離心泵自控回流閥的國產(chǎn)化應(yīng)用

高 陽，董 雷

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

自動控制回流閥用于電力、石油化工、煤化工、核電、LNG等能源化工行業(yè)中離心泵的小流量配套保護，防止泵內(nèi)因流量過低產(chǎn)生汽蝕、振動和噪聲，保證泵設(shè)備的長周期安全運行。與傳統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)泵保護系統(tǒng)相比，避免在小流量工況外一直進行回路循環(huán)，避免能源的浪費，降低碳排放；與控制循環(huán)系統(tǒng)相比，節(jié)省流量計、多級減壓孔板、循環(huán)控制閥等元件，不需動力源和信號源，完全無電連接，初裝成本低、安裝維護簡單、有利于系統(tǒng)的長周期安全運行。

自動控制回流閥直接安裝于泵出口，主路與工藝路線下游相連，旁路與泵進口相連。該閥集流量感知、多級減壓、旁通控制、止回4 項功能于一體，無需外接動力和信號，系統(tǒng)簡單，安裝、維護費用低，系統(tǒng)安全可靠，技術(shù)優(yōu)勢明顯，自動控制回流閥泵工藝應(yīng)用系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 自動控制回流閥泵保護系統(tǒng)

1 工作原理及典型結(jié)構(gòu)

自動控制回流閥是一種帶有旁路的自動閥門，其核心在于主路止回閥能防止液體倒灌造成泵倒轉(zhuǎn)，并能精確感知工藝流量，隨工藝流量自動調(diào)整旁路回流量。

當(dāng)工藝流量為零時，主路止回閥完全關(guān)閉，旁路完全打開，在將泵出口壓力減為泵入口壓力的同時，保證旁路流量不低于泵的最小需求流量，此時泵處于最小需求流量工況，可有效保護泵不發(fā)生“汽蝕”；隨著工藝流量的增加，主路止回閥逐漸開啟，旁路逐漸關(guān)閉，工藝流量和旁路循環(huán)流量之和大于泵的最小需求流量；當(dāng)工藝流量大于泵的最小需求流量時，旁路完全關(guān)閉，泵供給流量完全供給工藝管路，沒有額外的功率輸出。

按所能耐受的旁路壓差不同，將其典型結(jié)構(gòu)形式分有高壓型和低壓型2 種，低壓型自動控制回流閥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，旁路通過單級套筒減壓；高壓型自動控制回流閥結(jié)構(gòu)如圖3 所示，旁路通過多級節(jié)流串減壓。

圖2 低壓型自動控制回流閥結(jié)構(gòu)

圖3 高壓型自動控制回流閥結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用工段

隨著自動控制回流閥技術(shù)的不斷進步，產(chǎn)品種類不斷豐富，應(yīng)用也越來越廣泛，如在鍋爐給水、低溫甲醇洗、煤制天然氣、苯加氫、合成氨、油品合成、海上平臺污水回注等等許多工段上運行狀態(tài)良好，實現(xiàn)了自身功能。其典型應(yīng)用參數(shù)見表1。

表1 典型應(yīng)用參數(shù)

3 國產(chǎn)化情況

由于技術(shù)難度較大，上世紀(jì)90 年代該閥門完全依賴進口。公司受邀中石化對其下屬企業(yè)的進口回流閥實施改造替換，成功實現(xiàn)國產(chǎn)化，并積累豐富的經(jīng)驗。

憑借不斷的技術(shù)研發(fā)，研究所已可研制全系列的自動控制回流閥產(chǎn)品，產(chǎn)品規(guī)格范圍DN25～DN500，壓力等級為150～2500 lb，額定溫度為-196 ℃～538 ℃，旁路壓差最高至50 MPa，并逐步向批量化、規(guī)模化方向發(fā)展。產(chǎn)品型式上，在常規(guī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上衍生出低溫回流閥、夾套伴熱回流閥、超高壓差回流閥、旁路無泄漏回流閥、核電回流閥等高端產(chǎn)品。

從應(yīng)用效果來看，其綜合性能指標(biāo)已達(dá)到甚至超過國外同類產(chǎn)品水平，且應(yīng)用業(yè)績方面也領(lǐng)先于進口廠商，并在典型項目中成功實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，如神華寧煤400 萬噸/年煤炭間接液化項目、中天合創(chuàng)煤炭深加工項目、大連某公司出口海上平臺油田深層注水項目（圖4～圖6）。

圖4 神華寧煤回流閥在線運行

圖5 中天合創(chuàng)回流閥在線運行

圖6 超高壓差回流閥泵閥聯(lián)試

神華寧煤400 萬噸/年煤炭間接液化項目，是全球單套裝置規(guī)模最大的煤制油項目，項目以煤為原料，年產(chǎn)合成油品400 萬噸，總投資550 億元，其中氣化及變換單元、合成氣凈化單元和油品合成單元所含自控回流閥共計370 臺，口徑DN25～DN400，介質(zhì)種類繁多，包括高/低壓除氧水、火炬凝液、貧/富甲醇、石蠟、重質(zhì)油等，工況復(fù)雜多變。閥型涉及大口徑、夾套伴熱、高壓差自控回流閥，技術(shù)難度較大。通過前期的技術(shù)交流、選型方案制定和技術(shù)澄清，最終確定技術(shù)方案，并按技術(shù)協(xié)議的要求進行閥門的設(shè)計、制造和檢、試驗，最終項目按時交付，所有閥門成功上線，實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，收到良好的節(jié)能降碳效果。同時公司實現(xiàn)較大的技術(shù)提升，獲得寶貴的設(shè)計及在線運行經(jīng)驗。

大連某公司出口伊朗的海上鉆井平臺超高壓差注水泵用自控回流閥，之前由德國某公司壟斷，壓差高達(dá)24 MPa，閥門采用H 形新結(jié)構(gòu)，具有7 級減壓能力，流量可在線調(diào)節(jié)，于2014 年3月泵閥一次聯(lián)試成功，各項設(shè)計指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。超高壓差回流閥的成功國產(chǎn)化，進一步提高高壓回流閥的工業(yè)技術(shù)水平，取代進口產(chǎn)品，節(jié)約外匯，且該閥無外部控制機構(gòu)，節(jié)約能源，減少污染，在高端回流閥市場占領(lǐng)一席之地。

目前公司生產(chǎn)的自動控制回流閥國內(nèi)市場占有率達(dá)70%以上，并已成為國內(nèi)用戶的首選品牌。國際市場已擴展至美國、伊朗、印度、馬來西亞、巴基斯坦等國家。

4 經(jīng)濟效益和社會效益

自動控制回流閥的國產(chǎn)化帶來直接的經(jīng)濟效益，現(xiàn)通過旁路無泄漏自控回流閥論證其節(jié)能效果。

離心泵的最小需求流量和泵的口徑、揚程等參數(shù)有關(guān)，以DN300 口徑回流閥為研究對象，配套泵揚程為76 m，介質(zhì)密度為0.561 kg/m3，工藝流量為686 m3/h，泵在正常運行時旁路仍然通過縫隙泄漏掉主路工藝流量的1%，約為6.9 m3/h，即泵在正常運行時輸出的流量為693 m3/h。假設(shè)泵在正常流量時的效率為80%。按泵每年工作300 d、每天工作24 h 來計算，泵運行帶來的額外電能消耗W 的計算公式為式（1）。

其中，ρ 為流體密度，g 為重力加速度，Q 為泵的體積流量，H為泵的揚程，t 為泵運行的時間，η 為泵在正常流量下運行的效率。

以現(xiàn)在工業(yè)用電電價0.8 元/千瓦時計算，將計算數(shù)值代入式（1），使用旁路無泄漏自控回流閥每年可省電6000 元。按照1 kW·h 節(jié)約0.4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤來算，每使用1 臺這樣的旁路無泄漏自控回流閥較常規(guī)結(jié)構(gòu)回流閥每年又可節(jié)約2.9 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。

自動控制回流閥的成功國產(chǎn)化，解決進口產(chǎn)品成本高、供貨周期長等問題，大幅降低國內(nèi)用戶的采購成本、提升航天石化市場影響力，帶來良好的社會效益。

5 結(jié)束語

“雙碳目標(biāo)”的提出是中國主動承擔(dān)應(yīng)對全球氣候變化責(zé)任的大國擔(dān)當(dāng)；是加快生態(tài)文明建設(shè)和實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手；是貫徹新的發(fā)展理念，推進創(chuàng)新驅(qū)動的綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。在能源化工企業(yè)中，對自動控制回流閥的應(yīng)用進行進一步推廣，從閥門廠家的角度來看，這將提升自動控制回流閥的設(shè)計、制造、檢驗試驗及應(yīng)用的總體水平，并對其產(chǎn)業(yè)化起重大推動作用；從用戶的角度來看，這將有利于能源化工企業(yè)設(shè)備長周期安全運行，并在實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的同時實現(xiàn)企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。