度升高振動而使泵損壞。為了確保其安全穩定操作，大流量、高揚程和高功率的離心泵通常設有最小流量控制[4]。泵后加回流管線，一方面開車時可以調節閥門，使微量流量通過以保護泵體；另一方面，當從泵廠家采購的泵最小連續流量比流程計算所需的最小流量大時，為了滿足工藝要求，需要增加回流管分流。

2 限流孔板的型式

限流孔板用于降低管道壓力或限制管道內流體的流量。通常安裝固定在兩片管道法蘭之間，用合適的墊片和螺栓密封、固定。化工生產中推薦使用帶手柄的限流孔板，以方便安裝和拆卸。

限流孔板按板數可分為單板孔板和多板孔板(圖1、2)。單孔限流孔板外徑等于連接法蘭的螺栓中心圓直徑減去螺栓直徑，以確保限流孔板的精確對中。限流孔板的厚度取決于管徑大小和壓差強弱，其厚度應足以防止孔板在操作條件下的彎曲。

圖1 單孔板圖例

圖2 多孔板圖例

3 限流孔板的作用

在化工裝置中，為了確保物料在輸送過程中的安全性和流量的可調節性，通常在輸送泵的出口管線設有回流管線返回泵入口管線或物料儲罐。但由于泵出口壓力較高，返回線必須減壓后才能返回，通過在回流管線上設置限流孔板，可實現降低壓力和限制流量的目的，保證輸送系統的安全運行。據文獻報道，為保證泵始終保持大于最小流量運行，在泵的出口引出一條回流管線，通過該管線的物料經收料管線進入儲罐，并在合適位置安裝最小流量孔板；為保證泵不超過最大允許流量運行，在泵出口總管上安裝最大流量孔板[5]。

在回流管線上設置限流孔板，開車時閥門全開，流量由限流孔板控制，不需手動調節閥組。正常生產運行時，由于限流孔板壓差大，大部分流量從調節閥主路流出，通過調節閥的流量控制以保證流程所需的回流量。事故狀態時，調節閥故障關閉，氣源恢復供氣至少15min，但為了保證不對機封、軸承及泵體等部件造成損害，在微量流量通過時泵僅能運行幾分鐘。此時流量只能從泵回流管線的限流孔板通過，維持泵工作所需的最小流量，為排除故障爭取寶貴的時間。

4 限流孔板的計算

由于泵系統出口壓力高，操作狀況復雜，在事故狀況下回流管線對設備尤為重要。如圖3所示，將物料輸入回流罐V中，泵回流管線流量由限流孔板進一步緩沖調節，泵內輸出液體。已知正常運行時，泵流量120m3/h，泵出口假定關閉壓力1.88MPa(事故狀況下閥門關閉)，正常出口壓力1.15MPa，回流管和塔出口壓力0.45MPa，管內流體密度為1 220kg/m3，粘度為0.22mPa·s，管道內徑d=80mm。忽略阻力對摩擦系數的影響，λ1=λ2，限流孔板支路：長度l1=7m，局部當量約為le1=213m，管徑d1=80mm。回流入塔主路：長度l2=90m，局部當量約為le2=133m，管徑d2=150mm，廠家返回泵最小連續流量Q=60m3/h。

圖3 泵系統限流孔板工藝簡圖

4.1流量分配的計算

由并聯管路流量分配采用等壓降原則進行常規計算，代入可知：

Q1+Q2=120

泵正常流量Q=120m3/h運行時，支路分配流量為Q1=20m3/h，主路流量為Q2=100m3/h。此時不考慮壓差對限流孔板的阻力影響，若要滿足塔正常回流量不變，需要增大泵流量至144m3/h，此時限流孔板節流量為24m3/h。由于泵在大流量運行時效率會降低，因此一般情況下, 離心泵的使用范圍是0.6～1.2倍的設計點流量，如果在超出此范圍內運行，應該另行選擇[6]。

4.2孔徑的計算

以事故狀況下需要返回泵的最小連續流量60m3/h作為限流孔板流量選取的依據，采用HG/T 20570.15-95[2]進行估算。

在泄壓啟動初期，由于限流孔板前側的壓力等于反應系統泄壓瞬時的工作壓力，壓力值相對較大，這時通過限流孔板的泄放流速比較大。隨著時間的推移,反應系統壓力下降后，通過限流孔板的泄放流速會相對較小[7]。

由于限流孔板的流量與兩側壓差成正比，正常運行時主路背壓小可通過大部分流量，為了保證主路能夠分配到工作流量120m3/h，故采用事故工況下的孔徑26mm進行迭代核算。正常工況下泵的出口壓力為1.15MPa，假定支路流量為24m3/h，根據以上公式計算可知，限流孔板C=0.61，支路流量為40m3/h。故將結果重新帶入流量試差，雷諾數為9.8×105，查限流孔板C-Re-d0/D關系圖發現滿足曲線，試差值可用。但為了保證正常操作下的主路流量，泵的設計流量應該提高到160m3/h，即限流孔板孔徑26mm時，主路通過120m3/h，支路需要流過40m3/h。此結果是在不受主路干擾時孔板理論通過的最大量。

當泵送流量超過最大允許流量運行時，將引起如下問題：汽蝕振動；泵出口壓力減小使得泵進出口壓差減小，不能保證泵內部循環冷卻的正常流量；泵腔壓力變化，不能保證泵轉子的軸向力平衡或影響泵軸向力自動平衡機構工作；電機超載。上述問題的出現均可能導致泵機組的損壞，造成危險[8]。

由以上論述可知，流量的正確選擇對孔徑計算尤為關鍵。一方面事故狀態下限流孔板對于整個泵系統運行至關重要，若無回流管線，當調節閥發生故障時，氣源關閉，導致泵損壞，故需要考慮泵最小連續流量的影響；另一方面，若按照常規回流管線中的流量等壓降分配原則，選取的流量計算孔徑，當正?；亓髁繛?20m3/h，限流孔板中流量為24m3/h時，計算孔徑為d0=17mm，結果較小，二者對比可知，流量越高孔徑相應越大。綜上所述，選用事故工況下的較大孔徑26mm，當支路孔板的正常流量發生波動時，主路通過調節閥與回流罐的液位聯鎖保證主流量不變，仍可滿足正常操作條件，只是支路流速變得緩慢。此計算方法考慮更為全面，更加貼近實際工藝，大幅度降低了安全隱患，提供了更加優良的操作環境。

依據設計標準[9]中限流孔板計算方法，該標準等效采用國際標準ISO5167-2-2003，用于驗證以上計算結果，具體如下：

式中C——流出系數；

d——工作條件下節流孔直徑，m；

D——上游管道內徑，m；

qm——質量流量，kg/s；

qv——體積流量，m3/s；

β——直徑比；

ε——膨脹系數；

Δp——差壓，Pa；

ρ1——流體密度，kg/m3。

由以上兩種計算方法可以看出，采用迭代法更加詳細復雜，但二者結果差別不大。故在工程設計中，工藝專業可以采用HG/T 20570.15-95的計算方法初步有效的判斷孔徑，進而確定回流管徑的合理性。

4.3孔板厚度的計算

由以上計算結果：Δp=1.43MPa，管道內徑d=80mm；根據所選取廠家的CNLOK產品資料(樣本2010，版本號CF-003-1002)，可粗略判知：采用限流孔板孔徑26mm，材料316L，厚度為5mm最適宜。

由以上計算結果，選取限流孔板孔徑26mm，316L材料厚度為5mm最適宜。

5 結束語

隨著工程設計的深入進行，設計文件也愈加細致。由于很難評估正常運行時限流孔板的作用，因此有必要對它進行精確的設計，使回流管徑大小合理，泵系統更加安全，操作更為方便。泵控制著整個系統的流量，如何全面考慮整個流量分配系統與泵回流線路的關系，并使之與系統安全操作相匹配顯得尤為重要。此限流孔板計算方法參照已有公式并結合系統特點，全面考慮正常運行和事故狀態對整個系統的影響，選取合適的孔徑，正常操作時限制流量，事故狀態下排出流量保護設備，從細節處杜絕泵的安全隱患，從而使工藝系統和實際結果更加貼切。

[1] 佟珂，白元峰.淺談化工裝置常用減壓設施的選用[J].化工設計，2008，18(1)：29.

[2] 劉清娟，李恩欽，馮戈.限流孔板在化工裝置的應用[J].化工設計，2009，19(3)：34.

[3] HG/T 20570.15-95，管路限流孔板的設置[S].北京：中國寰球化學工程公司，1996.

[4] 高貴勇.泵的小流量管道的設置[J].通用機械，2014，(5)：56～57.

[5] 朱敏.磁力泵使用過程中孔板保護問題探討[J].廣東科技，2013，22(16)：210～211.

[6] 秦建林.化工企業泵的節能降耗措施[J].化工機械，2011，38(2)：243～244，250.

[7] 范詠峰，陳爭榮.調節閥在石油化工裝置緊急泄壓中的應用[J].石油化工自動化，2011，47(2)：19～22.

[8] 孔繁余，袁壽其，劉厚林，等.孔板管路對磁力泵工作的安全保護[J].中國安全科學學報，2004，14(4)：51～54.

[9] GB/T 2624.2-2006，用安裝在圓型截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第二部分：孔板[S].北京：中國質檢出版社，2006.

ConfigurationandApplicationofRestrictionOrificeinPumpSystem

ZHANG Lu-lu, FENG Lu, LI Han, WANG Bo

(HualuEngineeringandTechnologyCo.,Ltd.,Xi’an710065,China)

In the design of pump’s piping system, configuring the proper pipeline elements as required by both protection and safety of whole system and the pump’s normal flow becomes necessary. According to restriction orifice’s characteristic and the piping calculation, their application in the pump’s piping system was introduced. Through calculating the orifice diameter, discussing the way of selecting proper restriction orifice and considering the relationship between the entire flow distribution system and the reflux pump line, the safe

*張璐璐，女，1984年7月生，工程師。陜西省西安市，710065。

TQ055.89

A

0254-6094(2016)06-0740-05

2015-12-16，

2016-10-28)

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